CN109028148A - 具有流体二极管结构的旋转爆震燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于推进系统的旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统限定径向、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，旋转爆震燃烧系统包括：外壁和内壁，共同地至少部分限定燃烧室和燃烧室入口；喷嘴，位于燃烧室入口处并且由喷嘴壁限定，喷嘴限定纵长方向并且沿所述纵长方向在喷嘴入口与喷嘴出口之间延伸，喷嘴入口配置成接收氧化剂流，喷嘴进一步限定位于所述喷嘴入口与喷嘴出口之间的喉道，并且其中喷嘴限定会聚‑扩张型喷嘴，并且喷嘴壁的扩张部分限定流体二极管；以及燃料喷射口，燃料喷射口限定位于喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的燃料出口，以用于向通过喷嘴入口接收的氧化剂流提供燃料。

Description

具有流体二极管结构的旋转爆震燃烧器

技术领域

本发明主题涉及一种用于推进系统中的连续爆震(continuous detonation)系统。

背景技术

许多推进系统，例如燃气涡轮发动机都是基于布雷顿循环(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的能量用于推进或其他工作。所述推进系统大体上依赖于爆燃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架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，而连续模式基于容纳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的快速移动的冲击波)。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。随后，燃烧产物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。因此，能够解决这些问题而不对燃烧室内提供急剧压降的旋转爆震燃烧系统将是有用的。此外，需要提供低压降操作的旋转爆震燃烧系统。

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，或者根据所述说明可显而易见，或者可以通过实施本发明而获得。

本公开涉及一种用于推进系统的旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统限定径向、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。所述旋转爆震燃烧系统包括：外壁和内壁，所述外壁和内壁共同地至少部分限定燃烧室和燃烧室入口；喷嘴，所述喷嘴位于所述燃烧室入口处并且由喷嘴壁限定，所述喷嘴限定纵长方向(lengthwisedirection)并且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喷嘴出口之间的喉道(throat)，其中所述喷嘴限定会聚-扩张型喷嘴(converging-diverging nozzle)，并且所述喷嘴壁的扩张部分(diverging section)限定流体二极管(fluid diode)；以及燃料喷射口，所述燃料喷射口限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的燃料出口，以用于向通过所述喷嘴入口接收的氧化剂流提供燃料。

在各种实施例中，流体二极管限定波形，所述波形配置成抑制由燃料氧化剂混合物的爆震而引发的压力波向上游传播。在一个实施例中，所述波形是锯齿波形、矩形波形、三角波形、正弦波形或其组合。在各种实施例中，所述波形是锯齿波形、三角波形或其组合，并且其中所述波形限定波形角，并且其中所述波形角相对于所述纵向中心线在约0度与约90度之间延伸。在又一个实施例中，所述波形角相对于所述纵向中心线在约45度与约90度之间延伸。

在一个实施例中，所述流体二极管限定蜂窝式图案。

在另一个实施例中，所述流体二极管沿所述纵向沿所述外壁和所述内壁中的至少一者不对称。

在各种实施例中，所述喷嘴的所述外壁和所述内壁中的至少一者的会聚部分限定流体二极管。在一个实施例中，所述波形是锯齿波形、三角波形或其组合，并且其中所述波形限定波形角，并且其中所述波形角相对于所述纵向中心线在约0度与约90度之间延伸。

在另一个实施例中，所述喷嘴的扩张部分限定在所述喷嘴的所述喉道与所述喷嘴出口之间位于所述外壁和所述内壁上，并且其中所述外壁和所述内壁中的一者或多者限定所述流体二极管。

在一个实施例中，会聚部分限定在所述喷嘴的所述喷嘴入口与所述喉道之间位于所述喷嘴壁上，并且其中所述流体二极管限定在所述喷嘴壁的所述会聚部分上。

在各种实施例中，所述喷嘴配置成沿所述周向以阵列形式布置的多个喷嘴中的一个喷嘴。在一个实施例中，所述多个喷嘴包括沿径向以相邻布置设置的多个喷嘴阵列，其中每个阵列配置成所述推进系统的至少一个操作状态。

在另一个实施例中，所述外壁和内壁是环形的并且各自大体上与所述纵向中心线同心，并且其中所述外壁和所述内壁共同地将所述喷嘴壁限定成与所述纵向中心线同心的环形结构。在又一个实施例中，所述流体二极管沿所述周向沿所述外壁和所述内壁中的至少一者不对称。

