CN109028150A - 用于旋转爆震推进系统的泡腾雾化结构和操作方法 - Google Patents

用于旋转爆震推进系统的泡腾雾化结构和操作方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法和系统。该方法包括：使液体燃料流动通过RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与液体燃料成比例地流动通过喷嘴组件的燃料喷射口；在燃料喷射口处通过将气体流与液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过RDC系统的喷嘴流动通路；在喷嘴流动通路内通过将气液燃料混合物与氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在RDC系统的燃烧室内点燃氧化剂气液燃料混合物。

Description

用于旋转爆震推进系统的泡腾雾化结构和操作方法
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。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道，燃烧室几何形状是由期望的爆震单元尺寸所限定的，所述期望的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。但是，可变几何形状的燃烧室通常涉及复杂的结构，这可能显著降低或消除推进系统的整体效率或可操作性。
旋转爆震燃烧器(rotating detonation combustor)通常是环形，并且需要燃料氧化剂喷射以便以最小长度接近预混合条件，同时减轻燃烧器内的火焰稳定。因此，旋转爆震燃烧系统通常需要多个最小尺寸的孔口，以在喷射器内快速混合燃料和氧化剂。所述液体燃料也需要雾化成非常小的液滴，以便产生旋转爆震波。液体燃料雾化通常可能是由于来自喷射器气流的动量传递而产生的。
但是，所述已知几何形状通常导致无法将旋转爆震燃烧系统应用到尺寸日益减小的设备中，或者通常需要采用窄容差(tight-tolerance)特征，进而提高燃烧系统的制造复杂性，这其中的每一个都可能限制旋转爆震燃烧系统的应用。
因此，需要提供改进的液体燃料雾化爆震燃烧系统。另外，需要一种在多个操作条件下都提供期望的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。
本公开涉及一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化(effervescent atomization)方法。所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。
在一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。
在另一个实施例中，使气体流动包括使空气或惰性气体流动。
在各种实施例中，使气体流动包括使气体燃料流动。在一个实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。
在另一个实施例中，使气体流动包括使气体在大于所述燃料喷射口内的所述液体燃料流的压力下流动。
在又一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。
在又一个实施例中，产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。
本公开进一步涉及一种对于包括旋转爆震燃烧(RDC)系统的推进系统，以大致恒定的爆震单元尺寸操作推进系统的方法。所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体燃料在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；通过在所述喷嘴流动通路内将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物；以及至少基于所述推进系统的命令操作条件来调节气体燃料相对于所述液体燃料的体积流量。
在一个实施例中，使气体燃料流动至少基于在所述推进系统的第一操作条件下的期望的爆震单元尺寸。
在各种实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于在大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宽度。在一个实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于在所述第二操作条件下，以大约1.0或以下的化学计量比维持大致恒定的爆震单元宽度。
在另一个实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度。
在又一个实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。
在又一个实施例中，所述方法进一步包括至少基于所述推进系统的所述命令操作条件来调节液体燃料流。
在一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。
在另一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。
在又一个实施例中，产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。
