CN110195881A - 具有旋转爆震燃烧系统的发动机 - Google Patents

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Abstract

一种布雷顿循环发动机，包括内壁组件，该内壁组件在其上游限定从纵向壁延伸到气体流径中的爆震燃烧区域。致动器调整爆震燃烧区域进入气体流径中的深度。一种用于运行发动机的方法包括：使氧化剂流过气体流径；经由内壁捕获氧化剂流的一部分；使第一燃料流流至捕获的氧化剂流；经由第一燃料流和捕获的氧化剂流的混合物产生旋转的爆震气体；使爆震气体的至少一部分向下游流动以与氧化剂流混合；使第二燃料流流至爆震气体和氧化剂的混合物；以及喷燃第二燃料流和爆震气体/氧化剂混合物的混合物。

Description

具有旋转爆震燃烧系统的发动机
技术领域
本主题涉及用于布雷顿循环机器的连续爆震燃烧系统。
背景技术
包括燃气涡轮、冲压式喷气发动机和超燃冲压式喷气发动机的推进系统通常使用爆燃燃烧系统来喷燃燃料/氧化剂混合物以产生燃烧气体，燃烧气体膨胀并释放以产生推力。虽然这种推进系统通过稳定地改进构件效率以及增大压力比和峰值温度已达到高水平的热力学效率，但是本领域仍然乐意接受进一步的改进。
更特别地，大体上期望进一步改进燃烧过程的稳定性。更确切地说，对于应用于燃气涡轮推力增强器/后燃器或涡轮间喷燃器系统、冲压式喷气发动机和超燃冲压式喷气发动机的燃烧系统而言，进一步的改进是期望的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地得到阐述，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而习知。
本公开涉及布雷顿循环发动机和运行方法。发动机包括沿纵向方向延伸的纵向壁。纵向壁限定发动机的气体流径。内壁组件从纵向壁延伸到气体流径中。内壁组件在内壁组件上游的气体流径中限定爆震燃烧区域。构造成调整气体流径的横截面面积的致动器调整爆震燃烧区域进入气体流径中的深度。用于运行发动机的方法包括：使氧化剂通过气体流径流至燃烧区段中；经由延伸到气体流径的深度的内壁捕获氧化剂流的一部分；使第一燃料流流至经由内壁捕获的氧化剂流的部分；在内壁上游经由第一燃料流和氧化剂的部分的混合物产生爆震气体的旋转爆震波；使爆震气体的至少一部分向下游流动并使爆震气体与氧化剂流混合；使第二燃料流流至爆震气体和氧化剂流的混合物；以及喷燃第二燃料流、爆震气体和氧化剂流的混合物以产生推力。
在各种实施例中，用于运行发动机的方法包括基于发动机的运行状态调整气体流径的横截面面积。在一个实施例中，调整气体流径的横截面面积包括至少基于发动机的运行状态调整第一燃料流的压力、流量或温度中的一个或多个。在另一个实施例中，发动机的运行状态至少基于燃烧区段处的氧化剂流的压力、温度或流速。在另外各种实施例中，调整气体流径的横截面面积包括至少基于发动机的运行状态调整内壁进入气体流径的深度。在一个实施例中，在气体流径的深度的大致0％和大致35％之间调整内壁进入气体流径中的深度。在另一个实施例中，调整内壁进入气体流径中的深度还至少基于用以产生旋转爆震波的期望的最小数量的爆震单元。
在用于运行发动机的方法的一个实施例中，喷燃第二燃料流、爆震气体和氧化剂流的混合物以产生推力包括爆燃燃烧过程。
在另一个实施例中，燃烧区段处的氧化剂流限定通过气体流径的超音速轴向速度，从而在气体流径中产生来自氧化剂流的斜震波。
在各种实施例中，用于运行发动机的方法还包括基于发动机的运行状态调整斜震波的分布。在一个实施例中，调整斜震波的分布包括调整内壁进入气体流径的深度。
在其它各种实施例中，致动器联接到内壁组件。致动器调整内壁组件在气体流径中的深度。在一个实施例中，致动器使内壁组件在气体流径的深度的大致0％和大致35％之间延伸。在另外的其它实施例中，内壁组件包括从纵向壁延伸到气体流径中的上游面，以及从纵向壁延伸并联接到气体流径中的上游面的下游面。下游面相对于纵向壁成角度设置。在一个实施例中，致动器调整下游面相对于纵向壁的角度。在另一个实施例中，下游壁相对于纵向壁在大致10度与大致80度之间。在又一个实施例中，内壁组件的上游面限定第一燃料喷射端口，其向爆震燃烧区域提供第一燃料流。在再一个实施例中，内壁组件的下游面限定第二燃料喷射端口，其在爆震燃烧区域的下游提供第二燃料流。在各种实施例中，纵向壁限定第一燃料喷射端口，其向爆震燃烧区域提供第一燃料流。
技术方案1. 一种用于运行布雷顿循环发动机的方法，所述方法包括：
使氧化剂通过气体流径流至燃烧区段中；
经由延伸到所述气体流径的深度的内壁捕获所述氧化剂流的部分；
使第一燃料流流至经由所述内壁捕获的所述氧化剂流的所述部分；
在所述内壁上游经由所述第一燃料流和氧化剂的所述部分的混合物产生爆震气体的旋转爆震波；
使所述爆震气体的至少一部分向下游流动并将所述爆震气体与所述氧化剂流混合；
使第二燃料流流至爆震气体和所述氧化剂流的所述混合物；以及
喷燃所述第二燃料流、所述爆震气体和所述氧化剂流的混合物以产生推力。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述发动机的运行状态调整所述气体流径的横截面面积。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，调整所述气体流径的所述横截面面积包括：
至少基于所述发动机的运行状态调整所述第一燃料流的压力、流量或温度中的一个或多个。
技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述发动机的所述运行状态至少基于所述燃烧区段处的所述氧化剂流的压力、温度或流速。
技术方案5. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，调整所述气体流径的所述横截面面积包括：
至少基于所述发动机的运行状态调整所述内壁进入所述气体流径的深度。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，在所述气体流径的深度的大致0％与大致35％之间调整所述内壁进入所述气体流径中的所述深度。