在又一些各种实施例中，所述旋转爆震燃烧系统进一步包括环形中间壁，所述环形中间壁沿所述径向设置在所述外壁与所述内壁之间并且大体上与所述纵向中心线同心，其中所述外壁、所述中间壁和所述内壁共同限定大体上与所述纵向中心线同心的多个环形喷嘴，其中每个喷嘴限定位于所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的所述喉道。在一个实施例中，所述环形中间壁至少部分限定所述喷嘴的扩张部分，其中所述扩张部分限定流体二极管。在另一个实施例中，所述多个环形喷嘴沿所述径向以相邻布置设置并且大体上与所述纵向中心线同心。

在一个实施例中，所述喷嘴限定喷嘴长度，其中所述燃料喷射口的所述燃料出口定位在所述喷嘴的所述喉道处或者沿所述纵长方向从所述喷嘴的所述喉道起的缓冲距离内，其中所述缓冲距离是所述喷嘴长度的百分之十。在另一个实施例中，所述流体二极管至少限定在所述缓冲距离的下游。

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和其他特征、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实施例，并与本说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参考附图、针对所属领域中的普通技术人员以完整且可实现的方式公开本发明，包括本发明的最佳模式，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旋转爆震燃烧系统的侧视截面图；

图3是图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的燃烧室的透视图；

图4是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图5是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图6是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图7是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图8是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图9是根据本公开的示例性实施例的图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图10是图2所示的示例性旋转爆震燃烧系统的特写侧视截面图；

图11是图2所示旋转爆震燃烧系统的示例性实施例的轴向图；以及

图12是图2所示旋转爆震燃烧系统的另一个示例性实施例的轴向图。

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。附图和说明书中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同部分。

本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件进行区分，并不旨在表示各个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，而“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”也包括复数含义。

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能够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。在至少一些实例中，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，范围限制进行组合和互换使用；除非上下文或语言另作说明，否则所述范围是确定的并且包括其中所含的所有子范围。例如，本说明书中所公开的所有范围包括端点，并且所述端点可以独立地彼此组合。

现在参照附图，图1示出了根据本公开的示例性实施例的推进系统，所述推进系统包括旋转爆震燃烧系统100(“RDC系统”)。对于图1所示的实施例，所述发动机通常被配置成推进系统102。更确切地说，推进系统102通常包括压缩机部分104和涡轮部分106，其中RDC系统100定位在压缩机部分104的下游和涡轮部分106的上游。在操作期间，可以将气流提供给压缩机部分104的入口108，其中所述气流通过一个或多个压缩机进行压缩，每个压缩机可以包括压缩机转子叶片和压缩机定子轮叶的一个或多个交替级。如下文中更详细地讨论，来自压缩机部分104的压缩空气之后可以提供给RDC系统100，其中压缩空气可以与燃料混合并且引爆以产生燃烧产物。之后，所述燃烧产物可以流动到涡轮部分106，其中一个或多个涡轮可以从所述燃烧产物中提取动能/旋转能量。与压缩机部分104内的压缩机相同，涡轮部分106内的每个涡轮可以包括涡轮转子叶片和涡轮定子轮叶的一个或多个交替级。之后，所述燃烧产物可以通过例如排气喷嘴135从涡轮部分106流出，以产生用于推进系统102的推力。

应认识到，涡轮部分106内由所述燃烧产物产生的涡轮旋转通过一个或多个轴或转轴(spool)110传递以驱动压缩机部分104内的压缩机。在各种实施例中，所述压缩机部分104可以进一步限定风扇部分，例如用于涡轮风扇发动机的配置，例如以便推动空气穿过RDC系统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可以包括位于压缩机部分104内的任何适当数量的压缩机、位于涡轮部分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可以包括任何合适的风扇部分，其中所述风扇部分的风扇由涡轮部分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涡轮部分106内的涡轮，或者替代地，可以通过减速箱(reduction gearbox)由涡轮部分106内的涡轮驱动。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(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，RDC系统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，RDC系统100可以整合到非航空推进系统中，例如陆用发电推进系统、航空改推进系统(aero-derivative propulsion system)等。更甚者，在某些实施例中，所述RDC系统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中。对于后者的一个或多个实施例，所述推进系统可以不包括压缩机部分104或涡轮部分106，而是可以简单地包括喷嘴140，燃烧产物流过其中以产生推力。

现在参见图2，示出了示例性RDC系统100的侧面示意图，其可以并入图1所示的示例性实施例中。如图所示，RDC系统100通常限定与推进系统102所共有的纵向中心线116、相对于纵向中心线116的径向R以及相对于纵向中心线116的周向C(参见例如图3和图5)以及纵向L(如图1所示)。

