CN109028149A - 可变几何形状的旋转爆震燃烧器及其操作方法 - Google Patents

可变几何形状的旋转爆震燃烧器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种在爆震燃烧系统的燃烧室中，以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法。所述方法包括：提供外壁和内壁，外壁和内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的排气部分的燃烧室出口，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的所述容积。

Description

可变几何形状的旋转爆震燃烧器及其操作方法
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)系统及其操作方法。
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。
通常，爆震燃烧系统基于在环形燃烧室中是否能够维持最小数量的爆震单元(detonation cell)。爆震单元的特征在于单元宽度(λ)，其中所述单元宽度取决于燃料和氧化剂的类型以及燃烧室处的反应剂的压力和温度以及反应剂的化学计量(φ)。对于每种燃料和氧化剂组合，针对大于或小于1.0的化学计量，单元尺寸随着压力和温度的升高而减小。在各种推进系统设备中，例如针对燃气涡轮发动机的推进系统设备，所述单元宽度在从最低稳态操作条件(例如，地面空转)下到最高稳态操作条件(例如，最大起飞)下可以减小20倍或更多。
所属领域中普通技术人员均知晓，燃烧室几何形状是由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、温度和化学计量比所限定的。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)的各种组合可能导致固定几何形状的燃烧室在多个操作条件下效率低下。
因此，需要一种在推进系统的多个操作条件下都提供预期爆震单元尺寸的爆震燃烧系统。
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，或根据所述说明可显而易见，或可以通过实践本发明了解到。
本申请涉及一种在爆震燃烧系统的燃烧室中，以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法。所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分。所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙和所述燃烧室长度共同在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件来改变。
在一个实施例中，提供所述外壁和所述内壁在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。
在各种实施例中，调节所述燃烧室的容积包括沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者。在一个实施例中，沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者包括在第二操作条件下减小所述环形间隙，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
在又一些各种实施例中，调节所述燃烧室的容积包括沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴。在一个实施例中，沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴包括在第二操作条件下减小所述燃烧室长度，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
在另一个实施例中，调节所述燃烧室的容积至少基于在相对于所述第一操作条件的第二操作条件下维持大致恒定的爆震单元数量。所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
在其他实施例中，所述方法进一步包括基于所述推进系统的命令操作条件(commanded operating condition)来产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流；至少基于所述推进系统的命令操作条件来向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流；以及基于所述命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者。
在一个实施例中，基于所述推进系统的命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者包括所述旋转爆震燃烧系统处的燃料流速、燃料压力、燃料温度、氧化剂流速、氧化剂压力和氧化剂温度中的一者或多者。在另一个实施例中，所述命令操作条件包括所述第一操作条件和第二操作条件，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度，并且所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的一个或多个压力和温度。
在又一些各种实施例中，所述方法进一步包括在大于所述第一操作条件的第二操作条件下，基于所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者来确定所述燃烧室的预期容积。在一个实施例中，确定所述燃烧室的预期容积包括确定沿径向将所述外壁和所述内壁中的一者或多者进行关节式连接的量。在另一个实施例中，确定所述燃烧室的所述预期容积包括确定沿纵向将所述燃料氧化剂混合喷嘴进行关节式连接的量。在又一个实施例中，确定所述预期容积基于查阅表、时间表、传递函数和一个或多个性能图中的一者或多者。
