CN109915281A - 一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案 - Google Patents
一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其结构包括爆震燃烧室、共轨供油管道、供油环管、旋转阀、燃油预热腔、火花塞、同轴喷嘴等，其中爆震燃烧室沿来流方向依次分为DDT段与爆震传播段两部分。本发明中燃油在爆震燃烧室内既作为燃料，与氧化剂掺混形成可爆混合物，又作为冷却介质，对爆震燃烧室的DDT段壁面进行油膜冷却，对爆震传播段壁面进行发汗冷却，同时由于一部分燃油被预热，爆震燃烧室内燃料喷注的均匀度与爆震后的排气温度均得到提高，并且这一供油方案可作为流体DDT方案，取代原有的固体DDT装置，加速缓燃向爆震的转变，减小起爆过程的总压损失。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，具体为一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案。
背景技术
爆震燃烧是一种不同于传统等压燃烧的等容燃烧方式，具有热循环效率高、释热速率快、自增压能力强等特点。而爆震发动机就是爆震燃烧在推进上的应用，脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation Rocket Engine，简称PDRE)即是一种利用高频率脉冲爆震波产生推力的新概念发动机。由于PDRE具有热循环效率高、结构简单、重量轻便等优点，且其技术已较为成熟，近年来航空航天界纷纷加快推进对PDRE的研究，期望早日实现其工程化应用。
为在PDRE中产生爆震波，常采用的起爆方式有高能直接起爆和缓燃转爆震(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)的间接起爆。前者需要在极短时间内给出一个极大的能量源诱发爆震，需要高压电源的支持，而高压电源将极大地增加发动机的整体质量，故这一方法不适用于工程应用；若采用DDT起爆方式，爆震燃烧室的DDT段内缓燃工况燃烧速度较慢，且沿程为增大湍流度而设置的障碍物使总压损失较大，故在DDT段将会产生热量积累，必须采用高效的冷却方式。此外，由于爆震燃烧的高释热率，起爆后的爆震波后燃气温度能达到3000K左右，这使得爆震传播段壁面也要承担较高的热负荷，故在爆震燃烧室后段壁面上同样要采取有效的冷却方案。
此外，PDRE中的燃油雾化与掺混效果同样将影响发动机的工作性能，若DDT段掺混不均匀，将会加大起爆难度；若爆震传播段内掺混不均匀，管内混气的可爆性较差，可能会导致爆震波在传播过程中解耦，使爆震自增压效果减弱。以上这些问题都是将PDRE工程化的过程中面临的挑战。
解决的技术问题
PDRE自身的工作特性使得其对壁面冷却和燃油雾化掺混提出了很高的要求，为优化PDRE壁面冷却效果，提高爆震燃烧室内掺混均匀程度，减少DDT段的总压损失，本文提出了一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案。
发明内容
本发明的技术方案为：
