CN109028146A - 混合燃烧器组件和操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于推进系统的混合燃烧系统以及操作方法。混合燃烧系统限定径向、周向以及与沿纵向延伸的推进系统所共有的纵向中心线。混合燃烧系统包括旋转爆震燃烧(RDC)系统，旋转爆震燃烧系统包括环形外壁和环形内壁，环形外壁和环形内壁与纵向中心线同心且共同限定RDC室和RDC入口，RDC系统包括位于RDC入口处由喷嘴壁限定的喷嘴。喷嘴入口配置成接收氧化剂流。喷嘴限定位于喷嘴入口与喷嘴出口之间的喉道，其中喷嘴限定会聚‑扩张型喷嘴。混合燃烧系统包括：内衬，内衬大体上沿纵向延伸；外衬，外衬沿纵向延伸并且沿径向设置在内衬的外部；舱壁，舱壁设置在内衬和外衬的上游端处，以及燃料歧管组件，燃料歧管组件至少部分延伸穿过舱壁。

Description

混合燃烧器组件和操作方法

技术领域

本发明主题大体上涉及一种用于推进系统中的连续爆震(continuousdetonation)系统。

背景技术

许多推进系统，例如燃气涡轮发动机均基于布雷顿循环(Brayton Cycle)，其中空气以绝热方式压缩、在恒定压力下加热、产生的热气在涡轮中膨胀，并且在恒定压力下排热。之后，可将超出驱动压缩系统所需之外的能量用于推进或其他功。所述推进系统大体上依赖于爆燃(deflagrative combustion)来燃烧燃料空气混合物并且产生在燃烧室内以相对低速和恒定压力行进的燃烧气体产物。尽管基于布雷顿循环的发动机已经通过稳定提高部件效率以及提高压力比和峰值温度而达到了较高的热力效率水平，但仍需进一步改进。

因此，现已致力于通过改变发动机结构以使得燃烧在连续或脉冲模式下以爆震形式发生来提高发动机效率。脉冲模式设计涉及一个或多个爆震管，而连续模式基于单个或多个爆震波在其中旋转的几何形状，通常为环状。对于这两种模式，高能点火会引爆燃料空气混合物，进而转变成爆震波(即紧密连通到反应区域的快速移动冲击波)。相对于反应物的声速，爆震波以大于声速的马赫数范围(例如4到8马赫)行进。燃烧产物以相对于爆震波的声速和显著升高的压力紧随爆震波行进。所述燃烧产物之后可以通过喷嘴排出以产生推力或使涡轮旋转。对于各种旋转爆震系统，防止回流到旋转爆震区上游的较低压力区域的任务已经通过向燃烧室内提供急剧压力降而得到了解决。但是，这可能会降低旋转爆震燃烧系统的效率优势。

所属领域中的普通技术人员已知，燃烧室几何形状是由预期爆震单元尺寸所限定的，所述预期爆震单元尺寸基于燃料氧化剂混合物以及此混合物的压力、温度和化学计量比。燃料氧化剂混合物、压力、温度和化学计量比(例如，在推进系统的各种操作条件下)的各种组合通常致使旋转爆震燃烧系统在多个操作条件下效率低下。

因此，需要一种推进系统和燃烧系统，所述推进系统和燃烧系统可受益于旋转爆震燃烧系统，同时在多个操作条件下维持多个压力和温度下的可操作性和效率。

发明内容

本发明的方面和优点将部分地在以下说明中阐明，或根据所述说明可显而易见，或可以通过实施本发明了解到。

本公开涉及用于推进系统的混合燃烧系统和操作方法。所述混合燃烧系统限定径向、周向以及与沿纵向延伸的推进系统所共有的纵向中心线。所述混合燃烧系统包括旋转爆震燃烧(RDC)系统，所述旋转爆震燃烧系统包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁和环形内壁各自大体上与所述纵向中心线同心并且共同限定RDC室和RDC入口，所述RDC系统进一步包括位于所述RDC入口处的、由喷嘴壁限定的喷嘴。所述喷嘴限定纵长方向，所述纵长方向沿所述纵长方向在喷嘴入口与喷嘴出口之间延伸，并且所述喷嘴入口配置成接收氧化剂流。所述喷嘴进一步限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的喉道，并且其中所述喷嘴限定会聚-扩张型喷嘴。所述混合燃烧系统进一步包括：内衬，所述内衬大体上沿所述纵向延伸；外衬，所述外衬大体上沿所述纵向延伸并且沿所述径向设置在所述内衬的外部；舱壁(bulkhead wall)，所述舱壁设置在所述内衬和外衬的上游端处，其中所述舱壁大体上沿所述径向延伸并且将所述内衬和外衬连接，并且其中所述内衬、外衬和舱壁共同限定主燃烧室，并且进一步其中所述RDC系统和所述舱壁共同限定RDC出口，所述RDC出口延伸穿过所述舱壁并且邻近所述主燃烧室；以及燃料歧管组件，所述燃料歧管组件至少部分延伸穿过所述舱壁，其中所述燃料歧管组件限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口设置成邻近所述主燃烧室。

在各种实施例中，所述燃料歧管组件进一步与所述RDC系统的所述喷嘴流体连通。所述RDC系统限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的燃料喷射口，所述燃料喷射口限定燃料出口，以用于向通过所述喷嘴入口接收的氧化剂流提供燃料。在一个实施例中，所述燃料歧管组件配置成向所述主燃烧室提供第一燃料流，并且向所述RDC系统的所述燃料喷射口提供第二燃料流。在另一个实施例中，所述燃料歧管组件配置成在第一操作条件下向所述主燃烧室提供所述第一燃料流，并且在与所述第一操作条件不同的第二操作条件下向所述燃料喷射口提供所述第二燃料流。

