CN107605600B - 一种预混喷注的旋转爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预混喷注的旋转爆震发动机装置，沿气流方向，预混集气腔位于最前端，其前端面和外壁面分别设置有氧化剂和燃料进气孔，氧化剂与燃料在预混集气腔内完成掺混；预混集气腔下游连接喷气装置，喷气装置内部有若干个沿周向和径向均匀分布的圆形喷气孔，孔与孔之间有周向和径向相互连通的冷却槽，冷却液从进液口流入，从出液口流出；喷气装置下游连接环形燃烧室，预混气通过喷气孔进入环形燃烧室进行燃烧。本发明通过一定轴向长度的带有冷却槽的喷气装置，能有效阻止环形燃烧室内火焰向预混集气腔内回传，实现预混喷注方式的旋转爆震发动机的稳定工作，相比非预混喷注方式，提高了发动机的工作稳定性和推进性能。

Description

一种预混喷注的旋转爆震发动机

技术领域

本发明属于航空航天动力技术领域，特别是一种预混喷注的旋转爆震发动机。

背景技术

传统的航空航天类发动机多采用爆燃燃烧产生推进动力，然而，随着科技的进步和社会的发展，对更高效的推进系统的需求也日益增强。与爆燃燃烧不同，爆震燃烧是一种爆炸现象，是由前导激波面压缩反应物以诱导化学反应，其火焰传播速度可达每秒几千米，具有能量释放速度快，熵增小，热循环效率高等优点。旋转爆震发动机是一种利用爆震原理工作的新概念发动机，这种发动机具有如下特点：利用爆震波达到自增压效果，省去了传统燃气涡轮发动机中的压气机、涡轮等增压装置，使其结构简单；工作频率高、推力稳定；只需要初始一次起爆即能实现爆震波的连续传播，对点火系统的要求不高；工作范围较宽，可见，旋转爆震发动机具有较大的潜在应用价值。

目前，大部分用于研究的旋转爆震发动机模型都是采用非预混喷注方式(氧化剂和燃料分开喷注，二者在燃烧室内边混合边燃烧)，大量的实验和数值模拟结果表明：对于非预混喷注方式，由于燃料在燃烧室内分布不均匀，导致旋转爆震发动机工作稳定性较差，并造成发动机部分推力性能损失。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种预混喷注的旋转爆震发动机，以解决现有的旋转爆震发动机采用非预混喷注方式存在的由于氧化剂与燃料掺混不均匀导致的发动机工作不稳定、推进性能低等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种预混喷注的旋转爆震发动机，包括预混集气腔、喷气装置、燃烧室；所述喷气装置固接在预混集气腔和燃烧室之间；

所述预混集气腔的一端圆周上设有多个第一进气孔，所述第一进气孔的轴向与预混集气腔的轴向一致；所述预混集气腔的内部设有第一环形空腔，所述第一进气孔与第一环形空腔相连通；所述预混集气腔的一端还设有一圈第二进气孔；所述第二进气孔与第一环形空腔相连通；

所述喷气装置的径向上设有n圈喷气孔，n≥2；每圈上均匀设有多个喷气孔；所述喷气孔一端与第一环形空腔相连通，另一端与燃烧室相连通。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明的预混喷注的旋转爆震发动机形成一一对应的多组进气方向相互垂直的氧化剂进气孔和燃料进气孔，有利于氧化剂与燃料的快速掺混。

(2)本发明的预混喷注的旋转爆震发动机在喷气装置内部设有冷却结构，确保了喷气装置在发动机工作过程中保持较低的温度。

(3)本发明的预混喷注的旋转爆震发动机在喷气装置内设有多个尺寸较小的喷气孔，可有效避免燃烧室内的火焰沿喷气孔向喷气装置燃烧，提高喷气孔的火焰抑制能力，从而实现基于预混喷注方式的旋转爆震发动机的连续稳定工作，提高了旋转爆震发动机的工作稳定性和推进性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的旋转爆震发动机总体结构的轴向半剖视图；

图2是为预混集气腔的主视图的半剖视图。

图3为预混集气腔的左视图。

图4为喷气装置的主视图的半剖视图。

图5为喷气装置的左视图的局部剖视图。

图6为燃烧室外壳的主视图的半剖视图。

图7为燃烧室外壳的左视图。

图8为燃烧室内壳的主视图的半剖视图。

图9为燃烧室内壳的左视图。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图9，本发明的一种预混喷注的旋转爆震发动机，包括预混集气腔1、喷气装置2、燃烧室；所述喷气装置2固接在预混集气腔1和燃烧室之间；

所述预混集气腔1为圆环结构，预混集气腔1的一端圆周上设有多个第一进气孔1-1，所述第一进气孔1-1的轴向与预混集气腔1的轴向一致，作为氧化剂的进气孔；所述预混集气腔1的内部设有第一环形空腔1-3，所述第一进气孔1-1与第一环形空腔1-3相连通；所述预混集气腔1的一端还设有一圈第二进气孔1-2，作为燃料的进气孔；所述第二进气孔1-2与第一环形空腔1-3相连通；第一环形空腔1-3作为燃料和氧化剂的混合腔；

结合图2-图3，优选的，所述第二进气孔1-2位于预混集气腔1的径向上，使得第一进气孔1-1和第二进气孔1-2的轴向垂直，氧化剂和燃料在喷注过程中由于对撞能达到较快、较均匀的混合效果，有利于氧化剂与燃料的快速掺混。

结合图4-图5，所述喷气装置2为圆环结构，喷气装置2的轴向上设有n圈喷气孔2-1，n≥2；每圈上均匀设有多个喷气孔2-1；所述喷气孔2-1一端与第一环形空腔1-3相连通，另一端与燃烧室相连通。

