CN110805503B - 具有旋转爆震燃烧系统的冲压喷气发动机及操作方法 - Google Patents

Abstract

大体提供了冲压喷气发动机及用于操作的系统和方法。冲压发动机包括沿着长度方向延伸的纵向壁。纵向壁限定入口区段、燃烧区段和排气区段。燃料喷嘴组件从纵向壁延伸。燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域。燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于入口区段的入口处的流体流的压力和燃料喷嘴组件处的流体流的压力的差异来调整喷嘴喉部区域。

Description

具有旋转爆震燃烧系统的冲压喷气发动机及操作方法

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

冲压喷气发动机是一种吸气式发动机，其中在点燃燃料-空气混合物以产生推力之前，冲压喷气发动机的几何形状及其向前运动一起压缩进入其燃烧区段的空气。如此，燃烧处理——诸如进入燃烧区段用于与燃料混合的空气的量和压力——取决于冲压发动机本身或者附接有冲压喷气发动机的航行器的速率，以及因冲压喷气发动机的向前移动导致的进入冲压喷气发动机的空气的速率。

因此，冲压发动机燃烧效率或操作性的范围实质上取决于或受限于冲压喷气发动机本身的速度，因此取决于或受限于进入冲压喷气发动机的空气流的速率。如此，需要有一种改进的冲压喷气发动机，更加独立于冲压喷气发动机速率或者进入冲压发动机的空气的速率而操作。

发明内容

本发明的各方面及优点将在以下描述中部分地阐述，或者，可以从描述中显而易见，或者可以经过实践本发明来得知。

本公开的一方面针对一种冲压喷气发动机。发动机包括沿着长度方向延伸的纵向壁。纵向壁限定入口区段、燃烧区段和排气区段。燃料喷嘴组件从纵向壁延伸。燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域。燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于入口区段的入口处的流体流的压力和燃料喷嘴组件处的流体流的压力的差异来调整喷嘴喉部区域。

在一个实施例中，发动机进一步包括联接到燃料喷嘴组件的致动器组件。致动器组件构造成使燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整喷嘴喉部区域。在另一实施例中，发动机进一步包括限定在纵向壁的径向内侧的中心体。燃料喷嘴组件从中心体延伸到通过纵向壁限定的气体流路中。

在再一实施例中，燃料喷嘴组件包括会聚-扩散喷嘴。

本公开的另一方面针对一种用于操作冲压喷气发动机的系统。该系统包括从纵向壁或中心体中的一个以上延伸的燃料喷嘴组件。燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域。燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于燃料喷嘴组件的上游和下游的流体流的压力的差异来调整喷嘴喉部区域。

在一个实施例中，该系统进一步包括联接到燃料喷嘴组件的致动器组件。致动器组件可以进一步联接到纵向壁或中心体中的一个以上。致动器组件构造成使燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整喷嘴喉部区域。

在另一实施例中，燃料喷嘴组件包含会聚-扩散喷嘴。

在各种实施例中，该系统进一步包括构造成执行操作的控制器。这些操作包括，调制喷嘴喉部区域，以改变从入口区段向下游到燃料喷嘴组件的激波的几何形状。

在一个实施例中，调制喷嘴喉部区域以改变激波的几何形状包括，将带角度的斜激波串变动成燃料喷嘴组件处的实质上法向激波。

在各种实施例中，操作进一步包括：使燃料喷嘴组件伸出或缩回到气体流路中，以调制喷嘴喉部区域。在一个实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件至少基于入口空气流的马赫数。在另一实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件以调制喷嘴喉部区域至少基于在入口区段处维持实质上恒定的动态压力。在再一实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件基于维持燃料喷嘴组件下游的所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格。

在一个实施例中，操作进一步包括：增加喷嘴喉部区域，以增加输出推力；以及，减小喷嘴喉部区域，以减少输出推力。

在另一实施例中，操作进一步包括，经由燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

本公开的另一方面针对一种用于操作冲压喷气发动机的方法。该方法包括，在旋转爆震燃烧区段处调制喷嘴喉部区域，以改变从发动机的入口区段到限定喷嘴喉部区域的燃料喷嘴组件的激波的几何形状。

在一个实施例中，该方法进一步包括：在气体流路处伸出或缩回燃料喷嘴组件，以调制喷嘴喉部区域。

在另一实施例中，调制喷嘴喉部区域至少基于入口空气流的马赫数。

在再一实施例中，该方法进一步包括，经由燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

在又一实施例中，调制喷嘴喉部区域至少基于在入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

参考以下描述和所附权利要求书，将更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并同描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员，参考附图，在说明书中阐述本发明的、并包括其最佳模式的全面且能实现的公开，其中：

图1是根据本公开一方面的用于操作冲压喷气发动机的系统的示范性实施例的示意性横截面视图；

图2至图4是图1的系统的燃料喷嘴组件的示范性实施例的示意性视图；以及

图5是概述用于操作冲压喷气发动机的方法的示范性步骤的流程图。

在本说明书和附图中重复使用参考字符意在表示本发明的相同或类同的特征或元素。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个以上示例图示在附图中。通过说明本发明而非限制本发明的方式提供每个示例。事实上，对于本领域技术人员而言，显然，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。比如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一个实施例。因而，意在本发明覆盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变型。

