CN107084071B - 一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机 - Google Patents

Abstract

一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，包括进气道、燃烧室，所述发动机的进气道为一次直线压缩设计；所述进气道的上游壁面上开设有燃料喷注孔，所述发动机的燃烧室后方布置有起爆装置，所述起爆装置包括热射流氧化剂管道以及携带有射流燃料的热射流装置，所述热射流氧化剂管道的入口设置在进气道的上游且其位置位于所有燃料喷注孔之上，热射流氧化剂管道的出口连接热射流装置，同热射流装置里面携带的燃料进行混合点火，实现热射流生成。相比于传统超燃冲压发动机，基于爆震燃烧的超燃冲压发动机结构简化、热力循环效率高，并且能量释放速率快，经试验测试基于爆震燃烧的发动机推力性能可比现有基于等压燃烧的发动机高30％以上。

Description

一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机

技术领域

本发明涉及一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，并就其燃料喷注混合、超声速可燃气的热射流起爆以及爆震动态稳定控制的实现提供一种设计方法。

背景技术

超燃冲压发动机(Scramjet)在高马赫(Ma>5)飞行条件下性能优良，已经成为高超声速飞行器推进系统的首选方案。然而，结合当前的研究以及美国X-51A飞行试验可以得知，超燃冲压发动机验证机的加速性能并不明显，净推力偏小。因此，基于当前研究，迫切需要改善发动机推力性能。超燃冲压发动机按照布莱顿(Brayton)等压燃烧循环设计，其热力循环效率远低于近似等容循环的爆震燃烧。因而如果能够在超声速气流中实现爆震燃烧，即使是局部爆震燃烧，发动机的推力性能极有可能获得大幅提升。

超燃冲压发动机已经逐渐走向工程应用，但是基于爆震燃烧的超燃冲压发动机概念设计目前还没有见诸报道。利用超燃冲压发动机相对成熟的工程化经验，在燃烧室中采用爆震燃烧替换等压燃烧模式，相对于其它类型爆震发动机而言能够尽快实现基于爆震燃烧发动机，但是这些研究还处于理论阶段并没有考虑具体的发动机应用实现。

发明内容

基于爆震燃烧的超燃冲压发动机目前仍是一个崭新的发动机概念，尚没有具体的实现方案公布于世。本发明的目的在于提出一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机。本发明在进气道壁面中喷注燃料，同经过进气道激波压缩后的超声速来流空气进行混合；在超燃冲压发动机机体中采用热射流生成装置，通过超燃冲压发动机的燃烧室的壁面向超声速预混可燃气中喷注，进而实现爆震快速起爆。燃烧室超声速气流中实现爆震起爆后，可以采用热射流的开关一定程度上控制爆震波的传播状态。在燃烧室的壁面上布置压力传感器，设置一定压力阈值，可以实时监测爆震波的传播位置，判断爆震波传播状态，据此可以开启或者关闭热射流从而控制爆震波在燃烧室中的传播状态，实现超燃冲压发动机中爆震燃烧的动态稳定控制。

本发明的技术方案是：

一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，包括进气道、燃烧室，其特征在于，所述发动机的进气道为一次直线压缩设计，即进气道为一条倾斜的直线型进气道；所述进气道的上游壁面上开设有燃料喷注孔，所述发动机的燃烧室后方布置有起爆装置，所述起爆装置包括热射流氧化剂管道以及携带有射流燃料的热射流装置，所述热射流氧化剂管道的入口设置在进气道的上游且其位置位于所有燃料喷注孔之上，热射流氧化剂管道的出口连接热射流装置，同热射流装置里面携带的燃料进行混合点火，实现热射流生成。

进一步地，本发明所述进气道的上游壁面上设置有呈等间距阵列分布的多个燃料喷注孔，所有燃料喷注孔均与燃料供给管路连接并为燃烧室提供工作所需的燃料。

进一步地，本发明所述呈等间距阵列分布的多个燃料喷注孔中，位于上方的燃料喷注孔的孔径比位于其下方的燃料喷注孔的孔径大。

进一步地，本发明所述燃烧室的壁面安装一组压力传感器，测量燃烧室的壁面压力，通过压力传感器感知燃烧室的壁面压力进而感知爆震波的传播状态，然后通过热射流装置的开启与关闭来调整爆震波在燃烧室中的状态，实现动态稳定传播。

进一步地，本发明在整个燃烧室的长度方向等间距安装有多个压力传感器，等间距分布的压力传感器实时监测爆震波位置，根据爆震波的传播状态在燃烧室的相应位置设有波面临界位置以及动态驻定位置，在波面临界位置和动态驻定位置均设置有压力传感器。其中，波面临界位置指爆震波后传时设定的临界位置，爆震波到达波面临近位置时存在熄爆的可能性。动态驻定位置位于燃烧室上游，爆震波到达这一位置表明爆震波的自持传播处于一种相对稳定状态。压力传感器在整个燃烧室内等间距分布，这样能够有效监测爆震波面在整个燃烧室内的传播状态。

