CN110715323B - 液态燃料旋转爆轰燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态燃料旋转爆轰燃烧室，包括：燃烧室，气体氧化剂进口，气体氧化剂腔，气体氧化剂喷注槽，气体氧化剂导流槽；液态燃料通道，与燃烧室外体邻接，且与燃烧室同轴布置，液态燃料通道的进口流向与燃烧室出口流向相反；液态燃料腔，与液态燃料通道连通，液态燃料腔的底部沿周向开有液态燃料喷注孔，且液态燃料喷注孔与气体氧化剂喷注槽成垂直布置关系。根据本发明技术方案，能够实现燃烧室壁面冷却、燃油预热，防止燃烧室外壁面因过高的热应力出现变形，同时有效提高燃油的雾化效果。

Description

液态燃料旋转爆轰燃烧室

技术领域

本发明涉及带壁面冷却的液态燃料旋转爆轰燃烧室，其属于火箭、飞机、导弹、临近空间飞行器、船舶等领域的动力发生装置。

背景技术

连续旋转爆轰发动机具有推力稳定、热力循环效率高、结构紧凑、推重比大等优点，成为当今世界研究热点。连续旋转爆轰发动机利用爆轰波在环形燃烧室内连续旋转传播所产生的高温高压爆轰产物由尾部高速排出，从而获得推力和增压燃气。液态燃料因能量密度大、易储存、操作安全性高等优点，具有更大应用潜力。

液态燃料连续旋转爆轰燃烧室在工作时，前导激波与波后快速化学反应区相互耦合，燃料液滴在前导激波作用下，经历压缩变形、RM不稳定性变形、雾化破碎等过程，最后蒸发为气相。激波将未燃混气快速压缩升温，在之后的诱导区，受激波加热的分子热解成活性自由基团。当产生足够浓度的活性自由基团，在反应区，快速的链式分支反应将未燃混合物迅速转化成燃烧产物，并伴随大量的能量释放，燃烧产物体积快速膨胀，推动前导激波向前传播。

液滴的大小、形状、分布以及与氧化剂的混合都对爆轰的起爆与传播有很大的影响。另外，旋转爆轰燃烧室工作时，由于外壁面对气体的收敛压缩作用，爆轰波在外壁面附近的强度更高，导致外壁面往往承受更高的热应力，这就对燃烧室材料的耐热性能以及燃烧室壁面冷却提出了更高的要求。

发明内容

鉴于以上问题，做出本发明。

根据本发明一方面，提供一种液态燃料旋转爆轰燃烧室，包括：燃烧室，气体氧化剂进口，气体氧化剂腔，气体氧化剂喷注槽，气体氧化剂导流槽；液态燃料通道，与燃烧室外体邻接，且与燃烧室同轴布置，液态燃料通道的进口流向与燃烧室出口流向相反；液态燃料腔，与液态燃料通道连通，液态燃料腔的底部沿周向开有液态燃料喷注孔，且液态燃料喷注孔与气体氧化剂喷注槽成垂直布置关系。

进一步地，在燃烧室内体的径向中心布置轴，轴可以沿着中心轴线自转，轴纵向贯穿整个燃烧室内体，并超过燃烧室出口端面。

进一步地，液态燃料通道外壁上下两侧各焊接固定法兰，用于对液态燃料旋转爆轰燃烧室进行约束和紧固。

根据本发明技术方案，在保证旋转爆轰燃烧室重量轻、结构紧凑的基础上，提供了一种能够实现壁面冷却、燃油预热的爆轰燃烧室结构，有效防止了燃烧室外壁面因过高的热应力出现变形问题，同时提高了燃油的雾化效果，提高了旋转爆轰燃烧室内爆轰波的强度和稳定性。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：

图1示出根据本发明实施方式的液态燃料旋转爆轰燃烧室的主视剖面图。

图2示出了从D方向看去的燃烧室断面图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示出根据本发明实施方式的液态燃料旋转爆轰燃烧室的主视剖面图。如图1所示，该爆轰燃烧室包括：燃烧室11，气体氧化剂进口4，气体氧化剂腔5，气体氧化剂喷注槽7，气体氧化剂导流槽6。该爆轰燃烧室还包括液态燃料通道8，液态燃料通道8在燃烧室11外围，与燃烧室11外体14邻接，并与燃烧室同轴布置，燃料从液态燃料进口9喷入后，与燃烧室外体14进行热量交换，降低燃烧室外体温度，同时提高自身温度和活性。应注意，液态燃料通道的进口流向与燃烧室出口10流向相反。液态燃料通道8的材料可以是304号不锈钢，通道的宽度可以是10mm，长度为115mm，外壁厚度可以是10mm。该数据用以举例说明本发明的通道参数设置，不用于限制本发明的范围。从图2可看出，燃烧室和燃料通道8的横截面都呈环形。