在所述混合燃烧系统的一个实施例中，所述内衬、外衬、所述舱壁和所述燃料歧管组件至少部分限定爆燃燃烧系统。

在另一个实施例中，所述RDC系统限定多个喷嘴，每个喷嘴沿周向以相邻布置方式设置。

在又一个实施例中，所述RDC系统限定围绕所述纵向中心线的大体环形喷嘴壁，所述喷嘴壁限定内部环形喷嘴壁和外部环形喷嘴壁。

在各种实施例中，所述主燃烧室进一步限定所述主燃烧室内的涡流捕获腔(trapped vortex cavity)。在一个实施例中，所述涡流捕获腔由所述外衬和所述内衬中的一者或多者限定，并且其中所述外衬和所述内衬中的一者或多者限定第一半径处的第一壁、与所述第一半径不同的第二半径处的第二壁，以及将所述第一壁和所述第二壁相连接、介于它们之间的过渡壁。在另一个实施例中，所述舱壁、所述外衬和所述内衬中的至少一者限定邻近所述主燃烧室的一个或多个二级气流开口。在又一个实施例中，所述二级气流开口中的至少一个二级气流开口邻近所述主燃烧室内的涡流捕获腔。

本公开进一步涉及一种操作推进系统燃烧部分的方法。所述燃烧部分限定：旋转爆震燃烧(RDC)系统，所述旋转爆震燃烧系统限定RDC室；并且进一步限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口邻近由内衬和外衬以及舱壁限定的主燃烧室。所述方法包括：提供第一燃料流，所述第一燃料流通过多个燃料歧管组件出口中的一个或多个燃料歧管组件出口进入所述主燃烧室中；提供通过所述燃烧部分的氧化剂流；点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第一燃烧气体流；通过所述RDC系统的燃料喷射口提供第二燃料流；在所述RDC室中混合所述第二燃料流和所述氧化剂；以及点燃所述RDC室中的所述第二燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第二燃烧气体流。

在所述方法的一个实施例中，点燃所述RDC室中的所述第二燃料流和氧化剂的混合物以产生第二燃烧气体流包括提供通过所述主燃烧室的第二燃烧气体流。

在所述方法的各种实施例中，提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括在第一操作条件下产生氧化剂流。在一个实施例中，点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物包括在所述第一操作条件下点燃所述主燃烧室中的所述燃料氧化剂混合物。

在所述方法的又一些各种实施例中，提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括在第二操作条件下产生氧化剂流。在一个实施例中，提供通过所述RDC系统的燃料喷射口的第二燃料流是在所述第二操作条件下发生的。在另一个实施例中，混合在所述RDC室中的所述第二燃料流和所述氧化剂是在所述第二操作条件下发生的。

在所述方法的一个实施例中，提供通过所述RDC系统的第二燃料流包括中断通过所述燃料歧管组件出口中的一个或多个燃料歧管组件出口的第一燃料流。

在另一个实施例中，提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括通过所述燃料歧管组件出口、所述舱壁、所述内衬和所述外衬中的一者或多者向所述主燃烧室提供第一氧化剂流，并且其中提供氧化剂流进一步包括通过所述RDC系统向所述主燃烧室提供第二氧化剂流。

技术方案1.一种用于推进系统的混合燃烧系统，所述混合燃烧系统限定径向、周向以及与沿纵向延伸的所述推进系统所共有的纵向中心线，所述混合燃烧系统包括：

旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁和所述环形内壁各自大体上与所述纵向中心线同心，并且共同限定旋转爆震燃烧室和旋转爆震燃烧入口，所述旋转爆震燃烧系统进一步包括位于所述旋转爆震燃烧入口处、由喷嘴壁限定的喷嘴，其中所述喷嘴限定纵长方向，所述纵长方向沿所述纵长方向在喷嘴入口与喷嘴出口之间延伸，所述喷嘴入口配置成接收氧化剂流，所述喷嘴进一步限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的喉道，并且其中所述喷嘴限定会聚-扩张型喷嘴；

内衬，所述内衬大体上沿所述纵向延伸；

外衬，所述外衬大体上沿所述纵向延伸并且沿所述径向设置在所述内衬的外部；

舱壁，所述舱壁设置在所述内衬和外衬的上游端处，其中所述舱壁大体上沿所述径向延伸并且将所述内衬和所述外衬连接，并且其中所述内衬、所述外衬和所述舱壁共同限定主燃烧室，并且进一步，其中所述旋转爆震燃烧系统和所述舱壁共同限定穿过所述舱壁并且邻近所述主燃烧室的旋转爆震燃烧出口；以及

燃料歧管组件，所述燃料歧管组件至少部分延伸穿过所述舱壁，其中所述燃料歧管组件限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口设置在邻近所述主燃烧室处。

技术方案2.根据技术方案1所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件进一步与所述旋转爆震燃烧系统的所述喷嘴流体连通，其中所述旋转爆震燃烧系统限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的燃料喷射口，所述燃料喷射口限定燃料出口，以用于将燃料提供给通过所述喷嘴入口接收的所述氧化剂流。

技术方案3.根据技术方案2所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件配置成向所述主燃烧室提供第一燃料流，并且向所述旋转爆震燃烧系统的所述燃料喷射口提供第二燃料流。

技术方案4.根据技术方案3所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件配置成在第一操作条件下向所述主燃烧室提供所述第一燃料流，并且在与所述第一操作条件不同的第二操作条件下向所述燃料喷射口提供所述第二燃料流。