本公开进一步涉及一种用于向推进系统的旋转爆震燃烧(RDC)系统提供液体燃料泡腾雾化的系统。所述推进系统包括：第一泵，所述第一泵配置成向所述RDC系统提供可变气体流速；以及第二泵，所述第二泵配置成向所述RDC系统提供可变液体燃料流速；以及计算装置，所述计算装置包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置，所述一个或多个存储装置存储指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作。所述操作包括：从推进系统操作员接收命令操作条件，其中所述命令操作条件至少基于命令推力输出、轴速度和发动机压力比中的一者或多者来指示一个或多个参数，并且所述一个或多个参数包括液体燃料流速以及所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度；以及至少基于所述液体燃料流速和气液燃料混合物的期望的两相流态来确定与所述液体燃料混合的气体的体积流速。
在所述系统的一个实施例中，确定与所述液体燃料混合的气体的体积流速进一步基于在所述RDC系统的燃烧室处维持期望的爆震单元宽度，并且其中所述期望的爆震单元宽度至少基于所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度下、气体燃料和液体燃料的混合物的体积流量比、所述燃烧室的环形间隙以及燃烧室长度。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以更深入地了解本发明的这些以及其他特点、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，完整且可实现地详细公开了本发明，包含其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的推进系统的示意图；
图2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截面图；
图3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4是推进系统的一部分的示例性实施例，其中大体上示出送到旋转爆震燃烧系统的气液混合物流；
图5是所述推进系统的一部分的另一个示例性实施例，其中大致示出送到旋转爆震燃烧系统的气液混合物流；
图6是根据本公开的一个方面的大体上示出两相流态为气体体积通量和液体体积通量的函数关系曲线图的示例性实施例；
图7是示出根据本公开实施例的向旋转爆震燃烧系统提供泡腾燃料雾化的方法的步骤流程图；以及
图8是示出根据本公开实施例的以大致恒定的单元尺寸来操作推进系统的方法的步骤流程图。
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”也包括复数指代。
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“大致”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包含的所有子范围。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。
提供了用于操作包括旋转爆震燃烧系统的推进系统的方法和结构，以用于改善液体燃料雾化。本说明书中提供的方法和结构可进一步在多个操作条件下提供期望的爆震单元尺寸。本说明书中提供的推进系统的各种实施例及其操作方法包括可改善液体燃料雾化的泡腾燃料雾化结构。所述泡腾燃料雾化结构使得在旋转爆震燃烧系统处可以设置更大的燃料氧化剂喷射口，从而缓减对小孔口的需要。所述泡腾燃料雾化结构可以进一步使得能够以大致恒定的爆震单元尺寸对旋转爆震燃烧系统进行控制和操作，从而能够在旋转爆震燃烧系统处从最低压力和温度到最高压力和温度的范围内的多个操作条件下实现可操作性、燃烧稳定性和改进的性能(例如排放、燃料燃烧、动力等)。
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，所述推进系统包括旋转爆震燃烧系统100(“RDC系统”)。推进系统102通常包括入口部分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引向RDC系统100。入口部分104可以在氧化剂195进入入口部分104的入口108并且通过所述入口部分时对所述氧化剂进行进一步压缩，然后所述氧化剂进入RDC系统100。限定压缩机部分的入口部分104可以包括一个或多个交替级的旋转式压缩机翼型件。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的至少一部分与液体燃料163(如图2中所示)混合并且引爆以产生燃烧产物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的膨胀通常为推进系统102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(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1到图2，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通常包括大致圆柱形有壁外壳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限定从大约燃烧入口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环形间隙或环形燃烧室宽度121。燃烧室长度123和燃烧室宽度121共同限定燃烧室容积。由有壁外壳119限定的燃烧室122大体上限定固定或恒定容积。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通常设置成针对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，所述最大容积与燃烧室122中的燃料氧化剂混合物的爆震单元尺寸直接相关。更确切地说，最低稳态操作条件将致使燃烧室122的构造处于最大燃烧室长度123和宽度121下，所述最大燃烧室长度和宽度与燃烧室122中的燃料氧化剂混合物的爆震单元尺寸相关。
