CN109252980A - 一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自适应地向脉冲爆震发动机燃烧室内喷注燃料的装置，是适用于自适应脉冲爆震发动机的燃料喷注系统，主要包括氧化剂供给系统、燃料供给系统和喷注阀。本发明利用脉冲爆震燃烧室内周期性的压力波动，实现燃料供给通路自适应的周期性通断，实现脉冲爆震燃烧室内周期性的爆震燃烧。本发明所使用的燃料喷注装置，可以使用较大的喷注压力，可以得到较好的雾化效果；利用氧气对燃料液滴的破碎和掺混作用，强化燃料的雾化。本发明通过延迟燃料的供给，使燃料进入燃烧室的时间略滞后于空气进入的时间，利用先进入的空气作为隔离气，实现高温燃烧产物与新填充可爆混合物的隔离，不再需要当前自适应脉冲爆震发动机所需的隔离气系统，简化了系统结构。

Description

一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统

技术领域

本发明涉及航空航天发动机技术领域，尤其是一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统。

背景技术

脉冲爆震发动机是利用周期性的爆震燃烧产生推力的新概念发动机，具有结构简单、循环效率高、工作范围宽等潜在的技术优势。由于爆震波的产生是周期性的，所以在一定几何尺寸下，提高工作频率是脉冲爆震发动机增加推力、提高工作稳定性的发展方向之一。然而，受可爆混合物的填充速度和隔离过程的影响，频率的进一步提高受到限制。

目前，脉冲爆震发动机的燃料喷注系统，多是采用电磁阀或者机械旋转阀进行控制的。由于受到结构的限制，常规阀门很难满足脉冲爆震发动机的使用要求。例如，在燃料系统高频填充时，电磁阀往往来不及响应，经常处于常开的状态，基本无法满足爆震发动机周期性起爆的要求，会造成爆震频率不稳定。

当前自适应脉冲爆震发动机需要利用隔离气分隔燃烧产物和新填充的可爆混合物，所以需要携带大量不能做功的惰性气体。这会增加动力系统的复杂程度，也会增加飞行器整机的设计难度。

由于爆震发动机的火焰传播速度非常快，较大的燃料液滴来不及蒸发，无法参与放热反应。所以，雾化的效果会直接影响爆震发动机的运行性能。当前使用惰性气体做隔离气的自适应脉冲爆震发动机，燃料喷注压力一般低于隔离气的喷注压力。如果使用较高的隔离气进气压力，会降低发动机系统运行的可靠性和安全性。在使用较低的隔离气进气压力时，如果燃料喷注压力过大，燃料会先于隔离气进入燃烧室，这会导致缓燃，也会造成燃料浪费；而较低的燃料喷注压力会影响燃料的雾化，使燃料与空气混合的均匀度降低，进而影响了燃料的燃烧效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术的不足，本发明提出了一种自适应的脉冲爆震发动机用燃料喷注系统。

本发明的技术方案是：一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，主要包括氧化剂供给系统、燃料供给系统、喷注阀；其中，氧化剂供给系统包括空气供给系统和氧气供给系统，空气通过进气道系统供给，氧气通过氧气供给系统供给；氧化剂供给系统提供的空气和氧气、燃料供给系统提供的燃料分别由各自的分配器和相应的管道输送至各爆震室；爆震室数量依据动力系统的推力需求确定。喷注阀通过氧气接口和燃料接口分别与氧气供给系统和燃料供给系统相连接。进气道系统主要用于向爆震燃烧室提供空气作为氧化剂和隔离气，是爆震发动机主要的工作气源；氧气供给系统主要用于强化燃料雾化、提高爆震燃烧室内的氧化剂浓度，使爆震燃烧更容易进行；燃料供给系统主要用于向爆震燃烧室提供液态燃料；喷注阀主要用于将液态燃料充分雾化，并在爆震燃烧室内形成可爆混合物。

本发明的进一步技术方案是：氧化剂供给系统主要包括进气道系统、可自增压的液氧存储系统、液氧汽化器系统、氧气分配器、飞行器动力辅助单元(APU)、空气分配器以及相应的管道和控制系统，各部件之间用相应的管道相连接。进气道系统主要用于将飞行器外环境中的空气增压、输送至各爆震燃烧室，APU压缩机主要用于在飞行器起飞阶段向燃烧室提供压缩空气，空气分配器用于将空气合理分配到各爆震燃烧室。液氧存储系统主要用于液氧的存储，液氧存储系统具有自增压功能；液氧汽化器系统主要用于将液态氧气汽化成气态氧气。氧气的液化存储不但可以在很大程度上节省飞行器的内部空间，而且液氧汽化器可以与发动机关键受热部件相结合，作为发动机热管理的冷源，利用液氧的冷能为发动机的受热部件降温。氧气分配器用于将氧气合理分配到各爆震燃烧室。