一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其结构包括爆震燃烧室(1)、共轨供油管道(2)、供油环管(3)、旋转阀(4)、燃油预热腔(5)、火花塞(6)、同轴喷嘴(7)等，其中爆震燃烧室(1)沿来流方向依次分为DDT段(8)与爆震传播段(9)两部分；从油箱引出的共轨供油管道(2)的前段与爆震燃烧室(1)前端的DDT段(8)之间依靠供油环管(3)连接，同时后端直接与燃油预热腔(5)相连，其中一根供油管道(2)还与爆震燃烧室(1)头部的同轴喷嘴(7)相连为其外环油路供油；供油环管(3)的环面与爆震燃烧室(1)轴线垂直，且环管的中心位于爆震燃烧室(1)中轴线上；供油环管(3)从周向上每隔60°伸出支管与DDT段(8)上的喷注孔(10)通过旋转阀(4)连接，支管末端还装有密封圈(12)，以免燃油泄漏；旋转阀(4)为两端开放的直管，其上沿轴向与周向均布有通孔，旋转阀(4)与爆震燃烧室(1)同轴安装，轴线平行于来流方向，以外接电源为动力旋转工作，工作过程中旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)在有部分面积重合时，燃油被容许通过，此时定义为旋转阀(4)的“开启”状态；当旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)不存在重合面积时，定义为旋转阀(4)的“关闭”状态。
所述的爆震燃烧室(1)部分，其特征在于：整体是长径比24～26的一端封闭一端开放的圆柱筒状，封闭端壁上有同轴喷嘴(7)的安装位置，在爆震燃烧室(1)前部的DDT段(8)约长10倍管径，DDT段(8)上沿周向与轴向阵列有若干个喷注孔(10)，孔轴线与爆震燃烧室(1)轴线成15°倾角，孔径约为1mm；在后部的爆震传播段(9)上，沿周向与轴向阵列有若干个发汗冷却小孔(11)，发汗冷却小孔(11)的轴线与爆震燃烧室(1)轴线垂直，爆震传播段(9)在出口附近不再设置小孔。
所述的共轨供油管道(2)部分，其特征在于：共轨供油管道(2)为内径10mm的长直管道，其长度视爆震燃烧室(1)的轴向尺寸决定，其入口连接高压油泵，出口分别与同轴喷嘴(7)、供油环管(3)和燃油预热腔(5)依靠球形接头密封连接，由以上三路将来自高压油泵的燃油供入爆震燃烧室(1)内，燃油喷入爆震燃烧室(1)后与由同轴喷嘴(7)喷入燃烧室的氧化剂掺混形成可爆混合物。
所述的供油环管(3)，其特征在于：供油环管(3)环形部分的直径略大于旋转阀(4)直径，与旋转阀(4)间靠支管接触，支管的内径与旋转阀(4)上通孔、DDT段(8)上喷注孔(10)直径均相同，且支管与DDT段(8)上外壁上喷注孔(10)始终中心对齐。
所述的旋转阀(4)部分，其特征在于：旋转阀(4)整体为两端开口的圆筒形，和爆震燃烧室(1)同轴安装在DDT段(8)的外壁面上，轴向长度略短于DDT段(8)，旋转阀(4)表面沿轴向等距设有若干排深1mm的沟槽，便于定位安装供油环管(3)，沟槽内沿周向阵列有若干个通孔，通孔的数目、直径与相对间距均与DDT段(8)上喷注孔(10)相同，旋转阀(4)处在“开启”状态时，燃油能从旋转阀(4)上通孔通过。
所述的燃油预热腔(6)部分，其特征在于：燃油预热腔(6)安装在爆震燃烧室(1)后段上，轴向长度略短于爆震传播段(9)。燃油预热腔(6)与爆震燃烧室(1)采用焊接方式严密连接，燃油预热腔(6)的内壁面与爆震燃烧室(1)的爆震传播段(9)的外壁面重合，这一壁面上沿轴向与周向均布有发汗冷却小孔(11)，孔径不大于0.05mm，为保证冷却效果轴向上相邻孔排的间距不超过5mm，周向上相邻小孔的间距不大于15°；为避免结焦产物堵塞发汗冷却小孔(11)，燃油预热腔(6)内部壁面采用惰性涂层处理材料表面以抑制结焦。
所述的同轴喷嘴(7)部分，其特征在于喷嘴类型为气液同轴直射式喷嘴，其中心孔与氧化剂贮存单元连接，外侧环缝与共轨供油管道(2)连接，燃油与氧化剂在爆震燃烧室(1)前端附近发生掺混，形成可爆混合物。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，燃油在PDRE燃烧室内既作为燃料，与氧化剂掺混形成可爆混合物，又作为冷却介质很好地对燃烧室壁面进行冷却，同时由于一部分燃油被预热，爆震燃烧室内燃料喷注的均匀度与排气温度均得到提高，并且这一供油方案可作为流体DDT方案，取代原有的固体DDT装置，加速缓燃向爆震的转变，有效减小起爆过程的总压损失。