仍然参考图1到图2，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，并且更确切地说，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。
喷嘴组件128限定在有壁外壳119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部分限定主流动通路200，其中来自推进系统上游端的氧化剂将通过此主流动通路200穿过入口108流动到燃烧室122并且穿过排气喷嘴135流动到推进系统的下游端。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的渐缩式截面面积，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，或者更确切地说，与氧化剂流动通过的主流动通路200流体连通。燃料喷射口162将液体或气体燃料163或其混合物引入流动通过喷嘴流动通路148以及通常情况下主流动通路200的氧化剂流中。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1中大体所示的外壁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。
主流动通路200大体上从入口部分104经由RDC系统100和排气部分206来延伸穿过推进系统。在各种实施例中，例如在燃气涡轮发动机中，主流动通路200延伸穿过压缩机部分，氧化剂在进入RDC系统100之前通过压缩机部分被压缩。此外，在所述实施例中，主流动通路200延伸通过涡轮部分，燃烧产物通过涡轮部分膨胀并且驱动一个或多个涡轮，一个或多个涡轮驱动一个或多个压缩机、风扇部分或发电设备。更确切地说，对于通常提供的RDC系统100，主流动通路200通常延伸通过喷嘴流动通路148和燃烧室122的长度。
现参考图3，提供燃烧室122(无喷嘴组件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(即，如图1到图2中大体上提供的燃料163和通过主流动通路200的氧化剂第一部分205的混合物)的燃烧与通常出现于常规爆燃型燃烧器中的燃烧相比实际上是爆震。因此，爆燃与爆震之间的主要区别与火焰传播机制关联。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。
现在参考图1和图3，推进系统102大体上包括泡腾燃料雾化结构165(下文中称为“泡腾雾化器165”)，所述泡腾燃料雾化结构配置成提供气体159和液体燃料161混合物163的泡腾流，使其通过RDC系统100的喷嘴组件128并且进入主流动通路200中以引爆成燃烧产物138。在一个实施例中，例如图1中大体上提供的实施例中，气体159是氧化剂，例如空气或惰性气体或气体燃料。在另一个实施例中，例如图2中大体上提供的实施例中，气体159是从主流动通路200抽出的氧化剂195的至少一部分，例如空气。泡腾雾化器165可以在液体燃料161注射到主流动通路200中并且进一步与氧化剂195混合时，改善所述液体燃料的快速混合。泡腾雾化器165可以进一步使得能够在喷嘴组件128处设置较大的燃料喷射口162，从而减少对小容差或窄容差开口的需求，所述小容差或窄容差开口可阻碍将RDC系统100应用于小型应用(例如，冲压喷气发动机、超音速冲压式喷气发动机、导弹、火箭等)中。
例如，配置成仅使液体燃料流动的燃料喷射口可限定直径D。但是，配置成使气体159和液体燃料161的混合物163流动的燃料喷射口162限定直径，所述直径比直径D大至少约50％(1.5倍)。在各种实施例中，燃料喷射口162可限定直径，所述直径是直径D的至少约两倍(2x)，其中直径D仅限定送到喷嘴流动通路148的液体燃料流。在所述实施例中，燃料喷射口162可使气体159和液体燃料161的混合物163流动，其中所述气体159限定气体燃料，例如但不限于氢气。因此，较大的燃料喷射口162可以减少对RDC系统的喷嘴流动通路使用小容差或窄容差燃料喷射口的需要。较大的燃料喷射口162可以进一步减轻由于可能减小燃烧操作、效率或性能的杂质(例如，灰尘、燃料结焦、碳等)、内部物体碎片(domestic objectdebris，DOD)或者外物碎片(FOD)而造成堵塞或其他流动限制的风险。
泡腾雾化器165大体上包括通过隔开的导管、歧管或其他有壁结构的气体流159和液体燃料流161。阀167调节气体159和液体燃料161的混合物163进入泡腾流歧管168的比率，其中所述泡腾流歧管通向喷嘴组件128和主流动通路200。泡腾雾化器165可以进一步包括一个或多个压力、温度和/或流量传感器，以用于监测、测量或计算送到喷嘴组件128和主流动通路200的气体159、液体燃料161或混合物163的流量。一个或多个传感器可以进一步提供用于计算混合物163中气体159相对于液体燃料161的体积流量或其比率的数据。阀167可以使用计算所得的体积流量至少基于推进系统102的一个或多个操作条件来调节混合物163中的气体159相对于液体燃料161的比率，例如相对于图7到图8进一步所述，所述图7到图8提供概述了操作推进系统102的示例性步骤的流程图。