在又一个实施例中，确定所述预期容积至少基于相对于所述燃料和所述氧化剂的压力、温度和流速中的一者或多者的爆震单元尺寸，以及与预期爆震单元数量相对应的燃烧室容积范围。在一个实施例中，所述预期爆震单元数量在所述第一操作条件下以及大于所述第一操作条件的第二操作条件下大致相等。在另一个实施例中，所述容积范围包括所述外壁和所述内壁中的一者或多者沿所述径向进行关节式连接的范围，以限定环形间隙的范围。在又一个实施例中，所述容积范围包括在等于所述第一操作条件的第二操作条件下的固定燃烧室长度。在又一个实施例中，所述容积范围包括燃料氧化剂混合喷嘴沿纵向进行关节式连接的范围，以限定燃烧室长度的范围。
所述方法的另一个实施例进一步包括监测被引爆燃料氧化剂混合物的爆震稳定性；以及基于受监测的爆震稳定性来确定所述燃烧室的预期容积。
技术方案1.一种在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法，所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分，所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和所述内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近所述燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的所述排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙以及所述燃烧室长度共同地在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件改变。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中提供所述外壁和所述内壁在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。
技术方案3.根据技术方案1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积包括沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者。
技术方案4.根据技术方案3所述的方法，其中沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者包括在第二操作条件下减小所述环形间隙，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积包括沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴。
技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其中沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴包括在第二操作条件下减小所述燃烧室长度，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积至少基于在相对于所述第一操作条件的第二操作条件下维持大致恒定的爆震单元数量，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
技术方案8.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：基于所述推进系统的命令操作条件来产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流；至少基于所述推进系统的命令操作条件来向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流；以及基于所述命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者。
技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其中基于所述推进系统的命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者包括所述旋转爆震燃烧系统处的燃料流速、燃料压力、燃料温度、氧化剂流速、氧化剂压力和氧化剂温度中的一者或多者。
技术方案10.根据技术方案8所述的方法，其中所述命令操作条件包括所述第一操作条件和第二操作条件，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度，并且所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的一个或多个压力和温度。
技术方案11.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：在大于所述第一操作条件的第二操作条件下，基于所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者来确定所述燃烧室的预期容积。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其中确定所述燃烧室的预期容积包括确定沿径向将所述外壁和所述内壁中的一者或多者进行关节式连接的量。
技术方案13.根据技术方案11所述的方法，其中确定所述燃烧室的预期容积包括确定沿纵向将所述燃料氧化剂混合喷嘴进行关节式连接的量。
技术方案14.根据技术方案11所述的方法，其中确定所述预期容积基于查阅表、时间表、传递函数和一个或多个性能图中的一者或多者。
技术方案15.根据技术方案11所述的方法，其中确定所述预期容积至少基于相对于所述燃料和所述氧化剂的压力、温度和流速中的一者或多者的爆震单元尺寸，以及与所述预期爆震单元数量相对应的所述燃烧室的容积范围。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其中所述预期爆震单元数量在所述第一操作条件下以及大于所述第一操作条件的第二操作条件下大致相等。
