CN109458271A - 一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法，设有超声速进气道、分流孔、喷油孔、爆震燃烧室环腔、储气腔、压力补偿孔、尾喷管外壁和尾喷管内锥；采用燃烧室与尾喷管一体化设计，工作时气流由超声速进气道捕获，后气流分为两部分，主流进入爆震燃烧室，与由喷油孔进入的燃油掺混，提供爆震燃烧所需要的反应物；小部分气流进入储气腔，在储气腔内减速增压后，由喷管内塞上的压力补偿孔进入喷管流场，用于补偿由于旋转爆震流场不稳定导致的喷管入口压力不均匀现象，使喷管可稳定工作在设计点状态下，减小由于旋转爆震非定常特性产生的总压损失，同时这部分气流还会从燃烧室内壁中带走一部分热量，降低燃烧室出口温度，喷管的降低热防护需求。

Description

一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法

技术领域

本发明涉及一种旋转爆震发动机，尤其是涉及一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)是基于爆震燃烧的一种新型动力推进装置，主要通过改变热力循环方式提高推进性能。最早关于旋转爆震的研究可以追溯到于二十世纪五六十年代，苏联Voitsckhovsky首次通过圆盘形实验装置完成了乙炔－氧气预混气体的连续旋转爆震实验。随后各国科学家就RDE的各种工作状态进行了数值和实验上的研究([1]Lu F K,Braun E M.Rotating Detonation Wave Propulsion:Experimental Challenges,Modeling,and Engine Concepts[J].Journal ofPropulsion&Power,2011,30(5):1-18)，如喷注方式、燃烧室形状、化学反应以及外界条件等。

旋转爆震发动机燃烧室内有一道或数道连续旋转的爆震波沿圆周方向连续传播，其波速可达到千米每秒量级，爆震频率高达数千赫兹，具有极其复杂的流场特性。因而研究旋转爆震发动机流场特性对于设计旋转发动机的几何型面，进而实现热力学能向动能的高效转化，提高推进效率具有重要意义。旋转爆震燃烧室出口参数，如压力温度等，均存在时间和空间上的不均匀性，因而导致旋转爆震喷管内流动状态随时间和空间位置不断变化，传统的喷管设计方法无法解决旋转爆震非均匀非定常流场所导致的高总压损失问题。

发明内容

本发明旨在提供可自动调节旋转爆震流场的非定常变化，降低喷管非设计点总压损失，使旋转爆震发动机能够持续高效稳定工作的一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)设有超声速进气道、分流孔、喷油孔、爆震燃烧室环腔、储气腔、压力补偿孔、尾喷管外壁和尾喷管内锥；

2)超声速进气道捕获一部分空气用于喷管压力补偿；

3)喷油孔设于燃烧室外壁，使燃油与来流成90°角喷射，促进燃油雾化掺混，同时爆震波不向燃烧室上游传播回传；

4)储气腔设于燃烧室和喷管主轴内，储存高压来流气体，为尾喷管压力补偿提供高压气体；同时冷却燃烧室和喷管内壁面，减小喷管热防护需求，有效减轻燃烧室和喷管质量；

5)压力补偿孔设于喷管内塞面，压力补偿孔周向均布于尾喷管内锥上，与来流流向成30°，实现较小压力损失条件下的压力补偿，利用气动原理使储气腔内的高压气体流入喷管流场中的低压区域，促进喷管来流均匀化，消减由爆震燃烧产生的时间和空间上的压力畸变，提高喷管工作性能；

6)喷管采用内塞式超声速喷管，采用特征线方法设计喷管内外型面，内塞式设计实现燃烧室气流的多边膨胀，内塞式喷管实现环形爆震燃烧室和喷管的有效结合，缩短超声速喷管长度和质量需求，提高推重比。

本发明采用燃烧室与尾喷管一体化设计，工作时气流由超声速进气道捕获，后气流分为两部分，主流进入爆震燃烧室，与由喷油孔进入的燃油进行掺混，提供爆震燃烧所需要的反应物；小部分气流进入储气腔，在储气腔内减速增压后，由喷管内塞上的压力补偿孔进入喷管流场，用于补偿由于旋转爆震流场不稳定导致的喷管入口压力不均匀现象，使喷管可以稳定工作在设计点状态下，减小由于旋转爆震非定常特性产生的总压损失，同时这部分气流还会从燃烧室内壁中带走一部分热量，降低燃烧室出口温度，喷管的降低热防护需求。

本发明针对旋转爆震发动机热工转化过程中出现的问题，考虑到现有超声速和高超声速喷管主要基于定常流动设计，而旋转爆震燃烧室内流动具有规律性的非定常流动特点，因此本发明提出了一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法。该旋转爆震发动机喷管采用内锥式喷管设计，将喷管内锥变化与外部型面变化相结合，可有效适应旋转爆震发动机燃烧室出口流场的非定常特性。该旋转爆震喷管解决了由旋转爆震复杂流场特性导致的低热工转换效率问题。

本发明提供了一种整流、热工转化效率高，可有效解决旋转爆震燃烧室出口流动复杂，压力和马赫数在空间和时间上存在均匀性的问题，自动调节流场流动状态，减小喷管总压损失，提供稳定高效推力的燃烧室喷管一体化装置。