技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，调整所述内壁进入所述气体流径中的所述深度还至少基于用以产生所述旋转爆震波的期望的最小数量的爆震单元。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，喷燃所述第二燃料流、所述爆震气体和所述氧化剂流的所述混合物以产生推力包括爆燃燃烧过程。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述燃烧区段处的所述氧化剂流限定通过所述气体流径的超音速轴向速度，从而在所述气体流径中产生来自所述氧化剂流的斜震波。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述发动机的运行状态调整所述斜震波的分布。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，调整所述斜震波的所述分布包括：
调整所述内壁进入所述气体流径的深度。
技术方案12. 一种布雷顿循环发动机，所述发动机包括：
沿纵向方向延伸的纵向壁，其中所述纵向壁限定所述发动机的气体流径；
从所述纵向壁延伸到所述气体流径中的内壁组件，其中所述内壁组件在所述内壁组件上游的所述气体流径中限定爆震燃烧区域；以及
致动器，其构造成调整所述气体流径的横截面面积，并且进一步其中，所述致动器调整所述爆震燃烧区域进入所述气体流径中的深度。
技术方案13. 根据技术方案12所述的发动机，其特征在于，所述致动器联接到所述内壁组件，其中所述致动器调整所述内壁组件在所述气体流径中的深度。
技术方案14. 根据技术方案13所述的发动机，其特征在于，所述致动器使所述内壁组件在所述气体流径的深度的大致0％和大致35％之间延伸。
技术方案15. 根据技术方案13所述的发动机，其特征在于，所述内壁组件包括：
从所述纵向壁延伸到所述气体流径中的上游面；以及
从所述纵向壁延伸并联接到所述气体流径中的所述上游面的下游面，其中所述下游面相对于所述纵向壁成角度设置。
技术方案16. 根据技术方案15所述的发动机，其特征在于，所述致动器调整所述下游面相对于所述纵向壁的所述角度。
技术方案17. 根据技术方案15所述的发动机，其特征在于，所述下游壁相对于所述纵向壁在大致10度与大致80度之间。
技术方案18. 根据技术方案15所述的发动机，其特征在于，所述内壁组件的所述上游面限定第一燃料喷射端口，所述第一燃料喷射端口向所述爆震燃烧区域提供第一燃料流。
技术方案19. 根据技术方案15所述的发动机，其特征在于，所述内壁组件的所述下游面限定第二燃料喷射端口，所述第二燃料喷射端口在所述爆震燃烧区域的下游提供第二燃料流。
技术方案20. 根据技术方案12所述的发动机，其特征在于，所述纵向壁限定所述第一燃料喷射端口，所述第一燃料喷射端口向所述爆震燃烧区域提供第一燃料流。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求而变得更好理解。并入且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了针对本领域技术人员的本发明的完整且充分的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1A-1B是根据本公开的方面的二维构造发动机的示例性实施例的纵截面视图；
图2A-2B是根据本公开的方面的轴对称构造发动机的示例性实施例的纵截面视图；
图3A是图1A-1B的二维构造发动机沿截面3A-3A的示例性实施例的横截面视图；
图3B是图2A的轴对称构造发动机沿截面3B-3B的示例性实施例的横截面视图；
图3C是图2B的轴对称构造发动机沿截面3C-3C的示例性实施例的横截面视图；
图4是根据本发明的方面的大体上在图1A-1B和图2A-2B中提供的发动机的燃烧区段的示例性实施例的详细纵截面视图；
图5A-5B是根据本公开的方面的大体上在图1A-1B和图2A-2B中提供的发动机的燃烧区段的示例性实施例的详细纵截面视图；
图6A是大体上在图4和图5A-5B中提供的处于完全延伸位置的燃烧区段的部分的示例性实施例的纵截面视图；
图6B是大体上在图6A中提供的处于部分延伸位置的燃烧区段的部分的示例性实施例的纵截面视图；
图7A是根据本公开的方面的二维构造发动机的示例性实施例的纵截面视图；
图7B是根据本公开的方面的轴对称构造发动机的示例性实施例的纵截面视图；
图8A是大体上在图4、图5A-5B和图7A-7B中提供的处于完全延伸位置的燃烧区段的部分的示例性实施例的纵截面视图；
图8B是大体上在图8A中提供的处于完全缩回位置的燃烧区段的部分的示例性实施例的纵截面视图；
图9是根据本公开的方面的大体上在图1A-1B、图2A-2B和图7A-7B中提供的发动机的燃烧区段的另一示例性实施例的详细纵截面视图；
图10A是作为示例性二维构造的大体上在图9中提供的详细视图的横截面视图；
图10B是作为示例性轴对称构造的大体上在图9中提供的详细视图的横截面视图；
图11是根据本发明的方面的发动机的另一示例性轴对称横截面视图；以及
图12是概述用于运行布雷顿循环发动机的方法的示例性步骤的流程图。
本说明书和附图中的参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
部件列表
10 布雷顿循环发动机("发动机")
12 轴向中心线
20 入口区段
21 轮廓
30 排气区段
31 喷嘴
78 第一燃料流
79 第二燃料流
81 氧化剂流
81(a) (捕获的)氧化剂流的部分[在内壁组件120的上游面121处捕获的氧化剂流81的部分]
81(b) (未捕获的)氧化剂流的部分[在区域125中未由内壁组件120捕获的]
81(c) ***在图4中但未在申请中***
82 燃烧气体
90 气体流径