RDC系统100大体上包括沿径向R彼此间隔开的外壁118和内壁120。所述外壁118和内壁120共同部分地限定燃烧室122、燃烧室入口124和燃烧室出口126。燃烧室122沿纵向中心线116限定燃烧室长度123。

此外，RDC系统100包括位于燃烧室入口124处的喷嘴组件128。喷嘴组件128将氧化剂和燃料混合物流提供给燃烧室122，其中所述混合物燃烧/被引爆以在其中产生燃烧产物，并且更确切地说，产生爆震波130，如下文更详细所述。燃烧产物通过燃烧室出口126排出。

在一个实施例中，所述外壁118和内壁120各自为大体环形，并且大体上围绕纵向中心线116同心。位于燃烧室入口124处的喷嘴组件128为大体环形的，并且大体上与纵向中心线116同心。喷嘴组件128将氧化剂和燃料混合物流提供给燃烧室122，其中所述混合物燃烧/被引爆以在其中产生燃烧产物，并且更确切地说，产生爆震波130，如下文更详细所述。燃烧产物通过燃烧室出口126排出。尽管将燃烧室122描述成单个燃烧室，但在本公开的其他示例性实施例中，RDC系统100(通过图4中所示的内壁120和外壁118和/或中间壁119)可以包括多个燃烧室，例如图12中大体上提供的燃烧室。

简要参照图3，图3提供了燃烧室122(没有喷嘴组件128)的透视图，将认识到，RDC系统100在操作期间产生爆震波130。爆震波130沿RDC系统100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。

更确切地说，应认识到，RDC系统100是爆震型燃烧器，从连续爆震波130中获得能量。对于爆震型燃烧器，例如本说明书中所公开的RDC系统100，燃料/氧化剂混合物132的燃烧与常规爆燃型燃烧器中的典型燃烧相比实际上是爆震。因此，爆燃(deflagration)与爆震(detonation)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。相比之下，对于爆震型燃烧器，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可以使燃烧室122内的平均压力高于典型燃烧系统(即，爆燃燃烧系统)内的平均压力。

因此，爆震波130之后的区域134具有非常高的压力。从以下讨论中将认识到，RDC系统100的喷嘴组件128设计成防止爆震波130之后区域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。

重新参见图2，并且现在也参照图4，喷嘴组件128包括沿径向R以相邻布置设置的多个喷嘴140。喷嘴140沿纵长方向142在喷嘴入口144与喷嘴出口146之间延伸，并且进一步限定从喷嘴入口144延伸到喷嘴出口146的喷嘴流动通路148。在各种实施例中，喷嘴140包括限定喷嘴流动通路148的喷嘴壁150，例如如图2和图4所示。

在一个实施例中，例如图11中大体上提供的实施例中，多个喷嘴140各自由多个喷嘴壁150限定，所述多个喷嘴壁限定喷嘴流动通路148。例如如图11中大体上提供的那样，每个喷嘴140沿径向R和周向C以相邻布置设置在所述RDC系统100内。图11中大体上提供的示例性实施例包括三个径向阵列的喷嘴140，其中每个阵列包括沿周向C围绕纵向中心线116以相邻布置设置的多个喷嘴140。

在另一个实施例中，例如图12中大体上提供的实施例中，喷嘴140将喷嘴壁150限定成大体上与纵向中心线116同心并且限定喷嘴流动通路148的环形结构。在各种实施例中，喷嘴壁150是从喷嘴入口144延伸到喷嘴出口146的连续喷嘴壁。喷嘴壁150大体上包括RDC系统100的外壁118和内壁120的至少一部分。在各种实施例中，喷嘴壁150可以进一步包括沿径向R介于它们之间的一个或多个中间壁119。

参照图2到图12，喷嘴壁150可以具有任何适当构造。在各种实施例中，喷嘴140限定会聚-扩张型喷嘴，其中喷嘴壁150使喷嘴流动通路面积从大约喷嘴入口144处减小到位于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间的大约喉道152处，并且其中喷嘴壁150使喷嘴流动通路面积从大约喉道152处到大约喷嘴出口146处增大。