在这一供油方案中，燃油经油泵增至高压后，共分三路流入爆震燃烧室(1)：分别是a.少量燃油经由爆震燃烧室(1)封闭端的同轴喷嘴(7)喷入爆震燃烧室(1)前端；b.较多燃油流过共轨供油管道(2)和供油环管(3)流入爆震燃烧室(1)的DDT段(8)内；c.较多燃油经过共轨供油管道(2)流入燃油预热腔(5)中。以上三部分燃油的作用分别是：a.经同轴喷嘴(7)和氧化剂同轴喷入爆震燃烧室(1)前端的燃油在燃烧室头部形成可爆混合物供爆震起始；b.由于DDT段(8)壁面上燃油射流孔与爆震燃烧室(1)轴线成一定角度，注入DDT段(8)内的燃油流向也与爆震燃烧室(1)轴线成一定倾角，故能有效地形成类气膜冷却的油膜保护层，燃油本身相变吸热能有效降低壁面温度，同时燃油射流增大了DDT段(8)内的湍流度，加速缓燃向爆震的转变，油膜破碎后与氧化剂掺混在DDT段(8)内形成可爆混合物；c.在燃油预热腔(5)中的燃油经与爆震传播段(9)外壁面间换热，一方面冷却了壁面，另一方面来自油泵的高压燃油被加温至超临界态，经过预热腔(5)内壁面上发汗冷却小孔(11)渗入燃烧室，由于压降瞬间发生相变吸热，有效地达到发汗冷却的目的，燃油蒸汽与氧化剂掺混形成可爆混气，在爆震传播段(9)内延续爆震波。
本发明中，DDT段(8)的燃油喷注采用旋转阀(4)控制，可实现高频的脉动喷射，其脉动频率可通过控制旋转阀(4)转速来控制；在周向上均布有若干个喷注孔(10)，使燃油与氧化剂掺混均匀，且分布式喷注能有效提高PDRE的工作频率。爆震传播段(9)内的喷注采用无阀自适应的控制方式，在爆震燃烧室(1)内压力较高时燃油停止流入，压力降低后恢复流入，这一方式简化了系统复杂度，爆震传播段(9)内同样通过密布发汗冷却小孔(11)的形式，实现了分布喷注，兼以闪蒸方式优化了掺混效果。燃油预热腔(6)内部壁面采用惰性涂层处理材料表面，能有效抑制结焦，避免结焦产物堵塞发汗孔。
附图说明
图1：一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案结构示意图
图2：第一道供油环管垂直于爆震室轴线剖面图
图3：燃油喷注孔剖面细节图
图4：发汗冷却小孔剖面细节图
图5：系统工作时序示意图
图中：1-爆震燃烧室，2-共轨供油管，3-供油环管，4-旋转阀，5-燃油预热腔，6-火花塞，7-同轴喷嘴，8-DDT段，9-爆震传播段，10-喷注孔，11-发汗冷却小孔，12-密封圈
具体实施方式
现结合具体实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例如图1～4所示，本发明提出一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，图1为本发明的结构示意图，包括爆震燃烧室(1)、共轨供油管道(2)、供油环管(3)、旋转阀(4)、燃油预热腔(5)、火花塞(6)、同轴喷嘴(7)等，其中爆震燃烧室(1)沿来流方向依次分为DDT段(8)与爆震传播段(9)两部分，图2为沿环形供油管路环管轴线的截面，图3和图4分别为喷注孔(10)和发汗冷却小孔(11)的剖面细节示意图；从油箱引出的共轨供油管道(2)的前段与爆震燃烧室(1)前端的DDT段(8)之间依靠供油环管(3)连接，同时后端直接与燃油预热腔(5)相连，其中一根供油管道(2)还与爆震燃烧室(1)头部的同轴喷嘴(7)相连为其外环油路供油；供油环管(3)的环面与爆震燃烧室(1)轴线垂直，且环管的中心位于爆震燃烧室(1)中轴线上；供油环管(3)从周向上每隔60°伸出支管与DDT段(8)上的喷注孔(10)通过旋转阀(4)连接，支管末端还装