100 燃烧区段
110 纵向壁
111 第一纵向壁
112 第二纵向壁
119 末梢
120 内壁组件
121 上游面
122 下游面
123 第二燃料喷射端口
124 第一燃料喷射端口
125 爆震燃烧区域("区域")[在内壁组件120的上游，限定蔽护腔；邻近上游面121和纵向壁110]
125(a) 第一旋转爆震燃烧区域("第一区域")
125(b) 第二旋转爆震燃烧区域("第二区域")
126 爆震气体
127 爆震波
127(a) 第一爆震波
127(b) 第二爆震波
128 锐角[从纵向壁110朝上游面121]
129 角度[纵向壁110与上游面121之间]
130 支柱
131 前壁
132 后壁
133 轴向壁
140 上游壁组件
141 [上游壁组件140的]第一面
142 [上游壁组件140的]第二面
150 致动器
1000 用于运行布雷顿循环发动机的方法
1002 使氧化剂(例如，氧化剂81)通过气体流径(例如，气体流径90)流至燃烧区段(例如，燃烧区段100)中
1004 经由延伸到气体流径的深度(例如，气体流径90的深度D)的内壁(例如，内壁组件120)捕获氧化剂流的部分(例如，氧化剂81(a))
1006 使第一燃料流(例如，燃料78)流至经由内壁捕获的氧化剂流的部分(例如，氧化剂81(a))
1008 在内壁上游经由第一燃料流和氧化剂的部分的混合物产生爆震气体的旋转爆震波(例如，爆震波127)
1010 使爆震气体的至少一部分(例如，爆震气体126)向下游流动并使爆震气体与氧化剂流(例如，氧化剂81(b))混合
1012 使第二燃料流(例如，燃料79)流至爆震气体和氧化剂流的混合物
1014 喷燃第二燃料流、爆震气体和氧化剂流的混合物以产生燃烧气体(例如，燃烧气体82)以产生推力
1016 基于发动机的运行状态调整气体流径的横截面面积
1018 至少基于发动机的运行状态调整第一燃料流的压力、流量或温度中的一个或多个
1020 至少基于发动机的运行状态调整内壁进入气体流径的深度
1022 基于发动机的运行状态调整斜震波的分布
1024 调整内壁进入气体流径的深度
1026 调整上游壁(例如，上游壁组件140)进入气体流径的深度
1028 经由设置在内壁上游的上游壁(例如，上游壁组件140)调整至内壁的氧化剂流
1030 至少基于发动机的运行状态调整上游壁进入气体流径的深度
3A-3A 截面[描绘图3A中的示例性横截面实施例]
3B-3B 截面[描绘图3B中的另一示例性横截面实施例]
3C-3C 截面[描绘图3C中的另一示例性横截面实施例]
A ***在图11中但未在申请中***
C (环或)周向方向
D 深度
H 高度
L 纵向方向
W 宽度。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。各个示例通过阐释本发明而非限制本发明的方式被提供。实际上，本领域技术人员将清楚的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，意在本发明覆盖归入所附权利要求书和其等效方案的范围内的此类改型和变型。
如本文使用的用语"第一"、"第二"和"第三"可被可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不意在表示独立构件的位置或重要性。
用语"前"和"后"是指热力发动机或交通工具内的相对位置，并且指热力发动机或交通工具的正常运行姿态。例如，关于热力发动机，前指更靠近热力发动机入口的位置，而后指更靠近热力发动机喷嘴或排气口的位置。
用语"上游"和"下游"指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，且"下游"指示流体流至的方向。
单数形式"一"、"一种"和"该"包括复数引用，除非上下文清楚地另外指出。
如本文遍及说明书和权利要求书使用的近似语言用于修饰可允许在不导致其所涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个用语如"约"、"大致"和"基本上"修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于测量值的仪器的精度，或构造或制造构件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可指在10%的裕度内。
这里和遍及说明书和权利要求书，范围限制被组合和互换。此范围被识别，且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。例如，本文公开的所有范围都包含端点，且端点可与彼此独立地组合。
大体上提供了发动机和燃烧区段的实施例，其改进大体上包括涡轮间喷燃器或后燃排气系统或管道喷燃器的冲压式喷气发动机和超燃冲压式喷气发动机以及燃气涡轮发动机的燃烧稳定性和性能。本文大体上提供的发动机的各种实施例在主燃烧过程(如常规或爆燃燃烧过程)的上游限定旋转爆震燃烧区域。在各种实施例中，旋转爆震燃烧区域大体上可用作下游常规燃烧过程的引燃器，以便改进发动机的燃烧区段的稳定性和性能。此外，大体上提供的发动机的实施例可经由调节旋转爆震燃烧区域和常规燃烧过程之间的燃料分配来实现气体流径的横截面面积变化，从而使燃烧区段能够在气体流径中的一定范围或多个动态压力内运行，这与大致恒定的q路径相反。
现在参照附图，图1A-1B和图2A-2B是示例性布雷顿循环发动机(下文称为"发动机10")的纵截面视图。发动机10的各种实施例可大体上限定冲压式喷气发动机、超燃冲压式喷气发动机、用于燃气涡轮发动机的涡轮间喷燃器或后燃器/推力增强器、或管道喷燃器。因此，尽管本文大体上提供的发动机10可基本上限定超音速燃烧冲压式喷气发动机或超燃冲压式喷气发动机(例如，图1A、图2A)或亚音速燃烧冲压式喷气发动机(例如，图1B、图2B)，但是各种实施例可限定如燃气涡轮发动机的发动机的部分，以便提供涡轮间推力、后燃推力，或多循环机器(例如，与燃气涡轮发动机结合的冲压式喷气发动机或超燃冲压式喷气发动机)。