参照图4中所示的喷嘴140的放大侧视截面图(由图2中的圆圈4-4标识)，喷嘴140位于燃烧室入口124处并且限定纵长方向142。在某些示例性实施例中，所述纵长方向142可以平行于燃烧器100的纵向中心线116延伸。替代地，在其他实施例中，燃烧器100可以配置成使得喷嘴140的纵长方向142限定相对于纵向中心线的角，例如介于两度与四十五度之间的角，例如介于五度与三十度之间的角，相对于纵向中心线为正角或负角(例如，会聚或扩张)。

仍然参见图4，在各种实施例中，喷嘴壁150限定至少位于喷嘴140的扩张部分161上的流体二极管结构180。流体二极管结构180可以将包括喷嘴流动通路148的燃烧室122(如图2所示)与由于燃烧室122中燃料氧化剂的燃烧而向RDC系统100的上游端传播的高压波隔离或者大体上隔离。在一个实施例中，例如如图11所示，流体二极管结构180限定在各个喷嘴140中的一个或多个喷嘴的喷嘴壁150上。例如，每个喷嘴140可以限定流体二极管结构180。如下文进一步讨论，每个喷嘴阵列140或每个喷嘴140可以单独地限定与另一个喷嘴140不同的流体二极管结构180。

在又一些其他实施例中，例如图12中提供的实施例中，流体二极管结构180限定在喷嘴壁150上，例如限定在外壁118、内壁120上或者这两者上。

在各种实施例中，例如图4到图9中大体上提供的实施例中，流体二极管180限定波形结构。所述流体二极管180的波形结构大体上配置成抑制由于燃料氧化剂混合物的爆震而引发的压力波向上游传播。在一个实施例中，例如如图4所示，流体二极管180沿喷嘴壁150的外壁118和内壁120中的至少一者限定锯齿波形。所述锯齿波形可以限定大体朝向下游端或燃烧室122设置的多个边缘。例如，在各种实施例中，所述波形限定相对于纵向中心线116的角182。在一个实施例中，由流体二极管180限定的波形限定相对于纵向中心线116的锐角182，使得所述波形的尖端、边缘或圆形端大体上指向朝向向燃烧室122的下游方向或后部方向。更确切地说，在一个实施例中，流体二极管180限定锯齿波形、三角波形或其组合，其中波形角182相对于纵向中心线116在大约0度与大约90度之间延伸。在又一个实施例中，所述波形角116相对于所述纵向中心线116在约45度与约90度之间延伸。

仍然参照图4到图9中大体上提供的流体二极管180的各种实施例，图5所示实施例配置成与图4所示实施例大体上类似4中大体上提供的燃烧室。但是在图5中，流体二极管180进一步限定在喷嘴壁150的外壁118和内壁120中的至少一者上，位于喷嘴140的喉道152的上游处。例如，流体二极管180限定在喷嘴140中位于喷嘴入口144与喉道152之间的会聚部分159上。在图5所示的实施例中，会聚部分159处的流体二极管180限定锯齿波形。但是在其他实施例中，例如图6到图9中大体上提供的实施例中，会聚部分159可以沿外壁118、内壁120或中间壁119(如图2所示)在会聚部分159、扩张部分161或其任意组合处限定任何其他波形。

现在参照图6到图9，RDC系统100可以配置成与相对于图1到图5所述基本类似。在图6中，流体二极管180可以限定三角波形。在图7中，流体二极管180可以限定大体矩形或三角波形。在图8中，流体二极管180可以限定大体正弦波形或其他外形的波形。应进一步认识到，在扩张部分161、会聚部分159或其组合处外壁118、内壁120、中间壁119(如图2所示)上可以采用任何波形组合。

现在参照图9到图10，RDC 100的流体二极管180可以沿扩张部分161、会聚部分159或者这两者限定沿外壁118、内壁120、中间壁119(如图2所示)或其任何组合的蜂窝式结构190。蜂窝式结构190，例如图10中喷嘴壁150的径向图中大体上提供的蜂窝式结构可以限定凹入到喷嘴壁150中的多个大致圆形或多边形截面壁，以大体上隔离或减轻由于燃烧室122中燃料氧化剂混合物的燃烧而引发的高压波或振荡的传播。在各种实施例中，流体二极管180可以沿喷嘴壁150大体上对称地设置。

重新参见图4，喷嘴入口144配置成在RDC系统100的操作期间接收氧化剂流并且通过/沿喷嘴流动通路148提供所述氧化剂流。所述氧化剂流可以是空气流、氧气流等。更确切地说，当喷嘴组件128的喷嘴140整合到图1所示的推进系统102的RDC系统100中时，所述氧化剂流将是来自压缩机部分104的压缩空气流。