技术方案5.根据技术方案1所述的燃烧部分，其中所述内衬、所述外衬、所述舱壁和所述燃料歧管组件至少部分限定爆燃燃烧系统。

技术方案6.根据技术方案1所述的燃烧部分，其中所述旋转爆震燃烧系统限定多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴沿所述周向以相邻布置方式设置。

技术方案7.根据技术方案1所述的燃烧部分，其中所述旋转爆震燃烧系统限定围绕所述纵向中心线的大体环形的所述喷嘴壁，所述喷嘴壁限定内部环形喷嘴壁和外部环形喷嘴壁。

技术方案8.根据技术方案1所述的燃烧部分，其中所述主燃烧室进一步限定所述主燃烧室内的涡流捕获腔。

技术方案9.根据技术方案8所述的燃烧部分，其中所述涡流捕获腔由所述外衬和所述内衬中的一者或多者限定，并且其中所述外衬和所述内衬中的一者或多者限定第一半径处的第一壁、与所述第一半径不同的第二半径处的第二壁、以及将所述第一壁和所述第二壁相连接并且介于它们之间的过渡壁。

技术方案10.根据技术方案8所述的燃烧部分，其中所述舱壁、所述外衬和所述内衬中的至少一者限定邻近所述主燃烧室的一个或多个二级气流开口。

技术方案11.根据技术方案10所述的燃烧部分，其中所述二级气流开口中的至少一个二级气流开口邻近所述主燃烧室内的所述涡流捕获腔。

技术方案12.一种操作用于推进系统的燃烧部分的方法，所述燃烧部分限定旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统限定旋转爆震燃烧室，并且其中所述燃烧部分进一步限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口邻近由内衬、外衬和舱壁限定的主燃烧室，所述方法包括：

提供第一燃料流，所述第一燃料流通过所述多个燃料歧管组件出口中的一个或多个燃料歧管组件出口进入所述主燃烧室中；

提供通过所述燃烧部分的氧化剂流；

点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第一燃烧气体流；

提供通过所述旋转爆震燃烧系统的燃料喷射口的第二燃料流；

混合所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和所述氧化剂；以及点燃所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和所述氧化剂的所述混合物以产生第二燃烧气体流。

技术方案13.根据技术方案12所述的方法，其中点燃所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和氧化剂的所述混合物以产生第二燃烧气体流包括提供通过所述主燃烧室的所述第二燃烧气体流。

技术方案14.根据技术方案12所述的方法，其中提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括在第一操作条件下产生氧化剂流。

技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其中点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物包括在所述第一操作条件下点燃所述主燃烧室中的所述燃料氧化剂混合物。

技术方案16.根据技术方案12所述的方法，其中提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括在第二操作条件下产生氧化剂流。

技术方案17.根据技术方案16所述的方法，其中提供通过所述旋转爆震燃烧系统的燃料喷射口的第二燃料流是在所述第二操作条件下发生的。

技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中在所述旋转爆震燃烧室中混合所述第二燃料流和所述氧化剂是在所述第二操作条件下发生的。

技术方案19.根据技术方案12所述的方法，提供通过所述旋转爆震燃烧系统的第二燃料流包括中断通过所述燃料歧管组件出口中的一个或多个燃料歧管组件出口的第一燃料流。

技术方案20.根据技术方案12所述的方法，其中提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括通过所述燃料歧管组件出口、所述舱壁、所述内衬和所述外衬中的一者或多者向所述主燃烧室提供第一氧化剂流，并且其中提供氧化剂流进一步包括通过所述旋转爆震燃烧系统向所述主燃烧室提供第二氧化剂流。

参考以下说明和所附权利要求书将更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，所述附图图示了本发明的各实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参考附图、针对所属领域一般技术人员完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，在附图中：

图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是根据本公开的示例性实施例的包括旋转爆震燃烧系统的混合燃烧系统的示例性实施例的截面图；

图3是根据本公开的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的前端的截面图；

图4是根据本公开的另一个示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的前端的截面图；

图5是根据本公开实施例的旋转爆震燃烧系统的燃烧室的示例性实施例；

图6是根据本公开的示例性实施例的包括旋转爆震燃烧系统的混合燃烧系统的另一个示例性实施例的截面图；以及

图7是流程图，其中包括操作包括旋转爆震燃烧系统的混合燃烧推进系统的方法的示例性实施例的步骤。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个示例如附图中所示。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同的部分。

本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且这些术语并不旨在表示个体部件的位置或重要性。

术语“前”和“后”是指推进系统或运载工具内的相对位置，并且是指推进系统或运载工具的正常操作状态(operational attitude)。例如，对于推进系统，“前”是指更靠近推进系统入口的位置，并且“后”是指更靠近推进系统喷嘴或排气的位置。

术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，以及“下游”是指流体流动的去向。

除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也包括复数意义。

本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言适用于修饰可以在允许范围内变动而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个术语例如“大约”、“近似”和“大体上”修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，所述近似语言可以与用于测量所述值的仪器的精度相对应，或者与用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度相对应。例如，所述近似语言可以指在10％的容限内。

在此处以及说明书及权利要求书的各处中，范围限制将相互组合并互换地使用；除非上下文或语言另作说明，否则此类范围是确定的并且包括其中包括的所有子范围。例如，本说明书中所公开的所有范围包括端点，并且所述端点可以彼此独立地组合。