技术方案17.根据技术方案15所述的方法，其中所述容积范围包括所述外壁和所述内壁中的一者或多者沿所述径向进行关节式连接的范围，以限定环形间隙的范围。
技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中所述容积范围包括在等于所述第一操作条件的第二操作条件下的固定燃烧室长度。
技术方案19.根据技术方案15所述的方法，其中所述容积范围包括燃料氧化剂混合喷嘴沿纵向进行关节式连接的范围，以限定燃烧室长度的范围。
技术方案20.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：监测被引爆燃料氧化剂混合物的爆震稳定性；以及基于监测到的爆震稳定性来确定所述燃烧室的预期容积。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以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实施例，并与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完整且可实现地详细公开了本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是根据本申请的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意图；
图2是根据本申请的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的截面图
图3是根据本申请的示例性实施例的图2所示旋转爆震燃烧系统的截面图；
图4是根据本申请的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的截面图；
图5是根据本申请的示例性实施例的图4所示旋转爆震燃烧系统的截面图；
图6是根据本申请的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的截面图；
图7是根据本申请的示例性实施例的图6所示旋转爆震燃烧系统的截面图；
图8是根据本申请的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的燃烧室的透视图；
图9是根据本申请的示例性实施例的旋转爆震燃烧系统的前端的截面图；以及
图10是流程图，其中包括在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量操作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”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语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口(exhaust)的位置。
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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，并且“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在允许的范围内变动而不改变相关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，范围限制将组合并互换地使用，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，并且所述端点可以彼此独立地组合。
大体上提供了一种包括旋转爆震燃烧(RDC)系统的推进系统及其操作方法，推进系统及其操作方法可以在所述RDC系统和推进系统的多个操作条件下产生大致恒定的爆震单元数量。大体上提供的方法和结构可以在所述推进系统的多个操作条件下，在所述RDC系统的处于可变容积的燃烧室内产生大致恒定爆震单元数量的燃料氧化剂爆震。在各种实施例中，所述可变容积是环形间隙、燃烧室长度或者这两者的变化的函数。燃烧器的容积(即，所述环形间隙和燃烧室长度)在从第一操作条件(例如地面空转)下到第二操作条件(例如最大起飞)下会进行调节，以沿所述燃烧室长度和燃烧室宽度(即，所述环形间隙)维持预期数量的单元。例如，当固定操作化学计量下的压力和温度在从所述第一操作条件下到一个或多个第二操作条件下增加时，所述燃烧室容积将调节(例如，减小)以随着所述爆震单元尺寸的减小而维持大致恒定数量的单元。本说明书中大体上提供的结构和方法可以在所述推进系统的多个操作条件下改进旋转爆震燃烧系统和推进系统的可操作性、效率和性能，包括排放和燃料消耗减少。
现在参考附图，图1示出了根据本申请的示例性实施例的推进系统102，所述推进系统包括旋转爆震燃烧系统100(“RDC系统”)。推进系统102大体上包括入口部分104和出口部分106，其中RDC系统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RDC系统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从入口开口108通过入口部分104引导到RDC系统100。入口部分104可以在氧化剂195进入RDC系统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RDC系统100的下游端的渐缩式截面面积。