喷嘴140或者更确切地说，喷嘴壁150进一步限定位于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间，即喷嘴入口144的下游和喷嘴出口146的上游的喉道152。本说明书中相对于喷嘴140所用的术语“喉道”是指喷嘴流动通路148内具有最小截面积的点。此外，本说明书中所用的术语“截面积”例如喉道152的截面积156(如下文中更详细描述)是指喷嘴流动通路148内的某一截面处的面积，所述截面积在沿喷嘴流动通路148的相应位置处沿径向R测量。

在各种实施例中，喷嘴140可以称为会聚-扩张型喷嘴。此外，对于图示的实施例，喉道152沿喷嘴140的纵长方向142定位在相对于喷嘴出口146而言更靠近喷嘴入口144处。更确切地说，如图所示，喷嘴140沿纵长方向142限定长度160。所图示的示例性喷嘴140的喉道152定位在喷嘴140的长度160的前方或上游、一半处。进一步更确切地说，对于图示的实施例，所图示的示例性喷嘴140的喉道152沿纵长方向142大体上定位在喷嘴140的长度160的前方百分之十到百分之五十之间处，例如沿纵长方向142大约在喷嘴140的长度160的前百分之二十到百分之四十之间处。

具有所述构造的喷嘴140可以提供通过喷嘴流动通路148的大体亚音速流。例如，从喷嘴入口144到喉道152(即，喷嘴140的会聚部分159)的流可以限定低于1马赫的气流速度。通过喉道152的流可以限定小于1马赫但接近1马赫的气流速度，例如在1马赫的约百分之十内，例如在1马赫的约百分之五内。此外，从喉道152到喷嘴出口146(即喷嘴140的扩张部分161)的流可以再次限定气流速度，所述气流速度低于1马赫并且小于通过喉道152的气流速度。在其他实施例中，所述气流速度在喉道152的下游处可以是1马赫。例如，喉道152下游的小区域可在将弱正向冲击限定成小于1马赫之前，将气流速度限定为1马赫或1马赫以上。

同样如图所示，RDC系统100进一步包括燃料喷射口162。燃料喷射口162限定燃料出口164，所述燃料出口与喷嘴流动通路148流体连通并且位于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间，以用于向通过喷嘴入口144接收的氧化剂流提供燃料。更确切地说，在各种实施例中，燃料喷射口162的燃料出口164定位成沿喷嘴140的纵长方向142位于从喷嘴140的喉道152起的缓冲距离内(其中所述缓冲距离是沿纵长方向142等于喷嘴140长度160百分之十的距离)。更确切地说，对于图示的实施例，燃料喷射口162的燃料出口164定位在喷嘴140的喉道152处，或者沿喷嘴140的纵长方向142定位在喷嘴140的喉道152的下游。更确切地说，对于图示的实施例，燃料喷射口162的燃料出口164定位在喷嘴140的喉道152处。应理解，本说明书中所用的术语“在喷嘴的喉道处”是指包括位于喷嘴流动通路148内限定最小截面面积的位置处的部件或特征的至少一部分(即，限定喉道152)。应注意，对于图4所示的实施例，图示示例性喷嘴140的喉道152不是沿纵长方向142的单个点，而是沿纵长方向142延伸一段距离。为了测量特征或部分相对于喉道152的位置，可以从喷嘴流动通路148内限定喉道152的任何位置处进行测量。应注意，尽管燃料喷射口162图示成包括径向相邻布置的两个出口164，但应理解，多个燃料喷射口162可以沿喷嘴140的环沿周向分布。

通过燃料喷射口162提供的燃料可以是用于与氧化剂流混合的任何适当燃料，例如烃基燃料。更确切地说，对于图示的实施例，燃料喷射口162是液体燃料喷射口，所述液体燃料喷射口配置成向喷嘴流动通路148提供液体燃料，例如液体喷射燃料。但是，在其他示例性实施例中，燃料可以是气体燃料或任何其他适当燃料。

因此，对于图示的实施例，根据以上描述来定位燃料喷射口162的燃料出口164使得通过燃料喷射口162的出口164提供的液体燃料能够在通过喷嘴140的喷嘴入口144提供的氧化剂流内大体上完全雾化。这样可以使氧化剂流内的燃料更完全地混合，从而使燃烧室122内的燃烧更完全和稳定。