与传统爆震发动机喷管相比，本发明具有如下优点：

1)储气腔布置于装置中心，联通燃烧室和尾喷管，一方面实现了为喷管提供压力补偿气流的需求，另一方面在减轻燃烧室和喷管重量的同时，实现了内流高压气体对燃烧室和喷管内壁的冷却，可有效降低对燃烧室和喷管材料的要求。

2)压力补偿孔的设计解决了由于爆震流场出口压力温度分布不均导致的总压损失问题，实现了爆震喷管非定常流动到定常流动的转化，使爆震喷管可以稳定高效的工作在设计状态。

3)内塞式喷管设计实现了环形爆震燃烧室和喷管的有效结合，缩短了喷管长度，提高了推重比。

附图说明

图1为本发明实施例的主剖视图。

图2为本发明实施例的左视图。

图3为本发明实施例的压力补偿孔局部视图。

图4为本发明实施例的分流孔局部视图。

图5为本发明实施例的喷油孔局部视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1～5，本发明实施例包括以下步骤：

1)设有超声速进气道1、分流孔2、喷油孔4、爆震燃烧室环腔3、储气腔5、压力补偿孔6、尾喷管外壁8和尾喷管内锥7；

2)超声速进气道1捕获一部分空气用于喷管9压力补偿；

3)喷油孔4设于爆震燃烧室环腔3，使燃油与来流成90°角喷射，促进燃油雾化掺混，同时爆震波不向燃烧室上游传播回传；

4)储气腔5设于爆震燃烧室环腔3和喷管9主轴内，储存高压来流气体，为尾喷管压力补偿提供高压气体；同时冷却燃烧室和喷管9内壁面，减小喷管9热防护需求，有效减轻燃烧室和喷管9质量；

5)压力补偿孔6设于喷管9内塞面，压力补偿孔6周向均布于尾喷管内锥7上，与来流流向成30°，实现较小压力损失条件下的压力补偿，利用气动原理使储气腔5内的高压气体流入喷管流场中的低压区域，促进喷管9来流均匀化，消减由爆震燃烧产生的时间和空间上的压力畸变，提高喷管9的工作性能；

6)喷管9采用内塞式超声速喷管，采用特征线方法设计喷管9内外型面，内塞式设计实现燃烧室气流的多边膨胀，内塞式喷管实现环形爆震燃烧室和喷管9的有效结合，缩短超声速喷管9的长度和质量需求，提高推重比。

以下给出具体实施例。

本发明主要由超声速进气道1、分流孔2、喷油孔4、爆震燃烧室环腔3、储气腔5、压力补偿孔6、尾喷管外壁8和尾喷管内锥7构成。所述分流孔2位于超声速进气道出口，沿进气道内壁面均布20个，对超声速进气道1所捕获的高压空气进行分流；所述喷油孔4位于爆震燃烧室头部，在爆震燃烧室环腔3外壁面周向均布40个，工作时燃油由喷油孔4进入爆震燃烧室环腔3内；所述高压储气腔5位于爆震燃烧室和喷管主轴内，来流空气经过压缩进入储气腔5后，通过压力补偿孔6进入喷管流场，这部分空气在储气腔内可用于燃烧室和喷管内壁面冷却，降低燃烧室和喷管内壁材料热防护需求；所述压力补偿孔6位于尾喷管内锥7上，周向均布40个，以压力补偿的形式消除由于爆震燃烧导致的流场压力分布不均，提高喷管做功能力，减少喷管总压损失，使爆震喷管可以持续高效稳定工作。

所述尾喷管内锥7和尾喷管外壁8均设计为扩张型面，来流高压气体可沿喷管内外壁进行多边膨胀，可实现在较短喷管长度限制下来流气体的完全膨胀，此外所述喷管内锥8采用截短内锥设计，可实现不同飞行马赫数条件下，喷管工作状态的自动调节。

本发明可实现旋转爆震发动机的高效热工转化，可有效克服旋转爆震燃烧室出口流体压力分布不均、流动状态具有极强非定常特性等问题，降低喷管非设计点总压损失，提高喷管做功稳定性，实现爆震发动机在超声速飞行状态下的高效稳定工作。

Claims (1)

1.一种旋转爆震发动机进气道与尾喷管一体化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设有超声速进气道、分流孔、喷油孔、爆震燃烧室环腔、储气腔、压力补偿孔、尾喷管外壁和尾喷管内锥；

2)超声速进气道捕获一部分空气用于喷管压力补偿；

3)喷油孔设于燃烧室外壁，使燃油与来流成90°角喷射，促进燃油雾化掺混，同时爆震波不向燃烧室上游传播回传；

4)储气腔设于燃烧室和喷管主轴内，储存高压来流气体，为尾喷管压力补偿提供高压气体；同时冷却燃烧室和喷管内壁面，减小喷管热防护需求，有效减轻燃烧室和喷管质量；

5)压力补偿孔设于喷管内塞面，压力补偿孔周向均布于尾喷管内锥上，与来流流向成30°，实现较小压力损失条件下的压力补偿，利用气动原理使储气腔内的高压气体流入喷管流场中的低压区域，促进喷管来流均匀化，消减由爆震燃烧产生的时间和空间上的压力畸变，提高喷管工作性能；

6)喷管采用内塞式超声速喷管，采用特征线方法设计喷管内外型面，内塞式设计实现燃烧室气流的多边膨胀，内塞式喷管实现环形爆震燃烧室和喷管的有效结合，缩短超声速喷管长度和质量需求，提高推重比。