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RDC系统100的上游端到推进系统102的下游端的渐增式截面面积。燃烧产物138的膨胀大体上为推进系统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或转轴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。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，或者可选择地，可以由排气部分106内跨减速箱的涡轮驱动。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)、无涵道风扇(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，例如陆用或海上发电系统。此外，在某些实施例中，RDC系统100可以整合到任何其他适当的推进系统中，例如火箭发动机或导弹发动机。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到图3，其中大体上提供了图1所示推进系统的RDC系统100的示例性实施例。RDC系统100大体上包括大体圆柱形有壁外壳119，所述大体圆柱形有壁外壳至少部分限定燃烧室122、燃烧入口124和燃烧出口126。燃烧室122限定从大致燃烧入口124到燃烧出口126的环形燃烧室长度123。燃烧室122进一步限定从内径壁延伸到外径壁的燃烧室宽度或环形间隙121。燃烧室长度123和环形间隙121共同限定燃烧室容积。在本说明书中大体上提供的实施例中，燃烧室长度123和宽度121各自是用于确定燃烧室122容积的变量。例如，在各种实施例中，燃烧室122的长度123和宽度121通常设置成适于推进系统的最小或最低稳态操作条件，例如燃烧室122中的氧化剂的最低压力和温度。推进系统的最低稳态操作条件通常致最大容积使RDC系统100的构造或者更具体地说燃烧室122的构造处于最大容积下，所述与燃烧室122中的燃料氧化剂混合物的爆震单元尺寸直接相关。更具体地说，所述最低稳态操作条件致使燃烧室122构造处于最大燃烧室长度123和环形间隙121下，所述最大燃烧室长度和环形间隙与燃烧室122中的燃料氧化剂混合物的爆震单元尺寸相关。
在本说明书中大体上提供的实施例中，燃烧室长度123和环形间隙121各自是用于确定燃烧室122容积的变量。例如，在各种实施例中，燃烧室122的长度123和环形间隙121通常设置成适于推进系统的最小或最低稳态操作条件，例如燃烧室122中的氧化剂的最低压力和温度。推进系统的最低稳态操作条件通常致最大容积使RDC系统100的构造或者更确切地说燃烧室122的构造处于最大容积下，所述与燃烧室122中的燃料氧化剂混合物的爆震单元尺寸直接相关。
在各种实施例中，例如在图9所示RDC系统100的前端的截面图中大体上提供的实施例中，有壁外壳119限定大体环形圈结构，所述大体环形圈结构包括外壁118和内壁120，所述外壁和内壁沿径向R彼此间隔开并且与纵向中心线116大体上同心。在各种实施例中，例如在图9所示RDC系统100的前端的截面图中大体上提供的实施例中，有壁外壳119限定大体环形圈结构，所述大体环形圈结构包括外壁118和内壁120，所述外壁和内壁沿径向R彼此间隔开并且与纵向中心线116大体上同心。外壁118和内壁120共同部分限定燃烧室122、燃烧室入口124和燃烧室出口126(如图2到图5中所示)。
重新参考图2到图3，RDC系统100进一步包括位于燃烧入口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，并且更具体地说，产生爆震波130(如图8中所示)，如下文更详细所述。燃烧产物通过燃烧室出口126排出。
喷嘴组件128限定在有壁外壳119的上游端位于燃烧室入口124处。喷嘴组件128大体上限定喷嘴入口144、邻近燃烧入口124和燃烧室122的喷嘴出口146以及位于喷嘴入口144与喷嘴出口146之间的喉道(throat)152。喷嘴流动通路148限定为从喷嘴入口144延伸通过喉道152和喷嘴出口146。喷嘴流动通路148部分限定初级流动通路200，其中来自推进系统102的上游端的氧化剂将通过此初级流动通路200流动到燃烧室122并且流动到推进系统102的下游端。喷嘴组件128大体上限定会聚-扩张型喷嘴，即喷嘴组件128限定从大约喷嘴入口144到大约喉道152的会聚式截面面积，并且进一步限定从大约喉道152到大约喷嘴出口146的渐增式截面面积。
在喷嘴入口144与喷嘴出口146之间，燃料喷射口162限定成与喷嘴流动通路148流体连通，或者更具体地说，与氧化剂流动通过的初级流动通路200流体连通。燃料喷射口162通过喷嘴流动通路148并且大体上通过初级流动通路200将液体或气体燃料163或其混合物引入氧化剂流中。在各种实施例中，燃料喷射口162大约设置在喷嘴组件128的喉道152处。在限定大体环形有壁外壳119(例如，由图9中大体上提供的外壁118和内壁120限定)并且限定大体环形燃烧室122的RDC系统100的实施例中，多个燃料喷射口162限定成围绕纵向中心线116以相邻周向布置。
仍然参考图2到图3，在一个实施例中，所述RDC系统100包括设置在中心体160内的驱动结构150。中心体160大体上由有壁外壳119的内壁118限定。驱动结构150连接到有壁外壳119的内壁118，以将内壁118进行关节式连接，从而调节或改变其半径。例如，驱动结构150可以连接到限定有壁外壳119的内壁118的多个重叠壁。驱动结构150使内壁118扩张或收缩，以调节或改变燃烧室122的环形间隙121。驱动结构150构造成至少基于推进系统102的一个或多个操作条件及其变化来大体上沿径向R将内壁118进行关节式连接。驱动结构150因此可以基于环形间隙121改变燃烧室122的容积，例如增大或减小所述容积。
驱动结构150可以大体上包括液压或气动驱动器。在一个实施例中，驱动结构150包括液压流体、润滑油或液体燃料，以提供用于将驱动结构150进行关节式连接的动力或压力。在又一些各种实施例中，驱动结构150可以配置成构成向RDC系统100提供燃料163的燃料系统的至少一部分。
在其他实施例中，驱动结构150包括气动流体，例如空气、惰性气体或者气体燃料，以提供用于将驱动结构150进行关节式连接的动力或压力。例如，所述气动流体可以包括来自入口部分104的空气以将驱动结构150进行关节式连接。再如，所述气动流体可以包括限定气体燃料的燃料163，所述燃料进一步与喷嘴组件128结合配置。
在又一些其他实施例中，驱动结构150包括一个或多个弹簧或装有弹簧的组件，所述弹簧或装有弹簧的组件配置成至少基于推进系统102的多个操作条件来反作用于外壁120、内壁118和/或喷嘴组件128。例如，限定弹簧组件的驱动结构150可以至少基于施加在燃烧室122内的外壁120、内壁118和喷嘴组件128中的一者或多者上的压力来配置弹簧。再如，驱动结构150限定弹簧组件，所述弹簧组件基于多个操作条件限定弹簧常数，其中所述多个操作条件引发多个压力，限定弹簧组件的驱动结构150反作用于所述多个压力。