尽管图示成阀167，但泡腾雾化器165可以包括多个调节器或阀167(例如，单向阀、止回阀、压力调节阀等)，所述多个调节器或阀可以将气体159和液体燃料161以期望的压力、流量或这两者相组合。例如，可以利用阀167或多个所述阀167以大致相等的压力将气体159和液体燃料161进行组合。
泡腾雾化器165可以进一步包括一个或多个泵(未图示)以提高送到喷嘴组件128的气体159、液体燃料161或者这两者的压力。在所述RDC系统100限定推进系统的燃烧部分的一个实施例中，所述泵可以提供克服主流动通路200处的压力所必需的压力。但是在其他实施例中，例如将中间涡轮燃烧器或后燃烧器限定到推进系统的RDC系统100，所述泵可以从所述泡腾雾化器165中排除。
尽管没有提供进一步细节，但是图1到图6中大体上提供的推进系统102进一步包括计算装置，所述计算装置包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置。所述一个或多个存储装置可存储指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时，可使得所述一个或多个处理器执行操作。这些操作包括图7到图8所示流程图中大体上提供的步骤中的一个或多个步骤，所述流程图概述了在推进系统(例如推进系统102)中将液体燃料(例如液体燃料161)与气体(例如气体159)一起进行泡腾雾化的方法的示例性步骤。所述计算装置进一步配置成执行一个或多个操作，以在RDC系统(例如，RDC系统100)的燃烧室(例如燃烧室122)处以大致恒定的爆震单元尺寸来操作推进系统。
本说明书中所讨论的技术参考了基于计算机的系统，以及由基于计算机的系统所采取的行动以及送往并且来自所述基于计算机的系统的信息。所属领域的普通技术人员应认识到，基于计算机的系统的固有灵活性可使各个部件之间实现多种可能配置、组合以及任务分工和功能划分。例如，本说明书中所讨论的过程可使用单个计算装置实施，也可以使用以组合方式工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用程序可在单个系统上实施或者分布于多个系统上。分布式部件可以按顺序或者并行方式操作。在各种实施例中，所述基于计算机的系统可以包括以下项中的一者或多者：可以监测、控制、调节或以其他方式操纵推进系统102内流体流的全权数字发动机控制器(FADEC)、电子发动机控制器(EEC)、发动机控制单元(ECU)、供电模块、一个或多个传感器、驱动器、变换器或其组合，所述流体流包括但不限于氧化剂195、气体159、液体燃料161和气液燃料混合物163的流量、压力和/或温度。
现在参考图7，其中大体上提供概述了用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法的示例性步骤的流程图(在本说明书的下文中称为“方法700”)。图7中大体上提供的方法700可以采用推进系统和RDC系统的各种实施例来实施，例如相对于图1到图7所图示和描述的推进系统102和RDC系统100。方法700可以改进进入主流动通路中的液体燃料雾化，以便以更高效率、比燃料消耗和排放来将其与氧化剂混合并且引爆。方法700可提供前述益处中的一个或多个益处，同时进一步使得能够采用扩大的燃料喷射口(例如，燃料喷射口162)，从而使得能够将RDC系统应用于由于燃料喷射口极小而可能限制RDC系统的应用的设备中。
方法700可以利用例如相对于图1到图5中所述的推进系统和RDC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。
所述RDC系统可以大体上包括喷嘴组件，所述喷嘴组件配置成首先接收要混合的液体燃料和气体流，然后将所述气液燃料混合物喷射到主流动通路中，其中氧化剂将流动通过所述主流动通路。所述方法700包括：在710中，使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；在720中，使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在730中，在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；在740中，使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在750中，通过在所述喷嘴流动通路内将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在760中，在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。
在各种实施例中，所述液体燃料包括但不限于柴油、煤油、石脑油、乙醇、甲醇、油、液化天然气、液化石油气或其组合。液体燃料的各种实施例可以称为Jet A、Jet A-1、Jet B或者一个或多个喷气推进剂(Jet Propellant，JP)燃料。
在又一些各种实施例中，所述气体可以包括空气、惰性气体、气体燃料或其组合。所述气体燃料可以包括氢气、煤气、焦炉煤气、炼厂气、包括乙烯的乙烷气体，或者它们的组合。
在一个实施例中，在710处使液体燃料流动通过喷嘴组件的燃料喷射口包括使液体燃料161流动通过图1到图7中大体上提供的喷嘴组件128的燃料喷射口162。在各种实施例中，至少基于液体燃料的体积流速来提供、维持、监测、计算或控制流量。
在各种实施例中，在730处产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料相对于液体燃料的体积流量比。例如，气体相对于液体燃料的体积流量可以约10:1或更小。在另一个实施例中，在720处产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料相对于液体燃料的质量流量比。