参照图1A-1B和图2A-2B，发动机10沿纵向方向L限定成串流布置的入口区段20、燃烧区段100和排气区段30。发动机10包括沿纵向方向L延伸的纵向壁110。纵向壁110至少部分地限定发动机10的气体流径90。例如，纵向壁110沿纵向方向L延伸并且轮廓设计成限定发动机10的燃烧区段100。纵向壁110可进一步沿纵向方向L延伸并且轮廓设计成限定发动机10的入口区段20。
例如，参照图1A-1B和图2A-2B，入口区段20轮廓大体上设计成允许氧化剂流(由箭头81示意性地示出)进入发动机10以经由气体流径90流至燃烧区段100。在图1A和图2A中，发动机10大体上限定超燃冲压式喷气发动机，以便允许超音速氧化剂流81进入发动机10的气体流径90并且在燃烧区段100处保持大于1马赫的轴向速度。在图1B和图2B中，发动机10大体上限定冲压式喷气发动机，以便允许氧化剂流81流发动机10中，包括超音速流。然而，纵向壁110限定轮廓，以便将燃烧区段100上游的氧化剂流81减速到亚音速轴向速度(即，小于1马赫)，如大体上在轮廓21处描绘的。
仍然参照图1B，大体上描绘的发动机10的纵向壁110进一步限定轮廓，以便在排气区段30处限定喷嘴31。喷嘴31使通过气体流径90的来自燃烧区段100的燃烧气流(示意性地由箭头82示出)加速，以产生推力。喷嘴31可至少基于发动机10的期望的运行空气速度范围限定会聚喷嘴或会聚-扩散喷嘴。
在大体上在图1A-1B中提供的实施例中，发动机10限定二维构造，如关于描绘了图1A-1B的截面3A-3A处的示例性横截面实施例的图3A进一步详述的。如图3A中大体上描绘的，发动机10的示例性二维构造限定宽度W和高度H。在大体上关于图1A-1B和图3A提供的实施例中，纵向壁110可沿宽度W和高度H进一步延伸，以便限定气体流径90的基本上矩形的横截面。作为另一示例，宽度W和高度H可大致相等，以便限定基本上正方形的横截面区域。
在其它实施例中，如大体上在图2A-2B中提供的，发动机10相对于沿纵向方向L延伸的参考轴向中心线12限定大体上轴对称的构造。大体上关于图3B-3C描绘和描述了截面3B-3B(图2A)和截面3C-3C(图2B)处的另外的横截面实施例。在如大体上关于图2A-2B和图3B-3C提供的各种实施例中，纵向壁110可环形地围绕轴向中心线12延伸，以便限定气体流径90的基本上圆形或环形的横截面。
现在参照图1A-1B、图2A-2B和图3A-3C，并且进一步结合图4中提供的示例性详细视图，发动机10还包括延伸到气体流径90中的内壁组件120。内壁组件120在内壁组件120的上游面121处部分地阻挡或捕获氧化剂流81的部分(如由箭头81(a)示意性示出的)。内壁组件120在内壁组件120的上游限定以圆125示意性示出的区域。更特别地，如限定蔽护腔的区域125限定成邻近上游面121和纵向壁110。由箭头78示意性示出的第一燃料流在区域125处与氧化剂的捕获部分81(a)混合(关于图5A-5B进一步示出和描述)。然后用高能源点燃该燃料-氧化剂混合物以形成爆震波，如图3A-3C中的箭头127示意性示出的。
结合图1A-1B、图2A-2B和图3A-3C仍然参照图4，由箭头126示意性示出的来自爆震波127(图3A-3C)的一部分爆震气体离开区域125并与未由内壁组件120在区域125中捕获的氧化剂流81(b)混合。当爆震气体126和氧化剂81(b)向内壁组件120的上游面121的下游流动时，通过进入气体流径90的内壁组件120的下游壁122提供由箭头79示意性示出的第二燃料流。爆震气体126、氧化剂81(b)和燃料79混合并被喷燃以产生燃烧气体82，其进一步提供推力，如前文所描述的。在各种实施例中，爆震气体126，氧化剂81(b)和燃料79的混合物可作为爆燃燃烧过程或爆震燃烧过程被混合和喷燃。
如本文描述的内壁组件120可通过经由控制提供至区域125内的爆震过程的第一燃料流78的流速来控制爆震气体126的产生，而改进包括氧化剂81(b)和第二燃料流79的下游燃烧过程的稳定性。例如，第一燃料流78和氧化剂81(a)的部分可一起改变内壁组件120下游的燃料/氧化剂混合物。作为另一个示例，捕获氧化剂81(a)的部分并提供第一燃料流78的内壁组件120可限定燃烧区段100的引燃器控制，以便在氧化剂流81的各种流速、压力或温度下改进整体燃烧稳定性、性能或可运行性。作为又一个示例，内壁组件120大体上使得独立的空气动力学方法能够经由第一燃料流78的变化以及第一燃料流78相对于第二燃料流79的变化来沿气体流径90提供区域变化。因此，内壁组件120使得发动机10能够在氧化剂流81的多个动态压力下运行，而不是限制为通过气体流径90的大致恒定的体积流速。
返回参照图4，内壁组件120还可限定延伸到气体流径90中的末梢119。在各种实施例中，末梢119至少部分地朝向发动机10的上游端(即，朝向入口区段20)延伸。末梢119可限定在进入气体流径90的内壁组件120的上游面121的最内端。例如，末梢119大体上可大致限定在上游面121和下游面122联接的位置处。在各种实施例中，相对于如图3A中大体上提供的二维实施例，末梢119限定沿宽度W和/或高度H延伸(即，沿纵向方向L的长度处的横截面)的波形。作为其它实施例，相对于如图3B-3C中大体上提供的轴对称实施例，末梢119限定沿环或周向方向C延伸的波形。在另外各种实施例中，末梢119限定正弦波、三角波、箱形波、锯齿波或其组合。
返回参照大体上关于图2A-2B和图3B-3C提供的发动机10的大体上轴对称构造，纵向壁110可进一步限定第一纵向壁111，第一纵向壁111限定在第二纵向壁112的径向外侧。第一纵向壁111和第二纵向壁112中的各个基本上如关于纵向壁110示出和描述的那样构造。例如，在如图2A和图3B中大体上示出的发动机10和纵向壁110的一个实施例中，内壁组件120可从第一纵向壁111或第二纵向壁112中的一个或多个延伸到气体流径90中。