本发明的进一步技术方案是：燃料供给系统主要包括燃料存储系统、燃料增压系统、燃料分配器以及相应的管道和控制系统，各部件之间用相应的管道相连接。燃料存储系统主要用于燃料的存储；燃料增压系统主要用于提高燃料的喷注压力；燃料加热系统主要用于提高燃料的温度，使燃料更容易雾化；燃料加热系统与发动机热管理系统相结合，通过利用发动机散失的热量为加热器供热，同时，利用加热器作冷源，控制发动机受热部件的温度；加热器配备电加热系统，用于发动机起动阶段加热燃料；燃料分配器为燃料分流装置，用于将燃料合理分配到各个喷注阀的燃料接口。

本发明的进一步技术方案是：喷注阀主要由调节帽、阀体、阀芯、安装座组成；安装座安装在爆震燃烧室头部上，阀体安装在安装座上，阀芯安装在阀体内；所述阀体上安装有活塞、活塞弹簧、下行路调节螺塞、工艺螺塞、密封圈、燃料接口、上行路调节螺塞、阀芯弹簧；所述工艺螺塞(堵头)主要用于封堵燃料，防止燃料泄漏；所述阀体与安装座通过螺纹连接，调节帽与阀体也通过螺纹连接。

本发明的进一步技术方案是：安装座两端有外螺纹，一端安装在爆震发动机燃烧室头部，另一端与阀体通过螺纹相连接；安装座中间为空腔，腔壁光滑；安装座内腔与阀芯是小间隙配合，燃料不会从两者之间的间隙大量泄漏。

本发明的进一步技术方案是：阀体底部有内螺纹与安装座相连，阀体顶部有内螺纹与调节帽相连，阀体侧面有燃料接口与燃料供给通路相连接，阀体内部有密封圈安装槽，主要用于防止燃料泄露；阀体两侧开有燃料流通的下行路和上行路；阀体内的油室被阀芯隔环分隔为上油室和下油室，两个油室的容积随阀芯的往复运动而此消彼长；阀体下油室安装有阀芯弹簧，阀芯弹簧对阀体和阀芯施加力的作用；当喷注系统需要停止工作时，关闭爆震燃烧室前氧气通路的电磁阀，弹簧对阀芯施加力的作用，使阀芯上行，切断燃料通路；当喷注系统工作时，爆震燃烧室前氧气通路的电磁阀打开，氧气通路接通，进入的氧气推动阀芯下行，接通燃料通路，燃料和氧气开始向爆震燃烧室内填充；喷注阀打开状态和打开过程中氧气、燃料流通路径如图3所示，喷注阀关闭状态和关闭过程中燃料流通路径如图4所示。

本发明的进一步技术方案是：活塞、活塞弹簧、下行路调节螺塞，依次安装在阀体下行路中；上行路调节螺塞，安装在阀体上行路中。当爆震燃烧室内压力增高时，阀芯下端面受到燃气压力的作用快速上行，上油室压力增大，活塞由于油压做功，向外移动，使下行路打开，燃料通过下行路进入下油室。通过调节下行路调节螺塞，可调节调节弹簧的压紧力，进而调节下行路打开时所需的压力。上行路调节螺塞安装在阀体上行路中，通过上行路调节螺塞调节上行路的阻力，可以控制阀芯下行的速度，进而调节燃料喷注滞后的时间间隔。

本发明的进一步技术方案是：阀芯外部有与安装座相配合的配合面，配合间隙为小间隙配合；阀芯中间为阀芯隔环，阀芯隔环将阀体油室分为上下两个油室；阀芯内部为流体通道，上部有氧气进口，中间有燃料进口，下部有混合室和喷嘴。被加热的燃料由燃料进口沿切向旋转喷入阀芯内腔，在阀芯内部雾化，再由进入的氧气在混合室吹扫、破碎，然后由喷嘴加速、喷出，并在燃烧室内进一步与空气混合均匀。

本发明的进一步技术方案是：调节帽下部有外螺纹与阀体相连；调节帽上端有氧气接口，与氧气管路连接。通过调节调节帽的旋入深度，可以调节阀芯的行程和阀芯的动作时间。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明的燃料喷注系统可以利用爆震燃烧室内形成的高压气体，自适应切断燃料通路，实现燃料的自适应、周期性喷注。当爆震燃烧室内压力下降至进气压力后，通过阀门的延时装置，使燃料进入燃烧室的时间略滞后于空气进入燃烧室的时间；利用先进入爆震燃烧室的空气作为隔离气吹扫、隔离前面的燃烧产物，保证爆震燃烧室内形成周期性爆震燃烧。利用空气作为隔离气，可以降低脉冲爆震发动机系统的复杂度。