进一步地，本发明在燃烧室内设定波面临界位置，等间距分布的一组压力传感器实时检测燃烧室内爆震波波面位置，当位于波面临界位置的压力传感器检测到爆震波波面位置达到设定的波面临界位置，爆震波衰减存在熄爆的可能性，此时开启射流开关，通过射流喷注形成收缩通道促使爆震波前传，直至到达相对稳定的动态驻定位置；当位于动态驻定位置的压力传感器监测爆震波达到动态驻定位置时，关闭射流开关，从而整体上实现爆震波相对动态稳定传播。

本发明的有益技术效果：

1、进气道结构设计可以简化传统发动机进气道多级压缩结构，实现发动机轻量化设计。

2.在进气道壁面喷注燃料可以增加燃料预混距离与时间，从而提高燃料预混效率，简化燃烧室设计。

3.从超声速来流中引入空气氧化剂，可以减轻发动机自身负荷，实现持续的射流供应，保证爆震起爆与控制功能。

4.燃烧室的动态控制方案可以有效实现燃烧室中爆震波的动态稳定控制，从而实现持续的推力增益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有的超燃冲压发动机的进气道结构示意图；

图3是本发明的进气道结构示意图；

图4是本发明进气道燃料喷注结构示意图；

图5是本发明爆震起爆热射流结构示意图；

图6是本发明燃烧室的结构示意图；

图7是本发明燃烧室爆震波面动态驻定控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，在基于爆震燃烧的超燃冲压发动机中可以实现超声速空气来流的压缩、燃料喷注以及与压缩后空气的混合、燃烧室中热射流的爆震起爆以及爆震燃烧的动态稳定控制，从而最终实现稳定的推力性能。本发明主要从发动机的进气道结构、燃料喷注结构、起爆结构以及燃烧室动态控制结构进行设计。

参照图1，本实施例包括进气道1、燃烧室2。对于进气道，传统超燃冲压发动机燃烧室中的等压燃烧没有自增压功能，为了实现有效燃烧，进气道1需要进行多级压缩，通常设计为曲面压缩，进气道的斜率相对较大，如图2所示。这种曲面进气道设计方法相对复杂，同时容易导致较大的总压损失。然而，基于爆震燃烧的超燃冲压发动机中，爆震波自身能够进行有效自增压，对于进气道的压缩性能要求相对较低，从而导致的总压损失相对较小，通过一次直线压缩即可以满足需求，进气道型面设计更加简单，可以采用更小的斜率。如图3所示，本发明中的进气道1为一次直线压缩设计，即进气道1为一条倾斜的直线型进气道。因而相对传统超燃冲压发动机而言，基于爆震燃烧的超燃冲压发动机的进气道设计可以进行有效简化，使得发动机的轻量化设计更加容易实现。

参照图4，为本发明图4进气道燃料喷注结构示意图。在进气道1的上游壁面上设置有呈等间距阵列分布的多个燃料喷注孔5，所有燃料喷注孔5均与燃料供给管路连接并为燃烧室提供工作所需 的燃料。燃料喷注孔5全部设置在进气道的上游，可以有效增加燃料与经过激波压缩后的超声速空气来流之间的混合距离与时间，一定程度上提高混合效率。在设计燃料喷注孔时，为确保进入燃烧室的燃料基本混合均匀，下游的燃烧喷孔5的孔径比上游的燃料喷孔5设计相对偏小，从而在进气道中经过不同的混合距离可以达到相同的混合效果。传统超燃冲压发动机通常在燃烧室中进行燃料的喷注混合，通常需要一定长度的燃烧室才能实现有效混合，而基于爆震燃烧的超燃冲压发动机在进气道中进行燃料喷注混合可以有效缩短燃烧室长度，简化燃烧室设计。不仅如此，传统超燃冲压发动机中的隔离段也可以省略，这对于发动机的轻量化设计具有重要意义。

参照图5，图5是本发明爆震起爆热射流结构示意图。发动机的燃烧室2后方布置有起爆装置4，所述起爆装置4包括热射流氧化剂管道401以及携带有射流燃料的热射流装置402。采用热射流进行超声速气流中的爆震起爆时，需要预先给热射流管提供燃料和氧化剂。在图 5中，热射流氧化剂管道401的入口设置在进气道1的上游且其位置位于所有燃料喷注孔5 之上，热射流氧化剂管道401的出口连接热射流装置402。热射流氧化剂管道401内氧化剂通过经过激波压缩后的超声速来流空气提供，然后进入到热射流装置402中，同里面携带的燃料进行混合点火，实现热射流生成。为了避免进气道燃料进入，热射流氧化剂管道的入口设置在进气道的上游且其位置位于所有燃料喷注孔之上。同时，持续的超声速来流空气供应能够保证热射流后期进行爆震动态稳定控制的工质供应。这样设计能够从发动机外部获取空气氧化剂，减少射流装置自身负荷，有效减少发动机整体重量。除此之外，持续地获取空气流量能够为后期的射流控制提供工质供应。