从第一纵向壁111延伸的内壁组件120可限定第一旋转爆震燃烧区域125(a)。从第二纵向壁112延伸的内壁组件120可限定第二旋转爆震燃烧区域125(b)。如图2A和图3B中大体上描绘的，第一区域125(a)大体上限定成沿接近第一纵向壁111的外半径。第二区域125(b)大体上限定成沿接近第二纵向壁112的内半径。参照图3B，第一爆震波127(a)可传播通过第一区域125(a)，而第二爆震波127(b)可传播通过第二区域125(b)。
在一个实施例中，第一爆震波127(a)和第二爆震波127(b)同向旋转地传播，即，第一爆震波127(a)和第二爆震波127(b)沿围绕轴向中心线12的相同周向方向C传播。在另一实施例中，第一爆震波127(a)和第二爆震波127(b)反向旋转地传播，即，第一爆震波127(a)和第二爆震波127(b)沿围绕轴向中心线12的周向方向C彼此相反地传播。在各种实施例中，爆震波127可顺时针或逆时针传播通过气体流径90。
应当认识到，除非另有说明，否则本文和全文中的爆震波127的描述和描绘大体上适用于第一爆震波127(a)和第二爆震波127(b)。此外，应当认识到，除非另有说明，否则本文和全文中的纵向壁110的描述和描绘大体上适用于第一纵向壁111和第二纵向壁112。此外，应当认识到，除非另有说明，否则本文和全文中的区域125的描述和描绘大体上适用于第一区域125(a)和第二区域125(b)。
现在参照图5A-5B，大体上提供了图1A-1B、2A-2B、3A-3C和4中大体上描绘的发动机10的燃烧区段100的部分的另外的示例性实施例。图5A-5B中描绘的实施例进一步详述了提供第一燃料流78的第一燃料喷射端口124和提供第二燃料流79的第二燃料喷射端口123的实施例，如前文描述的。在各种实施例中，第二燃料喷射端口123限定成穿过内壁组件120的下游壁122，以提供第二燃料流79。例如，第二燃料喷射端口123大体上在内壁组件120处或下游提供第二燃料流79。第二燃料喷射端口123大体上可提供第二燃料流79以与氧化剂流81(b)混合，用于常规或爆燃燃烧过程。在各种实施例中，在爆震燃烧区域125下游的常规燃烧过程可限定主喷燃或燃烧过程，以便实现发动机10的高功率或最大功率运行。在另外各种实施例中，第一燃料喷射端口124可独立于第二燃料喷射端口123受控制，以便提供不同于第二燃料流79的第一燃料流78的压力、流量或温度。
在发动机10的一个实施例中，第一燃料喷射端口124限定成穿过纵向壁110。例如，第一燃料喷射端口124可限定成穿过内壁组件120上游的纵向壁110，以便大致垂直于通过气体流径90的氧化剂流81将第一燃料流78提供至区域125中。作为另一个示例，第一燃料喷射端口限定成大体上邻近区域125，如在内壁组件120的上游面121的上游并邻近内壁组件120的上游面121。
在发动机10的另一个实施例中，第一燃料喷射端口124限定成穿过内壁组件120的上游面121。例如，第一燃料喷射端口124可限定成穿过上游面121，以便大致平行于通过气体流径90的氧化剂流81将第一燃料流78提供至区域125中。在各种实施例中，上游面121相对于氧化剂流81通过气体流径90的方向成角度设置。因此，第一燃料喷射端口124可另外限定成相对于氧化剂流81通过气体流径90的方向成锐角，如大体上对应于上游面121的锐角。
参照图5A中提供的示例性实施例，上游面121如沿深度D延伸到气体流径90中。在一个实施例中，上游面121限定为基本上凹入的。例如，上游面121朝向下游面122突出。凹入的上游面121可限定凹部或蔽护腔，从而支持爆震波127(图3A-3C)传播所在的区域125。参照图5A-5B，上游面121和下游面122联接所在的点或部分可大致等于(例如，图5B)上游面121和纵向壁110联接所在的点或部分，或沿纵向方向L在上游面121和纵向壁110联接所在的点或部分前方。因此，内壁组件120的上游面121可允许捕获氧化剂流的部分81(a)以在区域125内产生爆震波127(图3A-3C)。
参照图5B中大体上提供的示例性实施例，上游面121可基本上向内延伸到气体流径90中。例如，上游面121可相对于纵向壁110大致垂直地延伸到气体流径90中。在其它实施例中，如在纵向壁110相对于参考纵向方向L倾斜(即，不平行)的情况下，上游面121可相对于参考纵向方向L大致垂直地延伸到气体流径90中。因此，纵向壁110与上游面121之间的角度129可在大致45度和大致135度之间。在各种实施例中，角度129可为大致90度。
现在参照大体上在图4和图5A-5B中提供的实施例，上游面121可从纵向壁110沿参考深度D延伸到气体流径90中。在如限定大体上在图1A-1B中提供的发动机10的二维气体流径90的各种实施例中，参考深度D基于气体流径90的高度H或宽度W(图3A-3C)。内壁组件120的上游面121基于在区域125处维持旋转爆震所需的最小数量的单元而在参考深度D处延伸到气体流径90中。爆震单元的特征在于单元宽度(λ)取决于燃料的类型(例如，液体或气体氢或烃燃料，或其组合)和氧化剂的类型(例如，空气或氧)，和在区域125处的反应物(即，燃料78和氧化剂81(a))的压力和温度以及反应物的化学计量(φ)。对于燃料78和氧化剂81(a)的各种组合，且对于化学计量大于或小于1.0，单元大小随着压力和温度的增加而减小。由于单元宽度可从最低稳态运行状态到最高稳态运行状态减小20倍或更多，故燃料78的流速至少基于进入区域125的氧化剂81(a)的压力、流量或温度来调节，以便在发动机10的多个运行状态下提供足可维持的爆震单元大小。
此外，可基于燃料78进入区域125所到达的期望位置来调节第一燃料流78。例如，在一个实施例中，第一燃料喷射端口124可限定成穿过上游面121和纵向壁110。因此，燃料78可通过上游面121和纵向壁110调节，以便限定通过上游面121或纵向壁110中的各个的不同燃料分流或流速。
仍然参照图5A-5B，在一个实施例中，上游面121沿参考深度D从纵向壁110延伸到气体流径90的大致35％或更少。备选地，上游面121从纵向壁110延伸到气体流径90达等于或小于深度D的大致35％。此外，相对于上游面121从纵向壁110延伸所到达的沿纵向方向L的气体流径90的近似部分。上游面121从纵向壁110延伸到气体流径90中达等于或小于深度D的大致35％。