进一步的，上述多个喷气孔2-1的大小相同，直径范围为1mm—3mm，轴向长度范围为30mm—100mm；当发动机工作时，燃烧室内的爆震波沿喷气孔2-1向反向传播时，爆震波传播至喷气装置2中密集分布的喷气孔2-1中后，激波与火焰的耦合体发生解耦，最终火焰熄灭，火焰无法回传至预混集气腔1内，提高了发动机的工作稳定性和推进性能。

进一步的，结合图6-图9，所述燃烧室包括外壳3、内壳4，外壳3和内壳4均与喷气装置2固连；所述外壳3与内壳4之间形成第二环形空腔3-1，作为燃烧室；所述第二环形空腔3-1与喷气孔2-1相连通，且与外部环境连通；所述外壳上还设有安装孔3-2，安装孔3-2与第二环形空腔3-1相连通，安装孔3-2用于安装点火装置；

结合图4-图5，火焰从燃烧室向喷气孔2-1传播时，会使喷气装置2内的温度上升；优选的，喷气装置2内还设有冷却结构；所述喷气装置2内还设有n+1个环形冷却槽2-2，n圈喷气孔2-1间隔设置在n+1个冷却槽2-2之间；相邻的冷却槽2-2之间设有多个通道，将相邻的冷却槽2-2之间连通；所述喷气装置2的径向上外侧设有多个进液口2-3，进液口2-3与最外圈的冷却槽2-2相连通，用于冷却液的入口；所述喷气装置2的径向上内侧设有多个出液口2-4，出液口2-4与最内圈的冷却槽2-2相连通，用于冷却液的出口。流动的冷却液可有效降低喷气装置2的温度。

在一些实施方式中，所述喷气装置2还可以通过外部的风冷或水冷冷却装置进行冷却。

当发动机工作时，首先通过冷却液进液口2-3通入冷却液，待冷却槽2-2内充满流动的冷却液时，分别从第一进气孔1-1和第二进气孔1-2为发动机通入氧化剂和燃料，氧化剂和燃料首先在第一环形空腔1-3内进行预混合，混合气随后通过喷气孔2-1进入第二环形空腔3-1内，待通气稳定后，打开点火装置，燃烧室内的混合气在燃烧过程中产生高温高压的爆震波，燃烧室内的火焰沿喷气孔2-1向压力较低的反向传播时，火焰在有一定轴向长度的喷气孔2-1内逐渐熄灭，无法回传至预混集气腔1内。同时，火焰在向喷气孔2-1中回传的过程中会导致喷气装置2的温度上升，在喷气孔2-1周围布置的相互连通的冷却槽2-2中流动的冷却液的作用下，喷气装置2在发动机工作过程中能保持较低的温度，提高喷气孔2-1抑制火焰回传的能力。燃烧室内的混合气燃烧后产生的爆震产物从出口处排出，导致爆震波波后区域压力降低，当燃烧室内的压力低于预混集气腔1的压力时，预混集气腔1内混合气再次通过喷气孔2-1进入燃烧室内，新喷入的混合气再次燃烧，从而实现基于预混喷注方式的旋转爆震发动机的连续稳定工作，与现有的非预混喷注方式相比，本发明的预混喷注方式提高了旋转爆震发动机的工作稳定性和推进性能。

Claims (5)

1.一种预混喷注的旋转爆震发动机，其特征在于，包括预混集气腔(1)、喷气装置(2)、燃烧室；所述喷气装置(2)固接在预混集气腔(1)和燃烧室之间；

所述预混集气腔(1)的一端圆周上设有多个第一进气孔(1-1)，所述第一进气孔(1-1)的轴向与预混集气腔(1)的轴向一致；所述预混集气腔(1)的内部设有第一环形空腔(1-3)，所述第一进气孔(1-1)与第一环形空腔(1-3)相连通；所述预混集气腔(1)的一端还设有一圈第二进气孔(1-2)；所述第二进气孔(1-2)与第一环形空腔(1-3)相连通；

所述喷气装置(2)的轴向上设有n圈喷气孔(2-1)，n≥2；每圈上均匀设有多个喷气孔(2-1)；所述喷气孔(2-1)一端与第一环形空腔(1-3)相连通，另一端与燃烧室相连通；所述喷气装置(2)内还设有n+1个环形冷却槽(2-2)，n圈喷气孔(2-1)间隔设置在n+1个冷却槽(2-2)之间；相邻的冷却槽(2-2)之间设有多个通道，将相邻的冷却槽(2-2)之间连通；所述喷气装置(2)的径向上外侧设有多个进液口(2-3)，进液口(2-3)与最外圈的冷却槽(2-2)相连通；所述喷气装置(2)的径向上内侧设有多个出液口(2-4)，出液口(2-4)与最内圈的冷却槽(2-2)相连通。

2.如权利要求1所述的一种预混喷注的旋转爆震发动机，其特征在于，所述第二进气孔(1-2)位于预混集气腔(1)的径向上。

3.如权利要求1所述的一种预混喷注的旋转爆震发动机，其特征在于，所述喷气孔(2-1)的直径范围为1mm—3mm，轴向长度范围为30mm—100mm。

4.如权利要求1所述的一种预混喷注的旋转爆震发动机，其特征在于，所述燃烧室包括外壳(3)、内壳(4)；所述外壳(3)与内壳(4)之间形成第二环形空腔(3-1)；所述第二环形空腔(3-1)与喷气孔(2-1)相连通；所述外壳(3)上还设有安装孔(3-2)，安装孔(3-2)与第二环形空腔(3-1)相连通。

5.如权利要求1所述的一种预混喷注的旋转爆震发动机，其特征在于，所述喷气装置(2)外部还设有冷却装置。