此外，对于图示的实施例，燃料喷射口162集成到喷嘴140中。更确切地说，对于图示的实施例，燃料喷射口162延伸通过从喷嘴140的喷嘴壁150延伸通过的开口，并且可以至少部分由所述开口限定，或者定位在所述开口内。此外，对于所述实施例，燃料喷射口162进一步包括多个燃料喷射口162，其中每个燃料喷射口162限定出口164。在各种实施例中，多个燃料喷射口162沿周向围绕纵向中心线116布置，其中每个燃料喷射口限定出口164。多个燃料喷射口162可以围绕纵向中心线116以对称或不对称布置进行布置。

一个或多个燃料喷射口162中的每个燃料喷射口可以通过用于将燃料供应到燃料喷射口162(未图示)的一个或多个燃料管线与燃料源例如燃料箱流体连通。另外，应理解，在其他示例性实施例中，燃料喷射口162可以不集成到喷嘴140中。对于所述示例性实施例，RDC系统100可以替代地包括具有单独结构的燃料喷射口，所述单独结构例如延伸通过喷嘴入口144和喷嘴流动通路148。所述燃料喷射口可以进一步限定燃料出口，所述燃料出口定位在喷嘴入口144与喷嘴出口146之间位于所述喷嘴流动通路148内，以用于向通过喷嘴入口144接收的氧化剂流提供燃料。

根据本说明书中所述的一个或多个示例性实施例的喷嘴140可使得从喷嘴入口144到喷嘴出口146并且进入燃烧室122的压降相对较低。例如，在某些示例性实施例中，根据本说明书中所述的一个或多个示例性实施例的喷嘴140可以使压降小于约百分之二十。例如，在某些示例性实施例中，喷嘴140可以提供小于约百分之二十五的压降，例如在约百分之一与约百分之十五之间，例如在约百分之一与约百分之十之间，例如约百分之一与百分之八之间，例如约百分之一与约百分之六之间。应理解，本说明书中所用的术语“压降”是指喷嘴出口146处的流与喷嘴入口144处的流之间的压力差，所述压力差是喷嘴入口144处的流压力的百分比。应注意，包括具有所述相对较低压降的喷嘴140通常可以提供更高效的RDC系统100。此外，通过包括具有本说明书中所图示和/或描述会聚-扩张构造的喷嘴140，可以防止或大大降低爆震波130之后的区域134内的高压流体(例如，燃烧产物)沿上游方向流动，即进入输入的燃料/空气混合物流132中(参见图3)的可能性。

重新参见图2，同时参照图11，应认识到对于本说明书中所述的实施例，喷嘴140配置成以沿RDC系统100的周向C延伸的阵列形式布置的多个喷嘴140中的一个喷嘴。参照图11，RDC系统100在前端/上游端处的视图是沿RDC系统100的纵向中心线116提供的。

更确切地说，对于图示的实施例，RDC系统100的多个喷嘴140包括沿RDC系统100的径向R间隔开的多个喷嘴阵列140。特别对于图11所示的实施例，RDC系统100的多个喷嘴140包括喷嘴140的第一阵列166、喷嘴140的第二阵列168以及喷嘴140的第三阵列170，每个阵列沿RDC系统100的周向C延伸，即，包括沿RDC系统100的周向C布置的多个喷嘴140。对于图示的实施例，喷嘴140的第三阵列170沿径向R位于喷嘴140的第二阵列168的外部，并且喷嘴140的第二阵列168沿径向R位于喷嘴140的第一阵列166的外部。

尽管对于所图示的实施例，RDC系统100包括沿径向R间隔开的三个喷嘴阵列140，但是在其他示例性实施例中，RDC系统100可以替代地包括任何其他适当数量的喷嘴阵列140，例如一个阵列、两个阵列、四个阵列，以及例如最多达约二十个阵列。此外，尽管对于所图示的实施例，每个阵列包括相同数量的喷嘴140，但是在其他示例性实施例中，所述阵列可以改变喷嘴140的数量。对于一个或多个上述构造，RDC系统100的多个喷嘴140可以包括相对较多数量的喷嘴140。例如，在某些实施例中，多个喷嘴140可以包括至少五十个喷嘴140以及最多达例如10,000个喷嘴140。例如，在某些实施例中，多个喷嘴140可以包括大约七十五个喷嘴140与大约五百个喷嘴140之间，例如大约一百个喷嘴140与大约三百五十个喷嘴140之间。此外，尽管每个阵列中的喷嘴140沿径向布置(即，每个喷嘴140的周向位置与径向内部或外部喷嘴阵列140中的对应喷嘴140相同)，但是在其他实施例中，一个阵列中的喷嘴140可以相对于径向内部阵列和/或径向外部阵列中的喷嘴140错开。