关于如大体上在图1A-1B和图3A中提供的发动机10的二维实施例，参考深度D可基于高度H(图3A)。在发动机10的其它二维实施例中，参考深度D可基于宽度W(图3A)。关于如大体上在图2A-2B和图3B-3C中提供的发动机10的大体上轴对称的实施例，参考深度D可为从内半径(例如，在内第二纵向壁112处)到外半径(例如，在外第一纵向壁111处)的径向距离。
在各种实施例中，上游面121从纵向壁110延伸到气体流径90中达等于或小于深度D的大致20％。在其它各种实施例中，上游面121从纵向壁110延伸到气体流径90中达等于或小于深度D的大致13%。在又一个实施例中，上游面121从纵向壁110延伸到气体流径90中达等于或小于深度D的大致7%。
仍然参照大体上在图5A-5B中提供的示例性实施例，内壁组件120的下游面122可从纵向壁110朝上游面121以锐角128延伸。在各种实施例中，角度128在大致10度和大致80度之间。在另外各种实施例中，角度128在大致30度与大致60度之间。应当认识到，在其它实施例(未示出)中，下游面122可另外限定突出到气体流径90中或朝向上游面121的凸壁或凹壁。
现在参照图6A-6B，大体上提供了发动机10的燃烧区段100的另外的示例性实施例。图6A-6B中描绘的示例性实施例构造成基本上类似于关于图1A-1B、图2A-2B、图3A-3C、图4和图5A-5B示出和描绘的实施例(因此，在前述附图上示出的特征和参考数字可不必换置到图6A-6B)。图6A-6B中描绘的实施例大体上将内壁组件120描绘为通过气体流径90提供可调整的深度D。例如，图6A将内壁组件120描绘为完全延伸到气体流径90中。作为另一个示例，图6B将内壁组件120描绘为部分地延伸到气体流径90中。如之前描述的，内壁组件120基于在区域125处维持旋转爆震所需的最小数量的爆震单元而在深度D处延伸到气体流径90中。
在各种实施例中，发动机10还包括联接到内壁组件120的致动器150，以调整内壁组件120在气体流径90中的深度D。致动器150可使内壁组件120，或更确切地说上游面121，从纵向壁110延伸到气体流径90的深度D的大致35％。致动器150可进一步使内壁组件120，或更确切地说上游面121，收回到气体流径90的深度D的大致0％。因此，致动器150可使内壁组件120收回至与纵向壁110大致齐平。
此外，内壁组件120的致动或铰接可进一步基于内壁组件120或更确切地说下游面122进入气体流径90的期望角度128。调整角度128可进一步调整第二燃料喷射端口123(图5A-5B)相对于氧化剂流81(b)设置在气体流径90中所成的角度。
在一个实施例中，内壁组件120可经由在下游面122联接到纵向壁110所在的点或部分处枢转来调整其进入气体流径90的深度D。例如，可调整下游面122从纵向壁110延伸所成的角度128，以增大或减小上游面121延伸到气体流径90中的深度D。在另一个实施例中，并且进一步关于大体上关于图2A-2B提供的发动机10的轴对称实施例，内壁组件120可经由至少部分地沿相对于轴向中心线12或气体流径90环的切向或周向方向C致动或铰接来调整其进入气体流径90的深度D。此外，联接到内壁组件120的致动器150可至少部分地沿切向或周向方向C设置内壁组件120。
在另外各种实施例(如进一步关于大体上关于图1A和图2A描述和描绘的超音速燃烧或超燃冲压式喷气发动机实施例)中，限定爆震波区域125的内壁组件120可另外影响由通过气体流径90的超音速氧化剂流81产生的斜震结构。例如，至区域125的第一燃料流78的调节将在发动机10的多个运行状态下影响斜震结构。此外，致动或铰接内壁组件120还将在发动机10的多个运行状态下影响斜震结构。因此，影响斜震可用于改进发动机10的燃烧稳定性和性能。
现在参照图7A-7B，大体上提供了发动机10的另外的示例性实施例。大体上关于图7A-7B提供的示例性实施例构造成基本上类似于关于图1A-1B、图2A-2B、图3A-3C、图4、图5A-5B和图6A-6B示出和描述的实施例。更确切地说，图7A-7B大体上描绘了发动机10的超音速燃烧构造，在该构造中，氧化剂流81以等于或高于1马赫的速度进入燃烧区段100。再更确切地说，图7A描绘了关于图1A-1B和图3A示出和描述的发动机10的大体上二维构造。此外，图7B描绘了如关于图2A-2B和图3B-3C示出和描述的发动机10的大体上轴对称构造。
图7A-7B中描绘的并且在图8A-8B中进一步描绘的发动机10的实施例还包括沿内壁组件120的纵向方向L和区域125设置在上游的上游壁组件140。上游壁组件140联接到纵向壁110并延伸到气体流径90中。上游壁组件140还可包括从纵向壁110延伸到气体流径90中的第一面141和从纵向壁110延伸并联接到第一面141的第二面142。
现在参照图8A-8B，上游壁组件140可致动或铰接在气体流径90中或在气体流径90外，以便调整第一面141的深度D。例如，图8A描绘了完全延伸到气体流径90中的上游壁组件140。图8B描绘了完全沿伸到气体流径90外的上游壁组件140。上游壁组件140可改变进入区域125的氧化剂流81的量(即，氧化剂的部分81(a)的量或量级)以产生爆震波127(图3A-3C)。改变到区域125的氧化剂流81(a)可基于发动机10的运行状态。例如，上游壁组件140可从纵向壁110延伸或收回，以控制爆震波127的强度或量级，或控制与氧化剂流81(b)和燃料79混合以产生燃烧气体82的爆震气体126的部分。
现在参照图9，大体上提供了燃烧区段100的实施例的纵截面视图。进一步参照图10A-10B和图11，大体上提供了燃烧区段100的实施例的另外的横截面视图。大体上在图9、图10A-10B和图11中提供的实施例分别构造成基本上类似于如关于图4和图3A-3B示出和描述的实施例。然而，在图9和图10A-10B中，燃烧区段100还包括在纵向壁110之间延伸到气体流径90中的支柱130。此外，内壁组件120从支柱130延伸到气体流径90中。在各种实施例中，如图10A-10B和图11中描绘的，内壁组件120联接到纵向壁110和支柱130，以便限定由纵向壁110和支柱130界定的多个区域125。