当前自适应脉冲爆震发动机为防止连续燃烧，一般会使燃料的喷注压力低于隔离气的进气压力，这会使高效雾化喷嘴的使用受到很大的限制。爆震燃烧的火焰传播速度非常快，雾化较差的燃料液滴体积较大，不能很好地蒸发、扩散，不能与燃烧室内的氧气混合均匀。不均匀的混合会导致燃料不能完全燃烧，或者导致燃烧室内壁挂油、燃烧不稳定；当燃烧室内处于富氧环境时，很容易导致连续燃烧。本发明可以使用较高的燃料喷注压力，并利用氧气对燃料进行掺混、破碎，可有效提高燃料的雾化效果。

附图说明

图1是燃料、氧气和空气供给系统示意图。

图2是爆震燃烧室系统示意图。

图3是喷注阀打开状态剖面示意图。

图4是喷注阀关闭状态剖面示意图。

图5是喷注阀阀体剖面示意图。

图6是喷注阀阀芯剖面示意图。

图7是喷注阀阀芯燃料进口示意图。

图8是喷注系统工作时序示意图。

图中，1-调节帽，2-阀体，3阀芯，4-安装座，5-活塞，6-活塞弹簧，7-下行路调节螺塞，8-工艺螺塞，9-密封圈，10-燃料接口，11-上行路调节螺塞，12-阀芯弹簧；2-1密封圈安装槽，2-2下行路调节螺塞安装孔，2-3下行路，2-4工艺螺塞安装孔，2-5燃料接口安装孔，2-6上行路，2-7上行路调节螺塞安装孔；3-1氧气进口，3-2燃料进口，3-3混合室，3-4喷口，3-5阀芯盖，3-6阀芯隔环；a-喷注阀，b-空气接口，c-爆震燃烧室头部，d-火花塞，e-燃烧室。

具体实施方式

参见图1—图7，一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，包括氧化剂供给系统、燃料供给系统、喷注阀。其中，氧化剂供给系统包括空气供给系统和氧气供给系统，空气由进气道系统供给，氧气通过氧气供给系统供给，燃料通过燃料系统供给。供给系统如图1所示连接，喷注阀与爆震燃烧室如图2所示组装。与爆震燃烧室相连接的管道有三条，一条燃料管道，一条氧气管道，一条空气管道。喷注阀的燃料接口与燃料供给系统相连接，喷注阀的氧气进口与氧气供应系统相连接，燃烧室空气进口与进气道相连接。

在发动机起动准备阶段，首先起动氧气供给系统，使液氧储箱自增压；与此同时，燃料泵和燃料电加热器开始工作，为燃料加压、升温；同时，启动飞行器动力辅助单元(APU)，打开爆震燃烧室的空气进口，APU提供的压缩空气由进气分配气进入燃烧室。燃料加热器作为发动机热管理部件的冷源，利用燃料降低发动机受热部件的温度。发动机工作稳定后，发动机的受热部件向燃料加热器稳定输出热量；当热量可以支持燃料加热器的工作时，电加热器停止工作。随着飞行器速度的增加，飞行器进气道内的压力逐渐增加；当飞行器进气道内的压力达到发动机进气所需压力时，机载APU系统停止向发动机供气，发动机改为进气道进气。

在发动机开机工作阶段，首先打开爆震燃烧室入口前氧气管路的截止阀。如图3所示，氧气顶开喷注阀的阀芯，阀芯下行，打开氧气供给通路和燃料供给通路；氧气由阀芯的氧气进口进入阀芯；燃料由燃料进口喷入阀芯内腔并完成雾化，随后与氧气气流一起由喷嘴喷出，在爆震燃烧室内进一步雾化，并在爆震燃烧室内形成可爆混合物。

当燃烧室内可爆混合物填充完毕后，火花塞点火，燃烧室内的可爆混合物发生爆震燃烧，燃烧室内压力急剧增大。当燃烧室内的压力波传至阀芯下端面时，如图4所示，阀芯下端面受力远大于上端面，阀芯向阀体内运动，燃料通路和氧气通路被切断，喷注阀停止燃料喷注。与此同时，阀体内上油室压力增大，燃料推开阀体下行路中的活塞，燃料由上油室进入下油室。当阀芯停止上行时，活塞在活塞弹簧的作用下向阀体内侧运动，并关闭燃料下行路。