此外，在某些实施例中，多个喷嘴140中的每个喷嘴140可以根据上文参照图4所描述的一个或多个实施例来配置。此外，在某些实施例中，多个喷嘴140中的每个喷嘴140可以以基本相同的方式配置，或者替代地，在其他实施例中，多个喷嘴140中的一个或多个喷嘴可以包括可变几何形状。此外，尽管多个喷嘴140中的每个喷嘴图示成包括大体圆形的喷嘴入口144(以及沿相应的纵长方向142的大体圆形的喷嘴流动通路148)，但是在其他实施例中，多个喷嘴140中的一个或多个喷嘴替代地限定沿相应纵长方向142的任何其他适当截面形状，例如卵形、多边形等。类似地，尽管会聚部分159和扩张部分161图示成圆锥形，但是在其他示例性实施例中，部分159、161中的一者或这两者可以由弯曲壁或任何其他适当形状限定。此外，喷嘴140的喉道152可以是沿纵向L的单个点，而不是细长的圆柱形部分。

重新参见图2，以及参照图12，应认识到，对于本说明书中所述实施例，喷嘴140配置成沿径向R以相邻布置方式布置的多个喷嘴140中的一个喷嘴。更确切地说，对于图12所示的实施例，多个喷嘴140限定多个喉道152，多个喉道沿径向R以相邻布置方式布置并且基本围绕RDC系统100和推进系统102的纵向中心线116同心。仍然参见图12，并且如相对于图2和图4所图示和描述，多个喷嘴140限定在环形外壁118、环形内壁120以及一个或多个环形中间壁119之间，所述一个或多个环形中间壁沿径向R设置在外壁118与内壁120之间。在各种实施例中，限定在外壁118、内壁120以及一个或多个中间壁119中的每个组合之间的多个喷嘴140可以沿径向R以交错布置方式设置，以使得每个喷嘴140设置到沿纵向的不同位置。例如，分别限定在外壁118和中间壁119内、中间壁119中的一个或多个中间壁内以及中间壁119和内壁120内的多个喷嘴140中的每个喷嘴相对于彼此设置在上游或下游。

在图12中所示的实施例中，RDC 100可以进一步包括一个或多个支柱195，所述一个或支柱大体上沿径向R延伸并且连接到外壁118、内壁120以及介于它们之间的一个或多个中间壁119。在一个实施例中，支柱195限定内部通道176，所述内部通道配置成与燃料喷射口162(如图2和4中所示)流体连通，其中内部通道176向燃料喷射口162提供流体。如本说明书中所述，所述流体通常可以是燃料。在另一个实施例中，支柱195限定多个内部通道176，每个内部通道配置成独立地与每个喷嘴140流体连通。在各种实施例中，所述流体可以进一步是空气或惰性气体，例如清洗流体，以清除内部通道176和燃料喷射口162中的燃料，或者提供起泡燃料流。

在各种实施例中，支柱195沿纵向延伸大约喷嘴140的长度或更少。在一个实施例中，支柱195限定氧化剂流从其通过的气动翼型件。在各种实施例中，支柱195限定翼型件以引发氧化剂大旋涡，例如沿相对于纵向中心线116的周向或切向流分量。支柱195可以在喉道152的后方或下游延伸，以在燃料和氧化剂混合物上引发大旋涡。例如，支柱195可以相对于纵向中心线116沿周向成角度延伸。

尽管对于所图示的实施例，RDC系统100包括沿径向R间隔开的三个喷嘴阵列140，但是在其他示例性实施例中，RDC系统100可以替代地包括任何其他适当数量的喷嘴阵列140，例如一个阵列(即，由外壁118和内壁120限定)、两个阵列(即，由外壁118、内壁120和中间壁119限定)、四个或更多个阵列(即，由外壁118、内壁120以及介于它们之间的多个中间壁119限定)。

此外，在某些实施例中，多个喷嘴140中的每个喷嘴140可以根据上文参照图4所描述的一个或多个实施例来配置4中大体上提供的燃烧室。此外，在某些实施例中，多个喷嘴140中的每个喷嘴140可以以基本相同的方式配置，或者替代地，在其他实施例中，多个喷嘴140中的一个或多个喷嘴可以包括可变几何形状。例如，每个喷嘴140的喷嘴壁150可以限定可变会聚-扩张型几何形状，例如相对于纵向中心线116的不同角。在又一些其他实施例中，每个喷嘴140的燃料喷射口162可以限定相对于每个喷嘴140或者相对于每个喷嘴140内的各种周向位置的各种面积、容积、流动通路或其他流动特性。在其他实施例中，喷嘴140可以在外壁118与内壁120之间相对于彼此均匀地间隔开。在其他实施例中，喷嘴140可以以不均匀布置方式设置，使得一个喷嘴140限定比另一个喷嘴140更大或更小的喉道152，或者一个喷嘴140设置成相对于内壁120更靠近外壁118等。