大体上提供一种用于推进系统的混合燃烧系统，所述混合燃烧系统可以实现旋转爆震燃烧系统的效率，同时在推进系统的多个操作条件下维持多个压力和温度条件下的可操作性和效率。本说明书中提供的混合燃烧系统和操作方法可以在一个或多个操作条件下改善比燃料消耗和燃料燃烧，同时进一步维持瞬态或极端操作条件下的可操作性。例如，所述旋转爆震燃烧系统可以配置和优化成针对使所述混合燃烧系统和推进系统可以延长时间操作的稳态压力和温度条件，同时所述主燃烧室和燃料歧管组件配置成在大于和/或小于所述旋转爆震燃烧系统的延展操作条件(extended operating conditions)的瞬态条件下操作。例如，在一个实施例中，所述旋转爆震燃烧系统可以配置(例如，尺寸设定、优化等)成针对中间或中等功率条件，例如巡航，并且所述主燃烧室(例如，限定爆燃燃烧系统)配置成针对所有其他操作条件(例如低功率、高功率、关灯等)。

现在参考附图，图1示出了根据本公开的示例性实施例的推进系统102，所述推进系统包括混合燃烧系统100(“混合燃烧器100”)。推进系统102大体上包括入口部分104和出口部分106，其中所述混合燃烧器100定位在入口部分104的下游和排气部分106的上游。在各种实施例中，推进系统102限定燃气涡轮发动机、冲压式喷气发动机或其他推进系统，所述推进系统包括燃料氧化剂燃烧器，所述燃料氧化剂燃烧器产生提供推进推力或机械能输出的燃烧产物。在限定燃气涡轮发动机的推进系统102的实施例中，入口部分104包括限定一个或多个压缩机的压缩机部分，所述一个或多个压缩机产生送到所述混合燃烧器100的全部氧化剂流195。入口部分104可以大体上将氧化剂流195引向混合燃烧器100。入口部分104可以在氧化剂195进入混合燃烧器100之前进一步压缩所述氧化剂。限定压缩机部分的入口部分104可以包括旋转式压缩机翼型件的一个或多个交替级。在其他实施例中，入口部分104可以大体上限定从上游端到靠近所述混合燃烧器100的下游端的缩小的截面面积。

如下文中进一步详细讨论，全部氧化剂流195的至少一部分与燃料163(如图2中所示)混合以产生燃烧产物138。燃烧产物138向下游流动到排气部分106。在各种实施例中，排气部分106可以大体上限定从靠近所述混合燃烧器100的上游端到推进系统102的下游端的增大的截面面积。燃烧产物138的膨胀通常为推进系统102所附接到的设备提供推力，或者为进一步连接到风扇部分、发电机或者这两者的一个或多个涡轮提供机械能。因此，排气部分106可以进一步限定燃气涡轮发动机的涡轮部分，所述涡轮部分包括旋转涡轮翼型件的一个或多个交替排或级。燃烧产物138可以通过例如排气喷嘴135从排气部分106流出，以产生用于推进系统102的推力。

应认识到，在限定燃气涡轮发动机的推进系统102的各种实施例中，排气部分106内由燃烧产物138产生的一个或多个涡轮的旋转通过一个或多个轴(shaft)或转轴(spool)110传递以驱动入口部分104内的一个或多个压缩机。在各种实施例中，入口部分104可以进一步限定风扇部分，例如涡轮风扇发动机构造的风扇部分，例如以便推动空气穿过混合燃烧器100和排气部分106外部的旁通流动通路。

应认识到，图1中示意性地示出的推进系统102仅以示例方式提供。在某些示例性实施例中，推进系统102可以包括位于入口部分104内的任何适当数量的压缩机、位于排气部分106内的任何适当数量的涡轮，并且进一步可以包括适用于将一个或多个压缩机、一个或多个涡轮和/或风扇以机械方式连接的任何数量的轴或转轴110。类似地，在其他示例性实施例中，推进系统102可以包括任何适当的风扇部分，其中所述风扇部分的风扇由排气部分106以任何适当方式驱动。例如，在某些实施例中，风扇可以直接连接到排气部分106内的涡轮，或者替代地，可以由排气部分106内跨减速箱(reduction gearbox)的涡轮驱动。此外，所述风扇可以是可变节距风扇、固定节距风扇、导管风扇(ducted fan)(即，推进系统102可以包括围绕风扇部分的外机舱)、无导管风扇(un-ducted fan)，或者可以具有任何其他适当构造。

此外，还应认识到，混合燃烧器100可以进一步整合到任何其他适当的航空推进系统中，例如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、冲压式喷气发动机、超音速冲压式喷气发动机等。此外，在某些实施例中，混合燃烧器100可以整合到非航空推进系统中，例如陆用或海上发电系统。再进一步地，在某些实施例中，所述混合燃烧器100可以整合到任何其他适当的推进系统中，例如火箭或导弹发动机。对于后者的一个或多个实施例，推进系统可以不包括位于入口部分104中的压缩机或者位于排气部分106中的涡轮。

现在参考图2，其中大体上提供了混合燃烧器100的示例性实施例。混合燃烧器100限定设置成穿过舱壁210的旋转爆震燃烧系统200(“RDC系统200”)。舱壁210限定穿过舱壁210的RDC出口203。舱壁210设置在内衬220和外衬230的上游端处，所述内衬和外衬各自大体上沿所述纵向L从舱壁210延伸。外衬230沿径向R设置在内衬220的外部。舱壁210、内衬220和外衬230共同限定主燃烧室240。主燃烧室240大体上限定围绕纵向中心线116设置的环形燃烧器。燃料歧管组件205至少部分延伸穿过舱壁230。燃料歧管组件出口207限定成在邻近主燃烧室240处穿过所述舱壁210并且与所述主燃烧室流体连通。

混合燃烧器100大体上限定爆燃燃烧系统和旋转爆震燃烧系统。例如，外衬230、内衬220和舱壁210以及燃料歧管组件205共同地至少部分限定爆燃燃烧系统。至少部分包括燃料歧管组件205的RDC系统200限定旋转爆震燃烧系统。因此，所述爆燃燃烧系统可以在第一操作条件下提供高效操作(例如，排放、燃料燃烧、可操作性等)，并且所述旋转爆震燃烧系统可以在第二条件下提供推进系统102的进一步改进的操作。

