CN109578168A - 一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，以进气道的低温气体为介质，根据脉冲爆震发动机中DDT段和爆震传播段温度不同的特点，采用分区冷却的方式对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面进行冷却。提出一种冲击/发汗复合式冷却方式以冷却燃烧室中温度较高的DDT段，采用结构简单的通道内对流换热的方式来冷却温度相对较低的爆震传播段。在不额外携带冷源的同时，充分利用冷却介质，可提高发动机推力。本发明可解决现有冷却方式所造成的温度分布不均匀的问题，显著降低脉冲爆震发动机燃烧室壁面温度。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，具体为一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。
背景技术
脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种基于多循环爆震燃烧模式工作的非稳态推进装置。由于爆震燃烧过程类似于等容燃烧过程，使得脉冲爆震发动机拥有比常规采用等压燃烧的发动机更高的循环热效率；另一方面，脉冲爆震发动机可以提供较高的压比，通过自行增压来提高可燃混气的温度和压力。燃料和氧化剂注入燃烧室时的压力相对较低，相比常规动力装置省去了复杂的旋转增压部件，结构更简单，因此可以提供更高的推重比。基于上述优点，针对脉冲爆震发动机的研究受到了越来越多的重视。
PDE具有巨大的理论优势和广阔的应用前景，但在实际应用过程中还存在一些制约其性能完全发挥的问题，如脉冲爆震发动机燃烧室壁面的热疲劳和温度控制。由于爆震波在燃烧室内周期性高速传播，产生高温高压燃气，在循环工作过程中对燃烧室壁面造成疲劳损伤，特别是在实际工程应用中，高频率和长时间的工作条件下，脉动热冲击对壁面的影响更为显著，直接影响了发动机的工作寿命。
现有的PDE燃烧室壁面冷却的主要方式为水冷或利用发动机携带的液态燃料进行再生冷却，但上述方法均存在不足之处：采用水冷的PDE发动机需要配备额外的装置以存储冷却剂，造成发动机推重比的降低；采用液态燃料进行冷却时，由于发动机冷却通道内温升较大，碳氢燃料在高温下会发生裂解，从而改变燃料热物理性质，造成换热的不均。另一方面，高温下碳氢燃料也会结焦从而阻塞冷却通道，降低冷却效率。
基于上述背景技术的需要，本发明提供了一种以来流空气为冷源的脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。
发明内容
要解决的技术问题
针对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面的热疲劳和现有冷却方式不足的问题，本发明提供一种脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。将进气道的低温气体引入本发明的冷却系统中，分别采用冲击冷却/发汗冷却和对流换热的方式对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面进行分区冷却，同时将冷却气体从单独的喷管中喷出，可以有效降低发动机燃烧室壁面热载荷，同时提高发动机性能。
本发明的技术方案为：
一种利用空气进行冷却的PDE燃烧室壁面冷却方案，包括进气装置、爆震管、一级冷却系统、二级冷却系统和喷管。
所述进气装置一端与进气道相连，另一端与一级冷却系统的外壳体相连，以进气道进入的低温气体为冷源，冷却气体的流量可根据发动机工况进行调节。
所述爆震管为爆震发动机主体结构，整体为圆柱形，主要分为头部、DDT段和爆震传播段几部分。头部由进气装置和供油装置组成。其中，DDT段材料为激光打孔金属发汗材料，具有孔隙结构可控制、孔径大小一致、分布均匀等优点，能形成畅通无阻的冷却剂通道，孔隙间隔均匀，能避免局部过热的扩散和恶化。除DDT段外，其余部分材料均为超高强度钢30Cr3SiNiMoVA，抗拉强度高，韧性好，保证爆震发动机长时间安全稳定地工作。
所述一级冷却系统利用冲击/发汗复合式冷却方式对PDE燃烧室DDT段进行冷却，燃烧室外壁面由激光打孔金属发汗材料制成，壳体和带有冲击孔的隔板均由超高强度钢30Cr3SiNiMoVA制成并与燃烧室外壁面焊接在一起，形成两个闭合的环形腔体，同时隔板可以增强DDT段燃烧室壁面强度并起到整理进口冷却气流的作用。另外，冲击孔朝喷管方向与燃烧室成45°角，在保证冲击冷却效果的同时，消除常规正向冲击冷却时后段射流对前段射流的阻碍作用，冲击孔的直径为0.5mm～1mm，数量可根据不同的冷却介质流量和发动机尺寸等进行调节。
所述二级冷却系统利用对流换热的方式降低PDE爆震传播段壁面温度。由沿周向均匀分布的肋板与燃烧室壁面焊接在一起，形成冷却介质流动通道，肋板前端与带有冲击孔的隔板和燃烧室壁面组成的腔体相连，后端与专门的冷却介质喷管相连，肋板可以有效增加对流换热面积并提高燃烧室壁面强度。
所述喷管由爆震管燃烧室后部相连的收缩喷管与二级冷却系统后部用于喷射冷却介质的收缩喷管组成，形成一种类似于涡轮风扇发动机喷管的结构，将升温后的冷却介质直接从尾喷管喷出，可提高脉冲爆震发动机推力。
有益效果