在其他实施例中，中间壁119可以延伸到燃烧出口126或者朝向所述燃烧出口延伸，以限定多个大体分离的燃烧室122，所述燃烧室限定多个不同或各种截面面积或容积。多个燃烧室122或喷嘴140的多个各种截面积或容积可以配置成产生特定于一个或多个推进系统102操作状态的爆震单元高度。例如，喷嘴140可以限定容积或截面积，所述容积或截面积配置成在燃烧室122内产生针对发动机空转操作(例如，推进系统102的最低稳态操作速度或功率输出)增强的爆震单元高度。再如，另一个喷嘴140可以限定容积或截面积，所述容积或截面积配置成在燃烧室122内产生针对起飞操作(例如，推进系统102的最高稳态操作速度或功率输出)增强的爆震单元高度。又如，又一个喷嘴140可以限定容积或截面积，所述容积或截面积配置成在燃烧室122内产生针对推进系统102的巡航操作(例如，大于空转并且小于起飞的一个或多个稳态操作速度或功率输出)增强的爆震单元高度。因此，每个喷嘴140可以限定不同的容积或截面积，所述容积或截面积更确切地配置成产生用于推进系统102的特定功率输出的单元高度。应认识到，所述空转、巡航或起飞操作状态可以包括各种构造的推进系统中大体上限定低功率、一个或多个中间功率或者高功率操作的同等操作状态。本说明书中提供的RDC系统100的各种实施例可以提供低压降操作，同时提高在多个操作状态下的燃烧稳定性、性能和总体推进系统可操作性。例如，鉴于由外壁118、一个或多个中间壁119以及内壁120的组合限定的多个环形喉道的各种实施例及其组合；限定在其中的多个喷嘴140的轴向交错；并且限定在其中的每个喷嘴140的容积、面积或角的径向交错，能够限定每个喷嘴140以及一个或多个燃烧室122以改善在多个操作状态下，例如点火和地面空转、起飞、爬升、巡航、进场或者取决于推进系统装置的各种其他低、中或高功率状态下的燃烧稳定性、效率、排放以及整个推进系统的可操作性和性能。

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组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组件，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旋转爆震燃烧系统，所述旋转爆震燃烧系统限定径向、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，所述旋转爆震燃烧系统包括：

外壁和内壁，所述外壁和内壁共同地至少部分限定燃烧室和燃烧室入口；

位于由喷嘴壁限定的所述燃烧室入口处的喷嘴，所述喷嘴限定纵长方向并且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，其中所述喷嘴壁的扩张部分限定流体二极管；以及

燃料喷射口，所述燃料喷射口限定燃料出口，所述燃料出口定位在所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间处，以用于向通过所述喷嘴入口接收的所述氧化剂流提供燃料。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述流体二极管限定波形，所述波形配置成抑制由于燃料氧化剂混合物的爆震而引发的压力波向上游传播。

3.根据权利要求2所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述波形是锯齿波形、矩形波形、三角波形、正弦波形或其组合。

4.根据权利要求3所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述波形是锯齿波形、三角波形或其组合，其中所述波形限定波形角，所述波形角相对于所述纵向中心线在约0度与约90度之间延伸。

5.根据权利要求4所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述波形角相对于所述纵向中心线在约45度与约90度之间延伸。

6.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述流体二极管限定蜂窝式图案。

7.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述流体二极管沿所述纵向沿所述外壁和所述内壁中的至少一者不对称。

8.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述喷嘴的所述外壁和所述内壁中的至少一者的会聚部分限定流体二极管。

9.根据权利要求8所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述波形是锯齿波形、三角波形或其组合，其中所述波形限定波形角，所述波形角相对于所述纵向中心线在约0度与约90度之间延伸。

10.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧系统，其中所述喷嘴的所述扩张部分限定在所述喷嘴的所述喉道与所述喷嘴出口之间位于所述外壁和所述内壁上，并且其中所述外壁和所述内壁中的一者或多者限定所述流体二极管。