图6是本发明燃烧室的结构示意图。在燃烧室2的一侧壁面上顺其长度方向等间距安装有一组压力传感器6，等间距分布的多个压力传感器6实时监测爆震波3的位置。爆震波3 为一道强激波，通过壁面时会引起壁面压力突然跃升，因而通过测量壁面压力跃升可以判断爆震波的传播位置即通过压力传感器感知燃烧室的壁面压力进而感知爆震波的传播状态。

爆震波只能在预混比较充分的可燃气中传播，混合不充分时容易导致爆震熄爆。针对这种特性的爆震发动机，由于喷注混合的缘故，爆震波难以持续前传，但是可以持续后退甚至熄爆。本发明根据爆震波的传播状态在燃烧室的相应位置设有波面临界位置以及动态驻定位置，在波面临界位置和动态驻定位置均设置有压力传感器。其中，波面临界位置指爆震波后传时设定的临界位置，爆震波到达波面临近位置时存在熄爆的可能性。动态驻定位置位于燃烧室上游，爆震波到达这一位置表明爆震波的自持传播处于一种相对稳定状态。压力传感器在整个燃烧室内等间距分布，这样能够有效监测爆震波面在整个燃烧室内的传播状态，然后通过热射流装置的开启与关闭来调整爆震波在燃烧室中的状态，实现动态稳定传播。

图7是本发明燃烧室爆震波面动态驻定控制流程图。在燃烧室内设定波面临界位置，等间距分布的一组压力传感器实时检测燃烧室内爆震波波面位置，当位于波面临界位置的压力传感器检测到爆震波波面位置达到设定的波面临界位置，爆震波衰减存在熄爆的可能性，此时开启射流开关，通过射流喷注形成收缩通道促使爆震波前传，直至到达相对稳定的动态驻定位置；当位于动态驻定位置的压力传感器监测爆震波达到动态驻定位置时，关闭射流开关，从而整体上实现爆震波相对动态稳定传播，从而产生持续推力。

本发明在进气道中实现燃料喷注混合，并基于超燃冲压发动机机体，在其燃烧室中实现爆震燃烧，提升发动机整体推力性能。相比于传统超燃冲压发动机，基于爆震燃烧的超燃冲压发动机结构简化、热力循环效率高，并且能量释放速率快，经试验测试基于爆震燃烧的发动机推力性能可比现有基于等压燃烧的发动机高30％以上。此外，传统超燃冲压发动机由于进气道增压，飞行马赫数一般不高于马赫8，而基于爆震燃烧的超燃冲压发动机通过爆震的自增压特性，可以简化基于爆震燃烧的超燃冲压发动机进气道设计，提高发动机来流马赫数适应范围，实现更高马赫数飞行。针对一体化超燃冲压发动机，提出实现爆震起爆的热射流实现技术方案；同时结合爆震的动态稳定燃烧需要，提出一种解决热射流控制功能的实现方案。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (5)

1.一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，包括进气道、燃烧室，其特征在于，所述发动机的进气道为一次直线压缩设计，即进气道为一条倾斜的直线型进气道；所述进气道的上游壁面上开设有燃料喷注孔，所述发动机的燃烧室后方布置有起爆装置，所述起爆装置包括热射流氧化剂管道以及携带有射流燃料的热射流装置，所述热射流氧化剂管道的入口设置在进气道的上游且其位置位于所有燃料喷注孔之上，热射流氧化剂管道的出口连接热射流装置，同热射流装置里面携带的燃料进行混合点火，实现热射流生成；所述燃烧室的壁面安装一组压力传感器，测量燃烧室的壁面压力，通过压力传感器感知燃烧室的壁面压力进而感知爆震波的传播状态，然后通过热射流装置的开启与关闭来调整爆震波在燃烧室中的状态，实现动态稳定传播。

2.根据权利要求1所述的基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，其特征在于，所述进气道的上游壁面上设置有呈等间距阵列分布的多个燃料喷注孔，所有燃料喷注孔均与燃料供给管路连接并为燃烧室提供工作所需的燃料。

3.根据权利要求2所述的基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，其特征在于，所述呈等间距阵列分布的多个燃料喷注孔中，位于上方的燃料喷注孔的孔径比位于其下方的燃料喷注孔的孔径大。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，其特征在于在整个燃烧室的长度方向等间距安装有多个压力传感器，等间距分布的压力传感器实时监测爆震波位置，根据爆震波的传播状态在燃烧室的相应位置设有波面临界位置以及动态驻定位置，在波面临界位置和动态驻定位置均设置有压力传感器。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于爆震燃烧的超燃冲压发动机，其特征在于，在燃烧室内设定波面临界位置，等间距分布的一组压力传感器实时检测燃烧室内爆震波波面位置，当位于波面临界位置的压力传感器检测到爆震波波面位置达到设定的波面临界位置，爆震波衰减存在熄爆的可能性，此时开启射流开关，通过射流喷注形成收缩通道促使爆震波前传，直至到达相对稳定的动态驻定位置；当位于动态驻定位置的压力传感器监测爆震波达到动态驻定位置时，关闭射流开关，从而整体上实现爆震波相对动态稳定传播。