在各种实施例中，所述燃料歧管组件205包括直接连通到RDC系统200的一个或多个歧管或有壁导管204，从而向RDC系统200提供第二燃料流165，所述第二燃料流的控制独立于送到燃料喷嘴206的第一燃料流164，其中所述燃料喷嘴使燃料流动到主燃烧室240。例如，所述燃料歧管组件205可以配置成在第一操作条件下向所述主燃烧室240提供所述第一燃料流164，并且在与所述第一操作条件不同的第二操作条件下向所述RDC系统200提供所述第二燃料流165。

在其他实施例中，所述燃料歧管组件205包括多个燃料喷嘴206，所述多个燃料喷嘴沿径向延伸穿过推进系统102中大体上围绕RDC系统200的外壳19(例如，扩散器壳体)。多个燃料喷嘴206可以配置成向主燃烧室240提供第一燃料流164，并且向RDC系统200提供第二燃料流165。例如，燃料喷嘴206可以各自包括在第一操作条件下提供第一燃料流164并且在第二操作条件下提供第二燃料流165的流量调节结构(例如，阀组件)。

现在参考图3，其中大体上提供了RDC系统200的示例性实施例。所述RDC系统200包括环形外壁118和环形内壁120，所述环形外壁和环形内壁各自大体上与纵向中心线116同心。所述外壁118和内壁120共同限定旋转爆震燃烧室122(“RDC室122”)和RDC入口124。RDC系统200进一步包括由喷嘴壁150限定的喷嘴组件128。喷嘴组件128限定在喷嘴入口144与喷嘴出口146之间延伸的纵长方向。喷嘴流动通路148由介于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间的喷嘴壁150限定。喷嘴入口144配置成从入口部分104接收氧化剂流195。喷嘴组件128进一步限定介于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间的喉道152。喷嘴组件128限定会聚-扩张型喷嘴，其中喷嘴壁150的截面积大体上从大约喷嘴入口144处到大约喉道152处缩小，并且其中喷嘴壁150的截面积大体上从大约喉道152处到大约喷嘴出口146处增大。

所述喷嘴组件128进一步限定穿过喷嘴壁150的燃料喷射口162，其中所述燃料喷射口配置成向流动通过喷嘴流动通路148的氧化剂195提供燃料流163。在各种实施例中，燃料喷射口162与燃料歧管组件205流体连通。在一个实施例中，所述燃料歧管组件205配置成将燃料流163分开或分流成提供给所述主燃烧室240的第一燃料流164，以及提供给所述RDC系统200的喷嘴组件128的第二燃料流165。

简要参考图3到图4，并且结合图1到图2，其中以朝上游方向的视角大体上提供了混合燃烧器100的下游端的示例性实施例的截面图。每个实施例包括围绕纵向中心线116沿周向C以相邻布置方式设置的多个燃料歧管组件205。在所提供的实施例中，所述RDC系统200沿所述燃料歧管组件205的径向R限定在内部。但是应理解，在其他实施例中，RDC系统200可以沿径向R限定在燃料歧管组件205的外部。所述RDC系统200包括外壁118和内壁120，所述外壁和内壁共同限定沿径向R介于它们之间的RDC室122。

参考图3，在一个实施例中，混合燃烧器100将RDC系统200的喷嘴组件128限定成大体上与纵向中心线116同心的环形喷嘴组件128。喷嘴组件128将喷嘴壁150限定成内部环形喷嘴壁151和外部环形喷嘴壁154，所述内部环形喷嘴壁和外部环形喷嘴壁限定沿径向R介于它们之间的喉道152。多个燃料喷射口162(图4中未示出)各自以周向布置而设置在环形喷嘴组件128内，从而向喷嘴流动通路148提供燃料165并且将其与氧化剂196(如图2中所示)混合。

参考图4，在另一个实施例中，混合燃烧器100限定RDC系统200的多个喷嘴组件128，其中每个喷嘴组件128围绕纵向中心线116沿周向C以相邻布置方式设置。所述喷嘴组件128限定多个喷嘴壁150，其中每个喷嘴壁150与沿纵向L延伸通过喷嘴流动通路148的喷嘴中心线153同心。换言之，每个喷嘴中心线153围绕纵向中心线116以周向布置方式设置。喷嘴中心线153延伸穿过每个喷嘴组件128的喉道152。燃料流165(如图2所示)通过每个喷嘴组件128的每个燃料喷射口162(如图2所示)进入并且与流动通过每个喷嘴组件128的氧化剂196混合。

尽管本说明书中未示出，但应理解，RDC系统200可以围绕纵向中心线116以环形周向布置的方式来布置。在一个实施例中，RDC系统200可以进一步以径向布置的方式来布置(即，从纵向中心线116起占据多个半径的周向阵列)。在又一个实施例中，多个喷嘴组件或者更确切地说喷嘴组件128的喉道152可以从纵向中心线116以相邻径向布置方式设置。

现在参考图1到图2，在推进系统102的操作期间，从入口部分104产生氧化剂流195。在一个实施例中，所述氧化剂流195通过从发射载具(例如，限定冲压式喷气发动机或超音速冲压式喷气发动机的推进系统102)接收氧化剂(例如空气)来产生。在其他实施例中，入口部分104可以从含有氧化剂(例如，空气或氧气等)的一个或多个加压容器提供氧化剂195。在推进系统102限定燃气涡轮发动机的另一个实施例中，入口部分104包括一个或多个压缩机、风扇部分或者这两者，以用于产生送到所述混合燃烧器100的氧化剂流195。