现在参考图4到图5，大体上提供的RDC系统100可以按照相对于图1到图3所述以大体类似的方式配置，包括目前未在图4到图5中示出的结构和参考数字。但是在图4到图5中，驱动结构150连接到有壁外壳199的外壁120，以将外壁120进行关节式连接，从而调节或改变其半径。例如，驱动结构150可以连接到限定有壁外壳119的外壁120的多个重叠壁。驱动结构150使外壁120扩张或收缩，以调节或改变燃烧室122的环形间隙121。驱动结构150配置成至少基于推进系统102的一个或多个操作条件及其变化来大体上沿径向R将外壁120进行关节式连接。参考图1到图5的所有图，驱动结构150因此可以基于环形间隙121，通过沿径向R将内壁118、外壁120或这两者进行关节式连接来改变燃烧室122的容积，例如增大或减小所述容积。
现在参考图6到图7，大体上提供的RDC系统100可以以按照相对于图1到图5所述以大体类似的方式配置，包括目前未在图6到图7中示出的结构和参考数字。在图6到图7中，驱动结构150连接到喷嘴组件128以将喷嘴组件128进行关节式连接，从而调节或改变燃烧室长度123。例如，所述驱动结构可以连接在中心体160内并且连接到喷嘴组件128。驱动结构150扩张或收缩以使喷嘴组件128沿纵向L进行关节式连接或移位。因此，驱动结构150可以基于燃烧室长度123改变燃烧室122的容积，例如减小或增大所述容积。
在一个实施例中，例如如图6到图7所示，包括内壁118的中心体160可以限定锥形，其中截面积从燃烧室122的上游端到下游端减小。外壁120可以进一步限定锥形，其中外壁120与内壁118大体上平行。在各种实施例中，所述中心体限定圆锥形或截头圆锥形结构。
简要参考图8，图8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。
更具体地说，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的燃烧与传统爆燃型燃烧器中的典型燃烧相比是实际上是爆震。因此，爆燃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。
相对于图1到图9所图示和描述的推进系统102和RDC系统100通常可用于操作推进系统的旋转爆震燃烧系统的方法(以下称“方法1000”)中。其中可实施方法1000的推进系统包括旋转爆震燃烧系统(例如，RDC系统100)，所述旋转爆震燃烧系统包括燃烧室(例如燃烧室122)和燃料氧化剂混合喷嘴(例如喷嘴组件128)、位于所述RDC系统上游的入口部分(例如入口部分104)以及位于所述RDC系统下游的排气部分(例如，排气部分106)。如上所述，在各种实施例中，所述推进系统可以限定位于所述入口部分中的压缩机部分以及位于所述排气部分中的涡轮部分。
所述方法1000大体上包括：在步骤1010中，提供外壁和内壁，所述外壁和内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近所述燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的所述排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙和所述燃烧室长度共同在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；在步骤1020中，通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在步骤1030中，在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及在步骤1040中，通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的所述容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件来改变。
图10示出了出于说明和讨论目的以特定顺序执行的步骤。使用本发明中提供的公开内容，所属领域中的普通技术人员将理解，在不脱离本申请范围的情况下，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。
在一个实施例中，在步骤1010处提供所述外壁和所述内壁，以在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。在各种实施例中，所述第一操作条件是所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度。例如，所述第一操作条件可以是在启动或点燃所述推进系统102之后，RDC系统100处的最低压力和温度。在限定燃气涡轮发动机的实施例中，所述第一操作条件可以限定地面空转条件。
通常，至少基于所述RDC系统的预期性能或可操作性来确定预期爆震单元尺寸。之后，确定所述预期爆震单元尺寸可以大体上确定环形间隙(例如，环形间隙121)和燃烧室长度(例如燃烧室长度123)，所述环形间隙和燃烧室长度共同限定燃烧室的容积(例如燃烧室122)。基于所述第一操作条件确定所述预期爆震单元尺寸可以大体上基于所述环形间隙和所述燃烧室长度来确定所述燃烧室的最大容积。因此，所述外壁120设置成相对于第一操作条件的最大半径，其中所述半径可以相对于第二操作条件而减小，其中所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的压力和温度。内壁118设置成相对于所述第一操作条件的最小半径，其中所述半径可以相对于所述第二操作条件增大。将外壁120调节在最大半径处、将内壁118调节在最小半径处或者这二者可以在第一操作条件下限定燃烧室122的最大环形间隙。
在各种实施例中，所述第二操作条件限定所述RDC系统处的最大压力和温度。例如，在限定燃气涡轮发动机的推进系统102的实施例中，所述第二操作条件包括最大起飞条件。在其他实施例中，所述第二操作条件包括大于所述第一操作条件的一个或多个稳态操作条件(例如，大于地面空转)，包括限定RDC系统处的压力和温度小于最大值的操作条件(例如，爬升、飞行空转、巡航、进场、着陆等)。在又一些各种实施例中，所述第二操作条件限定满载或部分载荷条件。