简要参考图6，其中提供两相图600，其中示出了气体体积通量与液体体积通量之间的关系。在各种实施例中，气体相对于液体燃料的体积流量可以至少足以引发气液燃料混合物163的分散流(例如图5中所示)，或者气液混合物163的环形或环形/雾状流(如图4中所示)。
重新参考图7，在各种实施例中，在方法700的720处使气体流动包括使气体燃料流动。在一个实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元尺寸限定成小于所述液体燃料的爆震单元尺寸的气体燃料流动。在一个非限制性示例中，所述气体燃料限定氢气或乙烷气体，例如乙烯，从而将爆震单元尺寸限定成小于液体燃料，所述液体燃料限定例如基于煤油的燃料，例如Jet A。
现在参考图8提供的流程图，该流程图概述了针对包括旋转爆震燃烧(RDC)系统的推进系统以大致恒定的爆震单元尺寸来操作推进系统的方法的示例性步骤(以下称为“方法800”)。方法800可以使用如相对于图1到图8所述的基本类似的系统、设备等来实施。此外，方法800大体上包括相对于图7所概述的方法700中所述的步骤。
应认识到，方法800可以利用推进系统和RDC，例如相对于图1到图7中所述的推进系统和RDC来实施。图8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。
所述方法800包括：在810中，使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；在820中，使气体燃料在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在830中，在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；在840中，使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在850中，通过在所述喷嘴流动通路内将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；在860中，在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物；以及在870中，至少基于所述推进系统的命令操作条件来调节气体燃料相对于所述液体燃料的体积流量。
810到860的步骤可以包括相对于方法700的步骤710到760中所描述的说明、实施例、一个或多个限制或其组合。
在各种实施例中，在方法800的820处使气体燃料流动至少基于在所述推进系统的第一操作条件下的期望的爆震单元尺寸。所述第一操作条件大体上是指在推进系统初始点火或启动之后，RDC系统处的最低稳态压力和/或温度。例如，在推进系统限定燃气涡轮发动机的实施例中，所述第一操作条件可以是地面空转。在所述第一操作条件下，所述RDC系统限定适用于RDC系统的稳定或最佳操作的最小数量的爆震单元和大致恒定的单元尺寸。所述RDC系统例如燃烧室122可以限定环形间隙121、燃烧室长度123或者这二者，以在与所述第一操作条件相对应的氧化剂和气液燃料混合物流压力和温度条件下产生期望的数量和尺寸的爆震单元。
推进系统进一步限定与第一操作条件不同的第二操作条件。第二操作条件大致限定大于第一操作条件的RDC系统处的压力和温度。例如，在推进系统限定燃气涡轮发动机的实施例中，所述第二操作条件可以限定一个或多个稳态条件，例如最大起飞、爬升、巡航、飞行空转、进场、反推等，以及介于它们之间的瞬态条件。
在一个实施例中，在870处调节所述气体燃料的体积流量至少基于在大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宽度。在各种实施例中，与液体燃料混合的气体燃料的体积流量至少部分基于在相对于限定最低稳态操作条件的第一操作条件的第二操作条件(即，推进系统中比第一操作条件大的多个操作条件)下，维持大致恒定的爆震单元尺寸。
在另一个实施例中，在870处调节所述气体燃料的体积流量至少基于在所述第二操作条件下，以大约1.0或以下的爆震燃料和氧化剂化学计量比维持大致恒定的爆震单元尺寸。在又一些实施例中，在在870处调节所述气体燃料的体积流量至少基于所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度。
例如，所述RDC系统100的燃烧室122可以配置成在第一操作条件下，产生大约1.0或以下的爆震燃料和氧化剂138化学计量比。爆震燃料氧化剂混合物138的爆震单元尺寸可以基于共同限定大体上固定或恒定容积的燃烧室122的环形间隙121和燃烧室长度123。所述容积可以至少基于在点火或启动之后的最低稳态操作条件下，维持推进系统102的期望的操作或性能。随着推进系统102从第一操作条件变到第二操作条件，所述爆震单元尺寸可以大体上至少根据进入RDC系统100的氧化剂195以及与氧化剂195混合的气液燃料混合物163的压力和温度而变。
更确切地说，在各种实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。例如，所述爆震单元尺寸至少是液体燃料159和气体燃料161的单元尺寸性质以及气液燃料混合物163中每种燃料159、161的比率的函数。例如，所述液体燃料159(例如Jet A)可以大体上限定比气体燃料(例如氢气、乙烯)更大的爆震单元尺寸。调节与液体燃料159混合的气体燃料161的比率可以调节气液燃料混合物163的爆震单元尺寸。相对于进入RDC系统100的氧化剂195的温度和压力(及其相对于推进系统102的多个第二操作条件的变化)调节与液体燃料159混合的气体燃料161的比率可以在从第一操作条件下转换到所述多个第二操作条件下时维持燃烧室122处大致恒定的爆震单元尺寸。