有密封圈(12)，以免燃油泄漏；旋转阀(4)为两端开放的直管，其上沿轴向与周向均布有通孔，旋转阀(4)与爆震燃烧室(1)同轴安装，轴线平行于来流方向，以外接电源为动力旋转工作，工作过程中旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)在有部分面积重合时，燃油被容许通过，此时定义为旋转阀(4)的“开启”状态；当旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)不存在重合面积时，定义为旋转阀(4)的“关闭”状态。
图1所示的本实施例中DDT段(8)表面设有60个喷注孔(10)，喷注孔(10)沿轴向和周向均布，每周分布有6个喷注孔(10)，轴向上共计10排喷注孔(10)，轴向上相邻两排小孔的间距为30mm，孔径为1mm；爆震传播段(9)表面设有1416个发汗冷却小孔(11)，发汗冷却小孔(11)沿轴向和周向均布，每周分布有24个发汗冷却小孔(11)，轴向上共计59排发汗冷却小孔(11)，轴向上相邻两排小孔的间距为5mm，孔径为0.05mm。
如图5的系统工作时序示意图所示，工作过程中DDT段(8)的燃油喷注情况由旋转阀(4)控制；同轴喷嘴(7)与爆震传播段(9)的燃油喷注采用无阀自适应的方式控制，爆震波传播过后爆震燃烧室(1)内压力较高时燃油不再进入爆震燃烧室(1)，爆震波传出尾部后随着排气过程的进行，爆震燃烧室(1)内压力降低，燃油恢复流入。
工作时PDRE的工作频率由旋转阀(4)的工作频率和火花塞(6)的点火频率共同决定，旋转阀(4)每两次“开启”状态间的间隔时长即为PDRE的工作周期，也是火花塞(6)相邻两次点火的间隔时长。工作时氧化剂和少量燃油从同轴喷嘴(7)流入，在燃烧室前端形成可爆混合物；较大部分燃油从DDT段(8)沿程的喷注孔(10)流入，射流压力较大、贯穿距离较远，能够有效地起到扰流的作用，增大湍流度，起到代替固体DDT装置的作用，在DDT段(8)内加速缓燃向爆震的转变，燃油射流破碎后与氧化剂掺混，在DDT段(8)内形成可爆混合物；其余燃油流入燃油预热腔(5)内，与壁面发生换热，在油泵加压和壁面换热的共同作用下燃油的温度和压力都超过临界点，燃油在预热腔(5)内相变为超临界态，在压差作用下经发汗冷却小孔(11)流入爆震传播段(9)，由于爆震室内进行排气过程时的压力较低，超临界态下的燃油压力骤降，在靠近壁面处发生闪蒸，吸收管壁的热量，之后与轴向流入的氧化剂混合，在爆震传播段(9)内形成可爆混气。以上就完成了整个爆震燃烧室(1)内可爆混气的填充。随着旋转阀(4)的继续旋转，旋转阀(4)上的通孔与DDT段上喷注孔(10)不存在重合面积后，旋转阀(4)“关闭”，不再向DDT段(8)内供油，通过火花塞(6)引燃头部混气，火焰在湍流度极高的DDT段(8)内加速形成爆震波，扫过爆震传播段(9)之后传出管口。之后管内的高温高压燃气排出爆震燃烧室(1)产生推力。
Claims (7)
1.一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：结构包括爆震燃烧室(1)、共轨供油管道(2)、供油环管(3)、旋转阀(4)、燃油预热腔(5)、火花塞(6)、同轴喷嘴(7)等，其中爆震燃烧室(1)沿来流方向依次分为DDT段(8)与爆震传播段(9)两部分；从油箱引出的共轨供油管道(2)的前段与爆震燃烧室(1)前端的DDT段(8)之间依靠供油环管(3)连接，同时后端直接与燃油预热腔(5)相连，其中一根供油管道(2)还与爆震燃烧室(1)头部的同轴喷嘴(7)相连为其外环油路供油；供油环管(3)的环面与爆震燃烧室(1)轴线垂直，且环管的中心位于爆震燃烧室(1)中轴线上；供油环管(3)从周向上每隔60°伸出支管与DDT段(8)上的喷注孔(