参考步骤1020和步骤1030，将燃料和氧化剂混合物提供给燃料氧化剂混合喷嘴并且在燃烧室处引爆所述混合物可以按照相对于图1到图9大体上提供和所述的内容执行。例如，燃料163通过喷嘴组件128进入并且与通过喷嘴流动通路148流向燃烧室122的氧化剂195混合。所述燃料氧化剂混合物在燃烧室122中引爆以产生燃烧产物138。所述燃烧产物138向下游流向并且通过排气部分106，进而大体上向推进系统102或与其附接的任何设备(例如陆用、海洋、空载或太空运载工具、动力涡轮、发电机等)提供推力或能量。
在一个实施例中，在步骤1040处调节所述燃烧室的所述容积包括沿径向将所述外壁和所述内壁中的一者或多者进行关节式连接。例如，参考图1到图5，通过驱动结构150来驱动外壁120、内壁118或这两者大体上通过改变环形间隙121来调节燃烧室122的容积，如本说明书中大体所描述。在本说明书中进一步所述的各种实施例中，沿所述径向R驱动所述外壁120、所述内壁118或者这两者包括在第二操作条件下减小所述环形间隙121，其中所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的稳态压力和温度。
在另一个实施例中，在步骤1040处调节所述燃烧室的容积包括沿纵向L驱动燃料氧化剂混合喷嘴。例如，如图6到图7所示，驱动喷嘴组件128大体上调节燃烧室122的容积。更具体地说，例如通过一个或多个驱动结构150来驱动喷嘴组件128可通过改变燃烧室长度123来调节燃烧室122的容积。在各种实施例中，沿纵向L驱动限定燃料氧化剂混合喷嘴的喷嘴组件128将减小在第二操作条件下的燃烧室长度123。
在方法1000的又一个实施例中，在步骤1040处调节所述燃烧室的所述容积至少基于在相对于所述第一操作条件的第二操作条件下维持大致恒定的爆震单元数量。例如，当环形间隙121和燃烧室长度123限定燃烧室122的容积时，环形间隙121和燃烧室长度123由预期爆震单元尺寸限定，其中所述爆震单元尺寸是在燃烧室122中引爆的燃料163和氧化剂195的压力、温度和流量的函数。因此，燃烧室122的容积将至少基于当燃料163和氧化剂195的压力、温度和流量中的一者或多者变化时维持大致恒定的爆震单元数量，通过改变环形间隙121、燃烧室长度123或者这两者来进行调整，燃料163和氧化剂195的压力、温度和流量中的一者或多者随着从所述第一操作条件到所述第二操作条件的操作条件变化而变化。环形间隙121、燃烧室长度123或这两者从第一操作条件到一个或多个第二操作条件中各自进行调节，以维持沿燃烧室长度123、环形间隙121(例如，宽度)或这两者的预期单元数量。例如，当固定操作化学计量下的压力和温度在从第一操作条件下到一个或多个第二操作条件下增大时，单元尺寸可以保持大体上恒定，因为由环形间隙121和燃烧室长度123限定的容积将减小以沿宽度(例如，环形间隙121)和燃烧室长度123有效地在燃烧室122中维持大致恒定的单元数量。
所述方法1000可以进一步包括：在步骤1050中，基于所述推进系统的命令操作条件来产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流；在步骤1060中，至少基于所述推进系统的命令操作条件来向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流；以及在步骤1070中，基于所述命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者。
在各种实施例中，在步骤1050处产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴(例如，喷嘴组件128)的氧化剂流可包括通过限定燃气涡轮发动机的压缩机部分的入口部分104对所述氧化剂进行加压。在其他实施例中，产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流包括通过入口部分104的或者使加压氧化剂流向所述RDC系统100的冲压空气。
在又一些各种实施例中，在步骤1060处至少基于所述推进系统的命令操作条件向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流可以包括节流阀杆角或功率杆角(power leverangle，PLA)。所述命令操作条件可以包括将所述PLA与预期发动机输出例如推力输出、功率输出、转子速度(例如，低转子速度N1、风扇转子速度Nfan等)或发动机压力比(EPR)相关联。在又一些各种实施例中，在步骤1060和步骤1070处，一个或多个计算装置(例如控制器，例如电子发动机控制器(EEC)、发动机控制单元(ECU)，或者更具体地说，全权数字发动机控制器(FADEC))可以存储表格、曲线、查阅图表、等式、传递函数等，以将所述PLA与预期发动机输出相关联，并且进一步向推进系统102提供一个或多个命令参数，包括燃料流速、燃料压力、燃料温度、高转子速度(例如，N2或NH)、中间转子速度(例如NI)、氧化剂流速、氧化剂压力和氧化剂温度，包括放气阀角、可变定子轮叶或者可变导向轮叶角中的一者或多者。因此，调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者包括调节或调整一个或多个前述参数。在又一些各种实施例中，调节或调整燃料和氧化剂条件可以更确切地说，基于所述RDC系统100处的条件。
所述推进系统(例如，推进系统102)的各种命令操作条件包括所述第一操作条件和第二操作条件，其中所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低压力和温度，并且所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的一个或多个压力和温度。如上所述，所述第一操作条件可以大体上限定推进系统的空转或地面空转条件。所述第二操作条件可以大体上限定大于空转的多个条件，包括大体上限定RDC系统100处的最大压力和温度条件的最大起飞条件以及介于空转与最大起飞之间的多个操作条件。