(1)针对现有的PDE燃烧室壁面冷却方法存在的不足之处，利用进气道进入的空气对燃烧室壁面进行冷却，在不额外增加冷却装置、不破坏燃油物性的前提下，有效降低发动机的热载荷，保证发动机长时间安全地工作。
(2)采用类似涡扇发动机的结构，合理利用冷却介质，将升温后的冷却介质从专门的喷管喷出，可提高发动机的推力。
(3)针对现有研究中提出的脉冲爆震发动机DDT段温度高于爆震传播段的问题，采用分级冷却的方法合理地降低不同区域的壁面温度。在DDT段采用目前冷却效果最好的发汗冷却和冲击冷却组合的方式进行冷却，用空气发汗，需要的气体流量小且冷却效果好，同时结合冲击冷却的方法，可以将DDT段燃烧室壁面温度降到材料可承受温度范围之内。
(4)在第一级换热系统中将组合常规冲击冷却方式和气体发汗冷却方式结合，提供较高冷却效率的同时，将带有冲击孔的隔板和一级冷却系统的外壳体焊接在一起，可将发动机承受的热载荷和机械载荷分开，提高发动机的安全性。
附图说明
图1为一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案的系统图；
图2为所述爆震管的轴测图；
图3为所述一级冷却系统中带冲击孔的隔板的半剖轴测图；
图4为一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案的半剖轴测图；
图中，1为冷却气体的进气装置，2为爆震管头部，2-1为头部的燃油入口，2-2为燃烧室空气入口，3为爆震管DDT段，3-1为发汗孔，3-2为带冲击孔的隔板，3-3为冲击孔，3-4为第一级冷却系统的外壳体，4为爆震管的爆震传播段，4-1为肋板，4-2为爆震传播段管壁，5-1为尾喷管，5-2为冷却气体喷管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，如图2、图3和图4所示，其包括：冷却气体的进气口1，爆震管头部2，头部的燃油入口2-1，燃烧室空气入口2-2，爆震管DDT段3，发汗孔3-1，带冲击孔的隔板3-2，冲击孔3-3，第一级冷却系统的外壳体3-4，爆震管的爆震传播段4，肋板4-1，爆震传播段管壁4-2，尾喷管5-1，冷却气体喷管5-2。
所述的一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其特征在于：本发明由爆震管、第一级冷却系统、第二级冷却系统、进气装置和喷管组成。所述爆震管分为爆震管头部2、爆震管DDT段3和爆震传播段4。其中，爆震管DDT段采用激光打孔金属发汗材料制成，其他段均采用超高强度钢30Cr3SiNiMoVA焊接相连。所述第一级冷却系统由带冲击孔的隔板3-2、冲击孔3-3和外壳体3-4组成，冲击孔3-3沿喷管5-1方向与轴向成45°角，孔径为0.5mm～1mm，孔的数量和分布可根据发动机尺寸和进气量进行相应调节，在外壳体3-4上安装有冷却气进气装置1，另一端与发动进气道相连。所述第二级冷却系统由肋板4-1和爆震传播段燃烧室管壁4-2组成，所述肋板4-1和管壁4-2均由超高强度钢30Cr3SiNiMoVA制成并通过焊接相连，肋板4-1沿周向均匀分布，所述喷管由排放燃烧尾气的喷管5-1和排放冷却介质的喷管5-2组成。
工作过程
所述的一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其工作时，冷却介质从进气道引入，并从进气装置1进入第一级冷却系统壳体与带有冲击孔的隔板3-2所围成的腔体中，在整流后通过冲击孔3-3对DDT段壁面3进行冲击冷却，冲击冷却完的气体分两路：占冷却介质总流量10％左右的气体通过发汗孔3-1再次对DDT段壁面3进行发汗冷却，余下气体沿管壁流向第二级冷却系统中，在肋板4-1和管壁4-2组成的通道中采用对流换热的方式对爆震传播段进行冷却降温，最后将升温后的冷却介质通过喷管5-2排到大气环境中，以增加发动机推力。
Claims (4)
1.一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其特征在于：该方案由爆震管、第一级冷却系统、第二级冷却系统、进气装置和喷管组成。爆震管分为爆震管头部2、爆震管DDT段3和爆震传播段4；第一级冷却系统由带冲击孔的隔板3-2、冲击孔3-3和外壳体3-4组成，在外壳体3-4上安装有进气装置1，进气装置1另一端与发动进气道相连；第二级冷却系统由肋板4-1和爆震传播段燃烧室管壁4-2组成；喷管由排放燃烧尾气的喷管5-1和排放冷却介质的喷管5-2组成。
2.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其特征在于：该方案以进气道进入的低温空气为冷源，不配备额外携带冷源的装置，且保证冷源充足。
3.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其特征在于：该冷却方案利用分级冷却的方法冷却燃烧室壁面温度不同的区域，采用冲击/发汗复合式冷却方式冷却DDT段燃烧室壁面，采用对流换热的方式冷却爆震传播区燃烧室壁面。
4.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，其特征在于：所述第一级冷却系统中DDT段燃烧室壁面由激光打孔金属发汗材料制成，在保证爆震管强度的同时具有良好的冷却效果。
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