10)通过旋转阀(4)连接，支管末端还装有密封圈(12)，以免燃油泄漏；旋转阀(4)为两端开放的直管，其上沿轴向与周向均布有通孔，旋转阀(4)与爆震燃烧室(1)同轴安装，轴线平行于来流方向，以外接电源为动力旋转工作，工作过程中旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)在有部分面积重合时，燃油被容许通过，此时定义为旋转阀(4)的“开启”状态；当旋转阀(4)上通孔与DDT段(8)上喷注孔(10)不存在重合面积时，定义为旋转阀(4)的“关闭”状态。
2.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的爆震燃烧室(1)整体是长径比24～26的一端封闭一端开放的圆柱筒状，封闭端壁上有同轴喷嘴(7)的安装位置，在爆震燃烧室(1)前部的DDT段(8)约长10倍管径，DDT段(8)上沿周向与轴向阵列有若干个喷注孔(10)，孔轴线与爆震燃烧室(1)轴线成15°倾角，孔径约为1mm；在后部的爆震传播段(9)上，沿周向与轴向阵列有若干个发汗冷却小孔(11)，发汗冷却小孔(11)的轴线与爆震燃烧室(1)轴线垂直，爆震传播段(9)在出口附近不再设置小孔。
3.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的共轨供油管道(2)为内径10mm的长直管道，其长度视爆震燃烧室(1)的轴向尺寸决定，其入口连接高压油泵，出口分别与同轴喷嘴(7)、供油环管(3)和燃油预热腔(5)依靠球形接头密封连接，由以上三路将来自高压油泵的燃油供入爆震燃烧室(1)内，燃油喷入爆震燃烧室(1)后与由同轴喷嘴(7)喷入燃烧室的氧化剂掺混形成可爆混合物。
4.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的供油环管(3)环形部分的直径略大于旋转阀(4)直径，与旋转阀(4)间靠支管接触，支管的内径与旋转阀(4)上通孔、DDT段(8)上喷注孔(10)直径均相同，且支管与DDT段(8)上外壁上喷注孔(10)始终中心对齐。
5.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的旋转阀(4)整体为两端开口的圆筒形，和爆震燃烧室(1)同轴安装在DDT段(8)的外壁面上，轴向长度略短于DDT段(8)，旋转阀(4)表面沿轴向等距设有若干排深1mm的沟槽，便于定位安装供油环管(3)，沟槽内沿周向阵列有若干个通孔，通孔的数目、直径与相对间距均与DDT段(8)上喷注孔(10)相同，旋转阀(4)处在“开启”状态时，燃油能从旋转阀(4)上通孔通过。
6.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的燃油预热腔(6)安装在爆震燃烧室(1)后段上，与爆震燃烧室(1)采用焊接方式严密连接，轴向长度略短于爆震传播段(9)，燃油预热腔(6)的内壁面与爆震燃烧室(1)的爆震传播段(9)的外壁面重合，这一壁面上沿轴向与周向均布有发汗冷却小孔(11)，孔径不大于0.05mm，为保证冷却效果轴向上相邻孔排的间距不超过5mm，周向上相邻小孔的间距不大于15°；为避免结焦产物堵塞发汗冷却小孔(11)，燃油预热腔(6)内部壁面采用惰性涂层处理材料表面以抑制结焦。
7.根据权利要求1所述的一种有益于壁面冷却与起爆的脉冲爆震火箭发动机供油方案，其特征在于：所述的同轴喷嘴(7)类型为气液同轴直射式喷嘴，其中心孔与氧化剂贮存单元连接，外侧环缝与共轨供油管道(2)连接，燃油与氧化剂在爆震燃烧室(1)前端附近发生掺混，形成可爆混合物。
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