在推进系统102的第一操作条件期间，用箭头196示意性地图示的氧化剂流195或其一部分穿过燃料歧管组件205流向并且进入主燃烧室240中。所述氧化剂196与从燃料歧管组件205排出到燃烧室240中的第一燃料流164混合。在各种实施例中，燃料歧管组件205限定预混合燃料喷嘴组件，其中氧化剂196的至少一部分与燃料歧管组件205内的燃料164的至少一部分混合。在又一些各种实施例中，所述燃料歧管组件205可以限定双环形燃料喷嘴，其中第一燃料流164可以进一步再分成多个燃料流，其中所述燃料流的至少一部分与氧化剂196的至少一部分混合、排放到主燃烧室240中并且点燃以产生燃烧气体137。

在推进系统102的与第一操作条件不同的第二操作条件期间，用箭头197示意性地图示的氧化剂流195或其一部分通过喷嘴入口144流入RDC系统200中。来自燃料歧管组件205的第二燃料流165在大约喉道152处排出到喷嘴流动通路148中。第二燃料流165在喷嘴组件128内以及RDC室122内与氧化剂197混合并且点燃以产生爆震波130。

更确切地说，并且简要参考提供RDC系统200的RDC室122(没有喷嘴组件128)的透视图的图5，应认识到，RDC系统200在操作期间产生爆震波130。爆震波130沿RDC系统200的周向C行进，进而消耗输入的燃料/氧化剂混合物132并且在燃烧的膨胀区域136内提供高压区域134。燃烧的燃料/氧化剂混合物138(即燃烧产物)离开燃烧室122并且排出。

参考图1到图5，应认识到，RDC系统200是爆震型燃烧器，从连续爆震波130中获取能量，这与大体上限定爆燃燃烧的主燃烧室240的情形相反，该情形为在所述主燃烧室内，第一燃料流164和氧化剂196的混合物点燃和燃烧，其中燃烧气体137限定主燃烧室240内大体上恒定的压力。对于爆震燃烧器，例如RDC系统200，燃料/氧化剂混合物132的燃烧与例如主燃烧室240内使用第一燃料流164和氧化剂196的混合物大体上提供的燃烧相比实际上是爆震。

因此，爆燃(deflagration)与爆震之间的主要区别与火焰传播机制相关。在爆燃中，火焰传播是从反应区域到新鲜混合物的热传递的函数，所述热传递通常通过传导实现。相反，对于爆震燃烧器，所述爆震是由冲击引发的火焰，进而致使反应区域与冲击波连通。冲击波将压缩并加热新鲜混合物132，使所述混合物132温度上升到自燃点以上。另一方面，由燃烧释放的能量将促使爆震冲击波130的传播。此外，对于连续爆震，爆震波130以连续方式围绕燃烧室122传播，从而以相对较高频率操作。另外，爆震波130可以使RDC室122内的平均压力高于限定爆燃燃烧系统的主燃烧室240内的平均压力。

因此，爆震波130之后的区域134限定相对于RDC室122上游区域的非常高的压力。因此，RDC系统200的喷嘴组件128配置成阻止爆震波130之后的区域134内的高压沿上游方向流动，即进入输入的燃料/氧化剂混合物流132中。

现在参考图1到图5，在各种实施例中，推进系统102的第二操作条件限定介于混合燃烧器100处的最低压力和温度操作条件(例如，地面空转(ground idle))与最高压力和温度操作条件(例如，最大起飞)之间的中间或中等功率条件(例如，巡航)。例如，参考为飞行器提供推力的推进系统102的实施例的着陆和起飞循环，在起飞和爬升之后而进场(approach)和着陆之前的海拔高度上平稳飞行期间，例如巡航期间，第二操作条件限定在混合燃烧器100处的一个或多个压力和温度条件。所述第一操作条件可以指除第二操作条件之外的一个或多个操作条件，例如但不限于点火或起动、地面空转、起飞、爬升、飞行空转(flight idle)、进场、着陆、反向推力等。但是应理解，第一操作条件可以大体上指除其他情形中处于中间或中等功率条件下的第二操作条件之外的一个或多个操作条件，所述其他情形例如但不限于工业或船用燃气涡轮发动机、火箭、导弹、辅助动力装置、涡轮轴飞行器或涡轮螺旋桨飞行器。

在又一些各种实施例中，燃料歧管组件205配置成在第二操作条件下将第二燃料流165提供给RDC系统200。所述第二操作条件可以进一步限定混合燃烧器100处的大体稳态压力和温度条件，其中针对所述条件，RDC系统200配置成相对于RDC室122的环形宽度或间隙、燃烧长度或者这两者产生预期或最佳爆震单元尺寸、爆震单元数量或者这两者。在一个实施例中，燃料歧管组件205进一步配置成中断或以其他方式阻止第一燃料流164进入主燃烧室240。在另一个实施例中，混合燃烧器100配置成将第一燃料流164提供给主燃烧室240以用于爆燃燃烧，从而产生燃烧气体137，同时进一步将第二燃料流165提供给RDC系统200以用于爆震燃烧，从而产生燃烧的燃料/氧化剂混合物138。

在推进系统102在第一操作条件下操作期间，燃料歧管组件205可以进一步配置成中断或以其他方式阻止第二燃料流165进入RDC系统200进行爆震燃烧。氧化剂197因此可以流动通过喷嘴组件128而不与第二燃料流165混合，并且进一步通过RDC室122排出到主燃烧室240中。

