CN110469871B - 一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室主体、斯特林循环系统和再生冷却系统。利用斯特林循环系统吸收旋转爆震燃烧室产生的废热，并将废热转化为可利用的轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等；此外，还可依靠再生冷却系统对燃烧室外壁面进行冷却，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。该发明既能对旋转爆震燃烧室的壁面进行有效的冷却，又能合理地利用旋转爆震燃烧室产生的废热，相对于其它形式的冷却方法，具有明显的优势。本发明可以用于爆震推进和爆震发电等领域。

Description

一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及爆震推进和爆震发电等领域，具体为一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)是一种利用连续爆震燃烧来产生推力的新概念发动机。其热循环效率远高于基于等压燃烧的常规航空发动机，且释热速率快，结构简单。因此，基于上述优点，越来越多的机构对旋转爆震燃烧开展了相关研究。

旋转爆震燃烧室在实际应用过程中也面临着和常规航空发动机燃烧室一样的难点——燃烧室壁面冷却的问题，但旋转爆震燃烧室的壁面冷却要求要远比常规航空发动机苛刻。在旋转爆震燃烧室中，当燃烧室壁面温度大于燃料的自燃温度时，燃烧室内喷注的燃料将会发生自燃现象，此时爆震失效，如采用航空煤油作为燃料，当燃烧室内壁面温度大于500℃时，燃料就极有可能自燃，无法形成爆震波。而在常规航空涡轮喷气发动机中，只需要满足燃烧壁面温度小于壁面材料的耐温上限即可。因此，旋转爆震燃烧室需要冷却效率更高的方法来对其壁面进行冷却。当前，爆震燃烧室壁面冷却方式主要有水冷和利用发动机携带的液态燃料进行再生冷却两种，但这两种方法均存在不足之处：采用水冷的旋转爆震燃烧室需要携带大量的冷却剂，且加热后的冷却剂只能通过其它途径将热量释放到空气中，造成了热量的浪费，同时降低了发动机的推重比；而采用再生冷却的旋转爆震燃烧室，由于燃烧室内热量生成量较大，用于再生冷却的燃料吸热量增加，从而造成燃料进口处的温度上升，极易发生自燃现象，此时爆震失效。此外，当燃烧室壁面温度较高时，用于再生冷却的燃料会在管壁处积碳，进而影响冷却效果，甚至堵塞供油管路，致使燃烧室无法正常工作。

因此，针对上述壁面冷却方式存在的问题，设计一种既能对旋转爆震燃烧室的壁面进行有效冷却，同时能够合理地利用燃烧室废热的装置就显得尤为重要，本发明提出了一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，恰能满足要求，对旋转爆震燃烧室的实际应用具有重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

针对当前旋转爆震燃烧室壁面冷却装置无法有效地对燃烧室进行冷却，且无法合理地利用燃烧室产生的废热，本发明提出了一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，通过斯特林循环将旋转爆震燃烧室产生的多余废热转化为轴功并对外输出，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等；此外，燃烧室外壁还可用逆流的氧化剂(如空气等)进行再生冷却，从而完成对爆震燃烧室的保护，进而提高燃烧室的使用寿命，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。本发明可以用于爆震推进和爆震发电等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体、斯特林循环系统和再生冷却系统。

所述旋转爆震燃烧室本体由燃烧室前端、燃烧室外环、燃烧室内柱、点火组件、供给及掺混系统等组成。燃烧室外环是一个圆环形壳体，燃烧室内柱是一个圆柱体，燃烧室前端是一个圆盘，燃烧室外环、燃烧室内柱和燃烧室前端共同组成旋转爆震燃烧室的主体，其外形尺寸可根据燃料的类型和使用环境进行合理设计；燃料和氧化剂经供给及掺混系统的管道进入燃烧室前端，并在燃烧室前端处沿轴向布置的30～70对喷嘴中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化。