所述方法1000可以进一步包括在步骤1080中，在大于所述第一操作条件的第二操作条件下，基于所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者来确定所述燃烧室的预期容积。确定所述燃烧室的预期容积可以包括，经由控制器例，如上述的控制器，确定在大于所述第一操作条件的多个操作条件下的环形间隙121、燃烧室长度123或者这两者。
在一个实施例中，并且参考图1到图9，在步骤1080处确定所述燃烧室122的所述预期容积包括确定经由驱动结构150沿所述径向R将所述外壁120和所述内壁118中的一者或多者进行关节式连接的量。在另一个实施例中，确定所述燃烧室122的所述预期容积包括确定经由驱动结构150沿所述纵向L将所述燃料氧化剂混合喷嘴(例如，喷嘴组件128)进行关节式连接的量。
在各种实施例中，确定所述预期容积基于以下项中的一者或多者：查阅表、时间表、一个或多个等式、传递函数和一个或多个性能图，或者它们的组合。确定所述预期容积至少基于下列两者的对比：相对于所述燃料和所述氧化剂的压力、温度和流速中的一者或多者的爆震单元尺寸，以及与预期爆震单元数量相对应的燃烧室容积范围。所述预期爆震单元数量在第一操作条件下以及大于所述第一操作条件的第二操作条件下大致相等。
在一个实施例中，所述容积范围包括所述外壁120和所述内壁118中的一者或多者沿所述径向R进行关节式连接的范围，以限定环形间隙121的范围。在各种实施例中，所述容积范围包括固定的燃烧室长度123。例如，燃烧室长度123在相对于第一操作条件的一个或多个第二操作条件下可以是恒定或固定的。
在另一个实施例中，所述容积范围包括燃料氧化剂混合喷嘴(例如，喷嘴组件128)沿所述纵向L进行关节式连接的范围，以限定燃烧室长度123的范围。在又一些各种实施例中，所述容积范围包括固定环形间隙121，所述固定环形间隙在相对于第一操作条件的一个或多个第二操作条件下大体上恒定或固定。
在又一些各种实施例中，所述方法1000可以进一步包括，在步骤1090处监测被引爆燃料氧化剂混合物的爆震稳定性；以及在步骤1095处基于监测到的爆震稳定性来确定所述燃烧室的预期容积。例如，参考图1到图9，监测爆震稳定性可以包括监测在被引爆燃料氧化剂混合物138的燃烧室122处或其下游的压力值。监测所述压力可以包括在燃烧室122附近或下游使用压力探头，或者更确切地说，动压力探头。监测所述压力可以包括监测压力值相对于时间的峰峰值并且确定一个或多个限值或阈值。基于监测到的爆震稳定性来确定预期容积可以包括利用计算装置基于一段时间内的一个或多个压力值来确定环形间隙121、燃烧室长度123或者这二者的变化。
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践本发明，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)

1.一种在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法，所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分，所述方法包括：
提供外壁和内壁，所述外壁和所述内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近所述燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的所述排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙以及所述燃烧室长度共同地在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；
通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；
在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及
通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述外壁和所述内壁在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积包括沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者。
4.根据权利要求3所述的方法，其中沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者包括在第二操作条件下减小所述环形间隙，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积包括沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴。
6.根据权利要求5所述的方法，其中沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴包括在第二操作条件下减小所述燃烧室长度，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积至少基于在相对于所述第一操作条件的第二操作条件下维持大致恒定的爆震单元数量，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
基于所述推进系统的命令操作条件来产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流；
至少基于所述推进系统的命令操作条件来向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流；以及
基于所述命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在大于所述第一操作条件的第二操作条件下，基于所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者来确定所述燃烧室的预期容积。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
监测被引爆燃料氧化剂混合物的爆震稳定性；以及
基于监测到的爆震稳定性来确定所述燃烧室的预期容积。
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