方法700和800可以进一步分别在780和880中包括至少基于推进系统的命令操作条件来调节液体燃料的流量。所述推进系统(例如，推进系统102)的命令操作条件可以大体上包括任何用户输入或计算机输入期望的操作条件。在各种实施例中，例如在为飞行器提供推力或其他机动力的推进系统中，所述命令操作条件可以基于功率电平角或推力杆位置。一个或多个计算装置可以基于至少命令推力输出、轴速度和发动机压力比(EPR)中的一者或多者来将所述命令操作条件转换成一个或多个参数，其中所述一个或多个计算装置包括配置成存储指令和执行操作的一个或多个处理器和一个或多个存储装置。例如，所述命令推力输出、轴速度(例如，风扇轴速度NFAN、螺旋桨速度、低转轴速度N1或NL、中间转轴速度NI、高转轴速度N2或NH等)和EPR可以基于一个或多个参数，例如燃料流速和/或压力以及氧化剂流速、压力和/或温度，一个或多个可变导向轮叶或可变定子轮叶角，一个或多个放气阀位置(例如，打开或关闭百分比)或其组合，所述一个或多个参数可以基于所述命令操作条件输出实际推力输出、轴速度或EPR。
本说明书中大体上提供的方法700和800可以进一步基于命令操作条件限定所述燃料流中气体和液体燃料混合物的比率，所述比率可以产生实际推力输出、轴速度或EPR。例如，方法700和800可以大体上至少基于液体燃料流速以及气液燃料混合物的期望的两相流态来确定与液体燃料混合的气体的体积流速，如图7中大体所提供。气体和液体燃料的混合物可以提供燃料混合物163的泡腾雾化，进而可以产生具有期望的或最佳排放水平、比燃料消耗和可操作性的燃烧产物138，例如多个操作条件下的期望的爆震单元尺寸。
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要素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要素，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器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法，所述方法包括：
使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；
使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；
在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；
使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；
在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及
在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使空气或惰性气体流动。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使气体燃料流动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使气体在大于所述燃料喷射口内的所述液体燃料流的压力下流动。
7.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。
8.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。
9.一种对于包括旋转爆震燃烧(RDC)系统的推进系统，以大致恒定的爆震单元尺寸操作推进系统的方法，所述方法包括：
使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；
使气体燃料在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；
在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；
使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；
在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；
在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物；以及
至少基于所述推进系统的命令操作条件来调节气体燃料相对于所述液体燃料的体积流量。
10.一种用于为推进系统的旋转爆震燃烧(RDC)系统提供液体燃料泡腾雾化的系统，其中所述推进系统包括：第一泵，所述第一泵配置成向所述RDC系统提供可变气体流速；以及第二泵，所述第二泵配置成向所述RDC系统提供可变液体燃料流速；以及计算装置，所述计算装置包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置，所述一个或多个存储装置存储指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
从推进系统操作员接收命令操作条件，其中所述命令操作条件至少基于命令推力输出、轴速度和发动机压力比中的一者或多者来指示一个或多个参数，并且其中所述一个或多个参数包括液体燃料流速以及所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度；以及
至少基于所述液体燃料流速和气液燃料混合物的期望的两相流态来确定与所述液体燃料混合的气体的体积流速。
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