该燃烧室还包括液态燃料腔3，其与液态燃料通道8连通。燃料腔3的宽度可以是9.5mm，长度为25mm。从图2可看出，该燃料腔的横截面也呈环形。底部沿周向开有液态燃料喷注孔2，孔的数目可以是60-120个。图2示出了从D方向看去的燃烧室断面图。喷注孔2与氧化剂喷注槽7呈垂直布置关系。喷注孔的直径可以是1.5mm，长度是4mm。

燃烧室内体13的径向中心可在轴向布置轴12，用以接负载。该轴可以沿着中心轴线自传，纵向贯穿整个燃烧室内体13，并超过燃烧室出口端面。优选地，液态燃料通道外壁上下两侧各焊接固定法兰1，用于对燃烧室进行约束和紧固。

图2示例性示出了4个法兰，本发明在此方面不受限制。

下面描述本发明实施方式的工作过程和原理，以便于理解本发明的优势。当带壁面冷却的液态燃料旋转爆轰燃烧室工作时，将液态燃料从液态燃料进口环面沿轴向喷入，则液态燃料会充分铺展在燃烧室外体的外壁面，这样充分的接触保证了冷燃料与热壁面良好的热量交换，继而有效降低燃烧室外体温度，延长燃烧室寿命，同时提高液态燃料温度和活性，使其更易于雾化。

预热后的液态燃料进入燃料腔后，从燃料喷注孔喷出。由于燃料喷注孔与氧化剂喷注槽的垂直布置关系，高速的氧化剂横向射流迅速将由喷注孔喷入的预热燃料液柱破碎、雾化成细小颗粒并与之迅速掺混，喷入到爆轰燃烧室。雾化良好的细小液滴在高温高压爆轰波作用下迅速碎裂气化。随后，在前导激波的压缩下，燃料/氧化剂混合物会形成局部高温、高压、高密度区，这一区域随着爆轰波的传播热力学参数不断升高直至达到临界点，开始自燃并伴随局部“热点”产生，化学反应短时间释放的巨大热量促使燃烧产物迅速膨胀，燃烧产物的膨胀提供了前导激波向前传播的动力，即爆轰波“SWACER”(shock waveamplification by coherent energy release，能量释放而形成激波或压缩波的相干放大)机理。这样，就形成了前导激波-波后快速化学反应区的耦合，使得爆轰波在旋转爆轰燃烧室内持续稳定传播。

从以上可知，根据本发明实施方式的爆轰燃烧室可带来以下技术优势：液态燃料通道在燃烧室外围并与燃烧室同轴布置，充分实现冷燃料与热壁面的热量交换，有效降低燃烧室外体温度，延长燃烧室寿命；同时提高液态燃料温度和活性，使其更易于雾化。预热后的液态燃料进入燃料腔后，从燃料喷注孔喷出，由于燃料喷注孔与氧化剂喷注槽的垂直布置关系，高速的氧化剂横向射流迅速将由喷注孔喷入的预热燃料液柱破碎、雾化成细小颗粒并与之迅速掺混，提高爆轰燃烧室爆轰波强度和稳定性。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种液态燃料旋转爆轰燃烧室，其特征在于，包括：

燃烧室，气体氧化剂进口，气体氧化剂腔，气体氧化剂喷注槽，气体氧化剂导流槽；所述燃烧室的横截面呈环形；

液态燃料通道，在燃烧室外围，与燃烧室外体邻接，且与燃烧室同轴布置，液态燃料从液态燃料进口环面沿轴向喷入与燃烧室外体进行热量交换，液态燃料通道的进口流向与燃烧室出口流向相反；所述液态燃料通道的横截面呈环形；

液态燃料腔，与所述液态燃料通道连通，所述液态燃料腔的横截面呈环形；所述液态燃料腔的底部沿周向开有液态燃料喷注孔，且液态燃料喷注孔与气体氧化剂喷注槽成垂直布置关系，以使预热后的液态燃料进入所述液态燃料腔后，从所述液态燃料喷注孔喷出，被破碎、雾化成细小颗粒并与气体氧化剂掺混后喷入到爆轰燃烧室。

2.根据权利要求1所述的液态燃料旋转爆轰燃烧室，其中，在燃烧室内体的径向中心布置轴，轴可以沿着中心轴线自转，轴纵向贯穿整个燃烧室内体，并超过燃烧室出口端面。

3.根据权利要求1所述的液态燃料旋转爆轰燃烧室，其中，液态燃料通道外壁上下两侧各焊接固定法兰，用于对液态燃料旋转爆轰燃烧室进行约束和紧固。

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