所述斯特林循环系统由气缸、传动杆、转轮、活塞、循环工质、工质循环管路和单向阀组成。气缸位于内柱圆心处，其内径尺寸为燃烧室内柱外径的1/2～2/3，长度为内柱总长的2/3～5/4，且气缸总长度的2/3在内柱内部，其余部分在燃烧室前端的外侧；位于内柱中的气缸前端开有小孔并通过单向阀与工质循环管路②相连，在气缸与燃烧室前端相接处也开有小孔并通过单向阀与工质循环管路①相连；在燃烧室外侧的气缸外部绕有燃料供给管路，用以对气缸进行再生冷却。工质循环管路分为工质循环管路①和工质循环管路②；工质循环管路①为6～14个首尾相连的管路，安装在燃烧室外环内部，管路直径为燃烧室外环壁面厚度的1/4～1/3，工质循环管路①的一端经燃烧室前段与燃烧室内柱内的管路相连，另一端经单向阀直接与燃烧室内柱内的气缸连接；工质循环管路②位于内柱外壁面和气缸之间，为3～7个首尾相连的管路，管路内径与工质循环管路①的尺寸相同，同时内径尺寸应在内柱外径的1/12～1/6之间，管路靠近燃烧室前端处的一侧与工质循环管路①相连，另一侧经单向阀与气缸前端连接。单向阀有两个，位于气缸前端的单向阀只允许工质进入气缸，位于燃烧室前端的单向阀只允许工质从气缸进入工质循环管路①；传动杆和活塞受循环工质驱动并带动转轮转动，同时对外输出轴功；循环工质可使用氦气等。

所述再生冷却系统分为两部分：一部分安装在气缸外壁上，通过燃料供给管路对气缸进行再生冷却，以降低气缸内循环工质的温度，同时改善燃料雾化效果；另一部分安装在燃烧室外壁处，为一圆柱形壳体，内部通有氧化剂，从而可以利用新鲜氧化剂带走燃烧室外壁多余的热量，提高燃烧效率。

有益效果：

采用本发明提供的一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，通过斯特林循环将爆震燃烧室产生的多余废热转化为轴功并对外输出，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等；此外，燃烧室外壁还可用逆流的氧化剂(如空气等)进行再生冷却，从而完成对爆震燃烧室的保护，进而提高燃烧室的使用寿命，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。采用本发明可以有效地对旋转爆震发动机进行冷却，保证发动机长时间可靠工作，提高旋转爆震燃烧室的工作寿命，并能依靠转轮对外输出轴功，本发明可以用于爆震推进和爆震发电等领域。

附图说明

图1为本发明基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室结构简图(实施例1)；

图2为本发明基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室结构简图(实施例2)；

图3为本发明基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室的燃烧室剖面图；

其中，1为转轮，2为铰链，3为配气活塞传动杆，4为动力活塞传动杆，5为燃料供给管路，6为燃料喷嘴，7为点火组件，8为气缸，9为工质循环管路，10为氧化剂供给管路，11为发电机，12为单向阀，13为氧化剂喷嘴，14为动力活塞，15为燃烧室外环，16为配气活塞，17为燃烧室内柱，18为燃烧室前端，2-1为铰链①，2-2为铰链②，2-3为铰链③，2-4为铰链④，3-1为配气活塞传动杆①，3-2为配气活塞传动杆②，4-1为动力活塞传动杆①，4-2为动力活塞传动杆②，9-1为工质循环管路①，9-2为工质循环管路②，12-1为单向阀①，12-2为单向阀②。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

参见图1和图3，通常，旋转爆震燃烧室本体由燃烧室外环15、燃烧室内柱17、点火组件7(如火花塞)、供给及掺混系统(如燃料喷嘴6、燃料供给管路5、氧化剂喷嘴13和氧化剂供给管路10)等组成。工作时，燃料和氧化剂分别经燃料供给管路5和氧化剂供给管路10进入旋转爆震燃烧室，再通过各自的喷嘴喷出，同时进行掺混，然后火花塞点火形成爆震波，爆震波在燃烧室内沿周向高速旋转传播，随后，已燃气体沿轴向排出，产生推力。由于旋转爆震燃烧剧烈，温度高达2500℃，远高于燃烧室壁面的正常工作温度，因此需要对其继续冷却，以保证燃烧室的安全可靠工作。

本发明提出一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室结构，利用斯特林循环分别对燃烧室外环15和燃烧室内柱17进行冷却，同时采用氧化剂的再生冷却系统对燃烧室前端18(燃料喷嘴6和氧化剂喷嘴13处)进行冷却，以保证燃烧室的可靠工作。在本发明中，氧化剂经过燃烧室前端18的氧化剂供给管路10对燃烧室前端18进行再生冷却，随后氧化剂进入燃烧室氧化剂喷嘴13中；燃料经过环绕在气缸8外壁处的燃料供给管路5进入到燃烧室中，同时对气缸8进行冷却，随后燃料经燃料喷嘴6喷出。