例如，在一个实施例中，支柱130沿高度H(图10A)延伸跨过气体流径90，并且联接至沿高度H(图10A)相反的纵向壁110。作为另一示例，在图10B中大体上提供的实施例中，支柱130沿深度D在纵向壁110的外半径和纵向壁110的内半径之间延伸跨过气体流径90。更确切地说，支柱130可在外半径处的第一纵向壁111和在内半径处的第二纵向壁112之间延伸。
各个支柱130大体上限定大体上彼此流体隔离的多个区域125和爆震波127。例如，燃烧区段100限定大体上流体隔离的区域125的数量相当于比支柱130的数量多一个。换句话说，数量n的支柱130产生数量n + 1的区域125。多个区域中的各个大体上与邻近区域125彼此流体隔离地限定穿过其中的爆震波127。
仍然参照图9、图10A-10B和图11，支柱130允许在燃烧区段100处产生和控制多个爆震区区域125。各个区域125在其内限定单独的爆震波127。此外，各个区域125从区域125中提供爆震气体126的部分以与氧化剂81(b)和燃料79混合。在各种实施例中，各个区域125可包括来自第一燃料喷射端口124(图5A-5B)中的两个或更多个的单独可控的燃料流78。因此，支柱130可允许限定多个不同的爆震区区域125，以便调整气体流径90内的区域125下游的温度分布。例如，多个区域125可调整跨过高度H和/或宽度W或大体上跨过深度D的温度分布，以便减小跨过气体流径90、纵向壁110或两者的温度梯度。降低温度梯度可改进发动机10的耐久性，减少发动机10的劣化或磨损，并且大体上提高可靠性。
在各种实施例中，支柱130包括前壁131、后壁132和轴向壁133。前壁131和后壁132各自延伸穿过纵向壁110之间的气体流径90的深度D。轴向壁133沿纵向方向L在前壁131和后壁132之间延伸。前壁131和后壁132沿气体流径90的深度D在纵向壁110之间延伸。例如，前壁131和后壁132可各自沿限定气体流径90的深度D的高度H(图10A和图11)延伸。作为另一个示例，前壁131和后壁132可各自沿气体流径90的深度D在第一纵向壁111和第二纵向壁112之间延伸。
支柱130的前壁131和内壁组件120的上游面121可一起限定凹槽或腔(爆震区域125设置在该凹槽或腔处)，以便限定爆震波127传播穿过其中的回路。例如，前壁131可从内壁组件120的上游面121的前方或上游从纵壁110延伸。后壁132可从上游面121的下游或后方从纵向壁110延伸。在一个实施例中，后壁132可大致从内壁组件120的下游面122与纵向壁110联接的地方延伸。
现在参照图11，大体上提供了从上游向下游看的发动机10的示例性气体流径90的视图。在各种实施例中，支柱130可至少部分地沿切向延伸穿过气体流径90。例如，参照大体上在图11中提供的发动机10的轴对称构造，支柱130沿圆周方向C部分地延伸。作为另一个示例，支柱130的轴向壁133至少部分地沿周向方向C延伸，以便相对于前壁131以不同的周向取向设置后壁132，其各自均联接到轴向壁133。因此，流过支柱130的氧化剂流81(b)和/或燃烧气体82(图9)可进一步包括沿周向方向C的涡旋。
现在参照图12，大体上提供了概述用于运行布雷顿循环发动机的示例性方法(下文中称"方法1000")的流程图。本文大体上提供的示例性步骤可在如本文关于图1-11描述并且在下面另外提及的发动机中实施。虽然本文概述的步骤可以特定顺序呈现，但是应当认识到，方法1000的步骤可在不脱离本公开的情况下被重新排序、重新排列、重排、省略或扩充。
方法1000包括在1002处使氧化剂(例如，氧化剂81)通过气体流径(例如，气体流径90)流至燃烧区段(例如，燃烧区段100)中。在1004处，方法1000包括经由延伸到气体流径的深度(例如，气体流径90的深度D)的内壁(例如，内壁组件120)捕获氧化剂流的一部分(例如，氧化剂81(a))。在1006处，方法1000包括使第一燃料流(例如，燃料78)流至经由内壁捕获的氧化剂流的部分(例如，氧化剂81(a))。在1008处，方法1000包括在内壁上游经由第一燃料流和氧化剂部分的混合物产生爆震气体的旋转爆震波(例如，爆震波127)。在1010处，方法1000包括使爆震气体的至少部分(例如，爆震气体126)向下游流动并使爆震气体与氧化剂流(例如，氧化剂81(b))混合。在1012处，方法1000包括使第二燃料流(例如，燃料79)流至爆震气体和氧化剂流的混合物。在1014处，方法1000包括喷燃第二燃料流、爆震气体和氧化剂流的混合物以产生燃烧气体(例如，燃烧气体82)以产生推力。
在各种实施例中，方法1000还包括在1016处基于发动机的运行状态调整气体流径的横截面面积。在一个实施例中，调整气体流径的横截面面积包括在1018处至少基于发动机的运行状态调整第一燃料流的压力、流量或温度中的一个或多个。在另一个实施例中，发动机的运行状态至少基于燃烧区段处的氧化剂流的压力、温度或流速。
在另外各种实施例中，调整气体流径的横截面面积包括在1020处至少基于发动机的运行状态调整内壁进入气体流径的深度。在一个实施例中，在气体流径的深度的大致0％和大致35％之间调整内壁进入气体流径中的深度。在另一个实施例中，调整内壁进入气体流径中的深度还至少基于用以产生旋转爆震波的期望的最小数量的爆震单元。
在一个实施例中，喷燃第二燃料流、爆震气体和氧化剂流的混合物以产生推力包括爆燃燃烧过程。在另一个实施例中，燃烧区段处的氧化剂流限定通过气体流径的超音速轴向速度，从而在气体流径中产生来自氧化剂流的斜震波。
在各种实施例中，方法1000还包括在1022处基于发动机的运行状态调整斜震波的分布。在一个实施例中，调整斜震波的分布包括在1024处调整内壁进入气体流径的深度。在另一个实施例中，调整斜震波的分布包括在1026处调整上游壁(例如，上游壁组件140)进入气体流径的深度。