现在参考图6，其中大体上提供了混合燃烧器100的另一个示例性实施例。图6中提供的混合燃烧器100可以配置成与图1到图5中大体上提供的示例性实施例大体上类似。但是，在图6中，混合燃烧器100配置成具有RDC系统200的涡流捕获燃烧器。所述涡流捕获燃烧器限定位于主燃烧室240内的涡流捕获腔305，所述主燃烧室240由舱壁210、外衬230和内衬220限定。更确切地说，所述外衬230限定第一半径235处的第一壁231、第二半径236处的第二壁232以及将所述外衬230的第一壁231和第二壁232相连接的、介于它们之间的过渡壁233。

在各种实施例中，外衬230和舱壁210中的一者或多者限定邻近主燃烧室240的二级气流开口234。二级气流开口234可以限定成在邻近主燃烧室240的涡流捕获腔305处穿过外衬230的第一壁231、第二壁232和过渡壁233中的一者或多者。

在混合燃烧器100的操作期间，用箭头196示意性地图示的氧化剂流195的一部分流动通过穿过舱壁210和外衬230中的一者或多者的一个二级气流开口234。氧化剂196流动通过二级气流开口234以至少部分在主燃烧室240内，或者更确切地说，在主燃烧室240的涡流捕获腔305内引发旋涡。用箭头197示意性地图示的氧化剂流195的所述部分可以在推进系统102的第一操作条件期间流动通过RDC系统200，而不与燃料混合。氧化剂197从RDC室122流入主燃烧室240中，并且可以进一步在涡流捕获腔305内引发旋涡。因此，当第二燃料流165在第一操作条件期间不流动时，RDC系统200限定送到主燃烧室240的氧化剂斜槽(chute)流197。

第一燃料流164进入主燃烧室240中，或者更确切地说，进入涡流捕获腔305中，并且与通过二级气流开口234进入的氧化剂196混合。涡流捕获腔305内的燃料164和氧化剂196混合物用箭头307示意性地图示。燃料氧化剂混合物307大体上限定涡流捕获腔305内的再循环流，所述涡流捕获腔限定在舱壁210与外衬230之间，例如第一壁231与过渡壁233之间。RDC系统200大体上提供斜槽，其中氧化剂197通过所述斜槽流入主燃烧室240中，并且将来自燃料氧化剂混合物307的燃烧气体输送到排气部分106。

在一个实施例中，第二燃料流165在第一操作条件下流入喷嘴组件128中，并且与喷嘴流动通路148和RDC室122内的氧化剂197混合。但是，所述燃料氧化剂混合物130可以进一步以未点燃的状态流动到主燃烧室240，在该点处，来自RDC系统200的燃料氧化剂混合物130与涡流捕获腔305的燃料氧化剂混合物307混合，然后在主燃烧室240内点燃并且混合。

现在参考图7，其中大体上提供了一种用于操作包括旋转爆震燃烧系统的混合燃烧推进系统的方法(以下称“方法700”)。方法700可以利用旋转爆震燃烧系统(“RDC系统”)的益处，例如改进比燃料消耗、改善燃料燃烧和减少排放，同时克服在RDC室的设计点之外的操作条件(例如，RDC系统处的压力、温度)下利用RDC系统的效率低下的问题(即，除RDC室的大小适于产生预期或最佳爆震单元尺寸或数量之外的条件)。方法700可以利用推进系统和RDC系统，例如相对于图1到图6所图示和描述的推进系统和RDC系统来实施。图7示出了出于说明和讨论目的以特定顺序执行的步骤。使用本说明书中提供的公开内容，所属领域中的普通技术人员将了解，在不脱离本公开范围的情况下，可以以各种方式对本说明书中所公开的任何方法的各种步骤进行修改、变更、扩展、重新排列和/或省略。

混合燃烧推进系统大体上包括相对于图1到图6所图示和描述的混合燃烧器100及其变型。所述方法700包括：在710中，提供第一燃料流，所述第一燃料流通过一个或多个燃料歧管组件出口进入所述主燃烧室中；在720中，提供通过所述燃烧部分的氧化剂流；在730中，点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第一燃烧气体流；在740中，提供第二燃料流，所述第二燃料流通过所述RDC系统的燃料喷射口；在750中，在所述RDC室中混合所述第二燃料流和所述氧化剂；以及在760中，点燃所述RDC室中的所述第二燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第二燃烧气体流。

在各种实施例中，在710处提供通过燃料歧管组件出口进入主燃烧室中的第一燃料流包括提供通过燃料歧管组件205进入主燃烧室240中的第一燃料流164，例如相对于图1到图6所图示和描述。

在一个实施例中，在720处提供通过主燃烧室(例如，主燃烧室240)的氧化剂流包括在推进系统的第一操作条件下产生氧化剂流，例如相对于图1到图6所图示和描述的氧化剂流195。在一个实施例中，在730处点燃所述主燃烧室(例如，主燃烧室240)中的所述第一燃料流(例如，燃料164)和所述氧化剂(例如，氧化剂196)的混合物包括在所述第一操作条件下点燃所述主燃烧室中的所述燃料氧化剂混合物，例如本说明书中的上文所述。

在另一个实施例中，在720处提供通过燃烧部分的氧化剂流包括在第二操作条件下产生氧化剂流，例如相对于图1到图6所图示和描述。在一个实施例中，在740处提供通过燃料喷射口(例如，燃料喷射口162)的第二燃料流(例如，燃料165)发生在第二操作条件下，例如本说明书中的上文所述。再进一步地，在各种实施例中，在750混合第二燃料流(例如燃料165)和氧化剂(例如氧化剂197)发生在与第一操作条件不同的第二操作条件下。

在又一个实施例中，提供通过RDC系统的第二燃料流(例如燃料165)包括中断通过一个或多个燃料歧管组件出口(例如，燃料歧管组件205)的第一燃料流(例如，燃料164)。但是在其他实施例中，将第二燃料流165提供给RDC系统200可以至少部分与将第一燃料流164提供给主燃烧室240同时发生。