循环工质预先充满在工质循环管路9中，在燃烧室工作时，燃烧室外环15和燃烧室内柱17的温度逐渐上升，位于工质循环管路②9-2和工质循环管路①9-1内的循环工质受热，体积膨胀。然后经过气缸8前段的单向阀②12-2进入到气缸中，进而推动配气活塞16和动力活塞14背离燃烧室运动，两个活塞推动各自的活塞传动杆3和4做直线伸缩运动，进而带动转轮1转动，对外输出轴功。当配气活塞16和动力活塞14到达各自的最大位移点时，完成定温膨胀过程；随后，动力活塞14不动，配气活塞16向燃烧室侧运动，气缸8内的工质全部运动到动力活塞14和配气活塞16之间，由于气缸8外侧缠绕有燃料供给管路5，管路内部低温的燃料会对气缸8内的工质进行冷却，进而工质体积缩小。接着，动力活塞14向燃烧室侧运动，迫使低温工质通过单向阀①12-1进入到工质循环管路9中，进而对燃烧室整体进行冷却；然后工质循环管路9中的工质再次受热膨胀，从而完成斯特林循环。

实施例1：

参见图1，在本实例中，斯特林循环系统内的工质循环管路①9-1布置在整个燃烧室外环15中，能极大程度上对整个燃烧室外环15进行冷却，确保旋转爆震燃烧室的长时可靠工作，而氧化剂的再生冷却系统仅对燃烧室前端18进行冷却，同样能保证燃烧室工作的可靠性。

实施例2：

参见图2，在本实例中，斯特林循环系统内的工质循环管路①9-1仅布置在燃烧室外环15的一小部分内，重点对爆震波的形成位置(燃料喷嘴6和氧化剂喷嘴13后)进行冷却，而其余部分的燃烧室外环15则可以采用耐高温材料进行承热，或者在燃烧室内壁面加隔热涂层以提高壁面耐温上限；同时，燃烧室外环15外侧安装有氧化剂的再生冷却系统，利用低温氧化剂的流动对燃烧室外环15进行冷却，从而保证旋转爆震燃烧室的可靠工作，并且能提高燃烧室的经济性。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (5)

1.基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体、斯特林循环系统和再生冷却系统，其特征在于斯特林循环系统由气缸、传动杆、转轮、活塞、循环工质、工质循环管路和单向阀组成；气缸位于燃烧室内柱圆心处，其内径尺寸为燃烧室内柱外径的1/2～2/3，长度为内柱总长的2/3～5/4，且气缸总长度的2/3在内柱内部，其余部分在燃烧室前端的外侧；位于内柱中的气缸前端开有小孔并通过单向阀与位于燃烧室内柱外壁面和气缸之间的工质循环管路②相连，在气缸与燃烧室前端相接处也开有小孔并通过单向阀与位于燃烧室外环内部的工质循环管路①相连；在燃烧室外侧的气缸外部绕有燃料供给管路，用以对气缸进行再生冷却；工质循环管路分为工质循环管路①和工质循环管路②；工质循环管路①为6～14个首尾相连的管路，安装在燃烧室外环内部，管路直径为燃烧室外环壁面厚度的1/4～1/3，工质循环管路①的一端经燃烧室前段与燃烧室内柱内的管路相连，另一端经单向阀直接与燃烧室内柱内的气缸连接；工质循环管路②位于内柱外壁面和气缸之间，为3～7个首尾相连的管路，管路内径与工质循环管路①的尺寸相同，同时内径尺寸应在内柱外径的1/12～1/6之间，管路靠近燃烧室前端处的一侧与工质循环管路①相连，另一侧经单向阀与气缸前端连接；通过斯特林循环系统吸收旋转爆震燃烧室产生的废热，并将废热转化为可利用的轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压，此外，还可依靠再生冷却系统对燃烧室外壁面进行冷却，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，其特征在于：旋转爆震燃烧室本体由燃烧室前端、燃烧室外环、燃烧室内柱、点火组件、供给及掺混系统组成。

3.根据权利要求2所述的基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，其特征在于：燃烧室外环、燃烧室内柱和燃烧室前端共同组成旋转爆震燃烧室的本体；燃料和氧化剂经供给及掺混系统的管道进入燃烧室前端，并在燃烧室前端处沿轴向布置的30～70对喷嘴中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化。

4.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，其特征在于：单向阀有两个，位于气缸前端的单向阀只允许工质进入气缸，位于燃烧室前端的单向阀只允许工质从气缸进入工质循环管路①；传动杆和活塞受循环工质驱动并带动转轮转动，同时对外输出轴功；循环工质可使用氦气。

5.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，其特征在于：再生冷却系统分为两部分：一部分安装在气缸外壁上，通过燃料供给管路对气缸进行再生冷却，以降低气缸内循环工质的温度，同时改善燃料雾化效果；另一部分安装在燃烧室外壁处，为一圆柱形壳体，内部通有氧化剂，从而可以利用新鲜氧化剂带走燃烧室外壁多余的热量，提高燃烧效率。

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