在另外各种实施例中，方法1000还包括在1028处经由设置在内壁上游的上游壁(例如，上游壁组件140)调整至内壁的氧化剂流。在一个实施例中，调整气体流径的横截面面积还包括在1030处至少基于发动机的运行状态调整上游壁进入气体流径的深度。
本文大体上示出和描述的发动机10、燃烧区段100和方法1000的实施例可改进冲压式喷气发动机和超燃冲压式喷气发动机和燃气涡轮发动机的涡轮间或后燃器燃烧系统的燃烧稳定性。本文大体上提供的发动机10和燃烧区段100的各种实施例提供了独立的空气动力学结构和方法，以经由调节或调整提供至爆震燃烧区域125的燃料78的量与提供用于在爆震区域125下游的常规或爆燃燃烧的燃料79的量的比，来产生跨过气体流径90的横截面面积的变化。例如，本文大体上示出和描述的实施例可允许在发动机10的多个运行状态(例如，进入发动机10的氧化剂流81的不同压力、流速、温度等)下有气体流径90的横截面面积的变化。因此，大体上示出和提供的实施例可使发动机10能够有效地提供与入口区段20处进入发动机10的氧化剂流81的体积流速不同的用于常规燃烧(即，经由内壁组件120下游的燃料79)的氧化剂流81(或者更确切地说，氧化剂流81(b))的可变体积流速。
另外，如经由调节第一燃料流78以与氧化剂流81(a)的部分混合以在爆震区域125处产生爆震气体126，发动机10和方法1000的实施例可实现横截面面积变化以产生至具有被动或非移动结构的燃烧区段100用于与燃料79混合和燃烧的氧化剂流的可变体积流速。例如，内壁组件120可限定爆震区域125以捕获氧化剂流81(a)的部分并产生爆震气体126。调节燃料78以产生爆震气体126经由第二燃料流79、氧化剂流81(b)以及与爆震气体126混合来影响或稳定进一步下游的常规或爆燃燃烧过程。
另外或备选地，发动机10的实施例可提供主动结构以如经由上游壁组件140实现气体流径90的横截面面积的变化。结合内壁组件120和调节至爆震区域的第一燃料流78，上游壁组件140可影响或稳定下游的常规或爆燃燃烧过程。
此外，内壁组件120、上游壁组件140或两者可限定来自通过气体流径90的氧化剂流81的斜震波。例如，斜震波可使朝向气体流径90的中心(例如，深度D的跨距中点)的氧化剂流81的压力或温度增加。因此，斜震波进一步改进或稳定下游常规或爆燃燃烧过程。
此外，对爆震区域125提供第一燃料流78的内壁组件120可进一步改进燃烧区段100在相对低功率运行状态下的稳定性。例如，可利用进入发动机10的相对低流量的氧化剂81与燃料78混合，并且在状态下产生爆震气体126和推力，其对于经由与氧化剂流81(b)混合的第二燃料流79的常规或爆燃燃烧过程而言大体上过低或不稳定。
还此外，本文大体上提供的燃烧区段100的实施例可经由改进的燃烧性能和稳定性来减小发动机10的纵向尺寸。因此，发动机10的实施例，如冲压式喷气发动机、超燃冲压式喷气发动机、涡轮间喷燃器或后燃器/推力增强器系统可得到改进或结合到迄今为止大体上受此发动机或发动机安装至上的设备的已知尺寸或长度限制的应用中。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构要素，则此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于运行布雷顿循环发动机的方法，所述方法包括：
使氧化剂通过气体流径流至燃烧区段中；
经由延伸到所述气体流径的深度的内壁捕获所述氧化剂流的部分；
使第一燃料流流至经由所述内壁捕获的所述氧化剂流的所述部分；
在所述内壁上游经由所述第一燃料流和氧化剂的所述部分的混合物产生爆震气体的旋转爆震波；
使所述爆震气体的至少一部分向下游流动并将所述爆震气体与所述氧化剂流混合；
使第二燃料流流至爆震气体和所述氧化剂流的所述混合物；以及
喷燃所述第二燃料流、所述爆震气体和所述氧化剂流的混合物以产生推力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述发动机的运行状态调整所述气体流径的横截面面积。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调整所述气体流径的所述横截面面积包括：
至少基于所述发动机的运行状态调整所述第一燃料流的压力、流量或温度中的一个或多个。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机的所述运行状态至少基于所述燃烧区段处的所述氧化剂流的压力、温度或流速。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调整所述气体流径的所述横截面面积包括：
至少基于所述发动机的运行状态调整所述内壁进入所述气体流径的深度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述气体流径的深度的大致0％与大致35％之间调整所述内壁进入所述气体流径中的所述深度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调整所述内壁进入所述气体流径中的所述深度还至少基于用以产生所述旋转爆震波的期望的最小数量的爆震单元。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷燃所述第二燃料流、所述爆震气体和所述氧化剂流的所述混合物以产生推力包括爆燃燃烧过程。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧区段处的所述氧化剂流限定通过所述气体流径的超音速轴向速度，从而在所述气体流径中产生来自所述氧化剂流的斜震波。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述发动机的运行状态调整所述斜震波的分布。
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