在又一个实施例中，将第二燃料流提供给RDC系统可以包括将燃料165与氧化剂197混合，并且将燃料氧化剂混合物提供给主燃烧室240，并且点燃主燃烧室240中的燃料氧化剂混合物。

在方法700的一个实施例中，在720处提供通过燃烧部分的氧化剂流包括通过燃料歧管组件205、舱壁210、内衬220和外衬230中的一者或多者将第一氧化剂流(例如，氧化剂196)提供给主燃烧室240。提供通过燃烧部分的氧化剂流可以进一步包括通过RDC系统200将第二氧化剂流(例如，氧化剂197)提供给主燃烧室240。例如，提供第二氧化剂流197可以提供氧化剂流以至少部分限定涡流捕获燃烧器。

本说明书中大体上提供的混合燃烧器100和推进系统102可以提供RDC系统200的效率，同时在推进系统102的多个操作条件下维持可操作性和效率。本说明书中大体上提供的混合燃烧器100以及操作方法700可以在一个或多个操作条件下改善比燃料消耗和燃料燃烧，同时进一步维持瞬态或极端操作条件下的可操作性。例如，所述RDC系统200可以配置和优化成针对使所述混合燃烧器100和推进系统102可以延长时间操作的稳态压力和温度条件，同时所述主燃烧室240和燃料歧管组件205配置成在大于和/或小于所述RDC系统200的延展操作条件的瞬态条件下操作。

本说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他示例。如果此类其他示例所包含的结构构件与权利要求书的书面语言无不同，或者如果其包含与权利要求书的书面语言无实质不同的等效结构构件，则此类其他示例应被确定为在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于推进系统的混合燃烧系统，所述混合燃烧系统限定径向、周向以及与沿纵向延伸的所述推进系统所共有的纵向中心线，所述混合燃烧系统包括：

旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁和所述环形内壁各自大体上与所述纵向中心线同心，并且共同限定旋转爆震燃烧室和旋转爆震燃烧入口，所述旋转爆震燃烧系统进一步包括位于所述旋转爆震燃烧入口处、由喷嘴壁限定的喷嘴，其中所述喷嘴限定纵长方向，所述纵长方向沿所述纵长方向在喷嘴入口与喷嘴出口之间延伸，所述喷嘴入口配置成接收氧化剂流，所述喷嘴进一步限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的喉道，并且其中所述喷嘴限定会聚-扩张型喷嘴；

内衬，所述内衬大体上沿所述纵向延伸；

外衬，所述外衬大体上沿所述纵向延伸并且沿所述径向设置在所述内衬的外部；

舱壁，所述舱壁设置在所述内衬和外衬的上游端处，其中所述舱壁大体上沿所述径向延伸并且将所述内衬和所述外衬连接，并且其中所述内衬、所述外衬和所述舱壁共同限定主燃烧室，并且进一步，其中所述旋转爆震燃烧系统和所述舱壁共同限定穿过所述舱壁并且邻近所述主燃烧室的旋转爆震燃烧出口；以及

燃料歧管组件，所述燃料歧管组件至少部分延伸穿过所述舱壁，其中所述燃料歧管组件限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口设置在邻近所述主燃烧室处。

2.根据权利要求1所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件进一步与所述旋转爆震燃烧系统的所述喷嘴流体连通，其中所述旋转爆震燃烧系统限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的燃料喷射口，所述燃料喷射口限定燃料出口，以用于将燃料提供给通过所述喷嘴入口接收的所述氧化剂流。

3.根据权利要求2所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件配置成向所述主燃烧室提供第一燃料流，并且向所述旋转爆震燃烧系统的所述燃料喷射口提供第二燃料流。

4.根据权利要求3所述的燃烧部分，其中所述燃料歧管组件配置成在第一操作条件下向所述主燃烧室提供所述第一燃料流，并且在与所述第一操作条件不同的第二操作条件下向所述燃料喷射口提供所述第二燃料流。

5.根据权利要求1所述的燃烧部分，其中所述内衬、所述外衬、所述舱壁和所述燃料歧管组件至少部分限定爆燃燃烧系统。

6.根据权利要求1所述的燃烧部分，其中所述旋转爆震燃烧系统限定多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴沿所述周向以相邻布置方式设置。

7.一种操作用于推进系统的燃烧部分的方法，所述燃烧部分限定旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统限定旋转爆震燃烧室，并且其中所述燃烧部分进一步限定燃料歧管组件出口，所述燃料歧管组件出口邻近由内衬、外衬和舱壁限定的主燃烧室，所述方法包括：

提供第一燃料流，所述第一燃料流通过所述多个燃料歧管组件出口中的一个或多个燃料歧管组件出口进入所述主燃烧室中；

提供通过所述燃烧部分的氧化剂流；

点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物以产生第一燃烧气体流；

提供通过所述旋转爆震燃烧系统的燃料喷射口的第二燃料流；

混合所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和所述氧化剂；以及

点燃所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和所述氧化剂的所述混合物以产生第二燃烧气体流。

8.根据权利要求7所述的方法，其中点燃所述旋转爆震燃烧室中的所述第二燃料流和氧化剂的所述混合物以产生第二燃烧气体流包括提供通过所述主燃烧室的所述第二燃烧气体流。

9.根据权利要求7所述的方法，其中提供通过所述燃烧部分的氧化剂流包括在第一操作条件下产生氧化剂流。

10.根据权利要求9所述的方法，其中点燃所述主燃烧室中的所述第一燃料流和所述氧化剂的混合物包括在所述第一操作条件下点燃所述主燃烧室中的所述燃料氧化剂混合物。