当燃烧室完成燃烧和排气后，燃烧室内压力下降至进气压力以下。由于此时氧气对阀芯的作用力大于阀芯下端面的受力，阀芯向燃烧室方向运动。但由于下油室通路受上行路调节螺塞的阻碍，燃料由下油室向上油室流动的速度较慢，所以氧气通路和燃料通路的打开时间略滞后于空气通路的打开时间；在这个微小的时间段内，空气先于燃料和氧气进入燃烧室，吹扫、冷却燃烧室内的高温燃烧产物。与此同时，阀芯继续下行，直到燃料通路和氧气通路打开，燃料和氧气进入燃烧室，并在燃烧室内形成可爆混合物。由于提前进入的空气的吹扫、隔离，新的可爆混合物不会被上一次的燃烧产物提前点燃，从而为下次点火起爆创造好了条件。当爆震燃烧室内火花塞周期性点火时，爆震燃烧室内就会形成周期性的爆震燃烧。

需要发动机系统停机时，只需关闭爆震燃烧室前氧气通路的截止阀，喷注阀就会停止燃料的喷注。随后相继停止液氧储箱增压系统和燃料增压系统，整个发动机系统随即停止工作。

Claims (9)

1.一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，主要包括氧化剂供给系统、燃料供给系统，喷注阀；其特征在于：氧化剂供给系统包括空气供给系统和氧气供给系统，空气通过进气道系统供给，氧气通过氧气供给系统供给；氧化剂供给系统提供的空气和氧气、燃料供给系统提供的燃料分别由各自的分配器和相应的管道输送至各爆震室；爆震室数量依据动力系统推力需求确定；喷注阀通过调节帽(1)上的氧气接口和阀体(2)上的燃料接口(10)分别与氧气供给系统和燃料供给系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：氧化剂供给系统主要包括进气道系统、可自增压的液氧存储系统、液氧汽化器系统、氧气分配器、飞行器动力辅助单元(APU)、空气分配器以及相应的管道和控制系统，各部件之间用相应的管道相连接；氧气分配器通过管道与喷注阀的氧气接口相连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：燃料供给系统主要包括燃料存储系统、燃料增压系统、燃料加热系统、燃料分配器以及相应的管道和控制系统，各部件之间用相应的管道相连接；燃料分配器通过管道与喷注阀的燃料接口(10)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：喷注阀主要由调节帽(1)、阀体(2)、阀芯(3)、安装座(4)组成；安装座(4)安装在爆震燃烧室头部上，阀体(2)安装在安装座(4)上，阀芯(3)安装在阀体(2)内；所述阀体(2)上安装有活塞(5)、活塞弹簧(6)、下行路调节螺塞(7)、工艺螺塞(8)、密封圈(9)、燃料接口(10)、上行路调节螺塞(11)、阀芯弹簧(12)；所述阀体(2)与安装座(4)通过螺纹连接，调节帽(1)与阀体(2)通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：安装座(4)两端有外螺纹，一端安装在爆震发动机燃烧室头部，另一端安装有阀体(2)；安装座(4)中间为空腔，腔壁光滑；安装座(4)内腔与阀芯(3)是小间隙配合，燃料不会从两者之间的间隙大量泄漏。

6.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：阀体(2)底部有内螺纹与安装座(4)相连，阀体(2)顶部有内螺纹与调节帽(1)相连，阀体(2)侧面有燃料接口(10)与燃料供给通路相连接，阀体(2)内部有密封圈安装槽(2-1)；阀体(2)两侧开有燃料流通的下行路(2-3)和上行路(2-6)；阀体(2)内的油室被阀芯隔环(3-6)分隔为上油室和下油室；阀体(2)下油室安装有阀芯弹簧(12)。

7.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：活塞(5)、活塞弹簧(6)、下行路调节螺塞(7)依次安装在下行路调节螺塞安装孔(2-2)中；上行路调节螺塞(11)安装在上行路调节螺塞安装孔(2-7)中。

8.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：阀芯(3)外部有与安装座(4)相配合的配合面，配合间隙为小间隙配合；阀芯(3)中间为阀芯隔环(3-6)，阀芯隔环(3-6)将阀体(2)的油室分为上下两个油室；阀芯(3)内部为流体流动通道，上部有氧气进口(3-1)，中间有燃料进口(3-2)，下部有混合室(3-3)和喷口(3-4)；燃料从燃料进口(3-2)沿切向旋转进入阀芯内腔。

9.根据权利要求1所述的一种新型自适应脉冲爆震发动机用燃料喷注系统，其特征在于：调节帽(1)下部有外螺纹与阀体(2)相连；调节帽(1)上端有氧气接口，与氧气管路连接。