文中使用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地使用，以将一个部件与另一部件区分开，而不意在指明各个部件的位置或重要性。

术语“前”和“后”指代热力发动机或航行器内的相对位置，并且指代热力发动机或航行器的正常操作姿态。例如，参照热力发动机，前指代更接近热力发动机入口的位置，后指代更接近热力发动机喷嘴或排气口的位置。

术语“上游”和“下游”指代关于流体路线中的流体流动的相对方向。例如，“上游”指代流体从该处流动的方向，“下游”指代流体向该处流动的方向。

除非上下文另有清楚标示，否则，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

通篇说明书和权利要求书文中使用的近似语言应用于修饰任何定量表示，该表示可以允准变化而不导致其所涉及的基本功能的变动。由此，术语或各术语(诸如，“约”、“近似”和“实质上”)所修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精确度、或者用于构筑或制造部件和/或系统的方法或机器的精确度。例如，近似语言可以指代在10％的余量内。

这里以及通篇说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换。除非上下文或语言另有指示，否则，这些范围被识别并包括其中含有的所有子范围。例如，文中公开的所有范围都包括端点，并且端点能够独立地彼此组合。

大体提供了改进的冲压喷气发动机和用于操作的方法的实施例，实现燃烧区段相对于冲压喷气发动机速率或冲压发动机入口气流速率的实质上独立操作。

现在参考附图，图1是示范性冲压喷气发动机10(下文，“发动机10”)的长度方向横截面视图。发动机10沿着长度方向L以串行流动布置包括入口区段20、燃烧区段100和排气区段30。发动机10包括沿着长度方向L延伸的纵向壁110。纵向壁110至少部分地限定发动机10的气体流路90。纵向壁110沿着长度方向L延伸并且轮廓定成限定发动机10的燃烧区段100。纵向壁110可以沿着长度方向L进一步延伸并且轮廓定成限定入口区段20和/或排气区段300。

入口区段20实质上轮廓定成允许氧化剂流(通过箭头81示意性示出)进入发动机10中，以流过气体流路90，到燃烧区段100。发动机10大体构造成允许氧化剂流81进入发动机10中，包括超音速流，诸如大于近似马赫2。纵向壁110将轮廓限定成将燃烧区段100上游的氧化剂流81阻滞成亚音速轴向速率(即，小于马赫1)，诸如大体在轮廓21处描绘的。

仍参考图1，大体描绘的发动机10的纵向壁110进一步将轮廓限定成在排气区段30处限定排气喷嘴31。排气喷嘴31使从燃烧区段100通过气体流路90的燃烧气体流(通过箭头89示意性示出)加速，以产生推力。排气喷嘴31可以至少基于发动机10的所需操作空气速度范围来限定会聚喷嘴或会聚-扩散喷嘴。

在一个实施例中，发动机10包括中心体115，中心体115绕着纵向轴线12安置且在纵向壁110的径向内侧。中心体115沿着长度方向L延伸。在各种实施例中，纵向壁110绕着纵向轴线12实质上环状地延伸。如此，图1中大体描绘的发动机10可以限定实质上轴对称构造。然而，应当理解，在其他实施例中，发动机10可以限定二维构造，以便限定宽度和高度。更进一步，在各种实施例中，应当理解，发动机10可以在入口区段20和/或排气区段30处限定带轮廓的、非轴对称表面，诸如构造成调节进入发动机10的激波或离开发动机10的推力输出。

燃烧区段100大体限定旋转爆震燃烧(RDC)系统，RDC系统包括从纵向壁110延伸的可移动的燃料喷嘴组件120。限定RDC系统的燃烧区段100从连续爆震波中导出能量，连续爆震波从液体或气态燃料流(通过箭头103示意性示出)和氧化剂流(诸如引爆(其与燃烧相对)的空气81，诸如在爆燃型燃烧器中)产生。在爆燃过程中，火焰传播是从反应区到新鲜混合物的热传递的作用，大体通过传导和对流。相对地，对于爆震燃烧器，爆震是冲击引起的火焰，导致反应区和激波的耦合。激波压缩并加热新鲜燃料/氧化剂混合物，使这种燃料/氧化剂混合物增加到自燃点以上。另一方面，燃烧所释放的能量有助于爆震激波的传播。进一步，对于连续爆震，爆震波以连续的方式在燃料喷嘴组件120下游绕着气体流路90传播，以相对高的频率操作。附加地，爆震波可以使得燃料喷嘴组件120下游的平均压力高于一般燃烧系统(即，爆燃燃烧系统)内的平均压力。由此，爆震波后面的区域具有非常高的压力。

在燃烧区段100处，燃料喷嘴组件120大体限定会聚-扩散喷嘴。限定会聚-扩散喷嘴的燃料喷嘴组件120包括第一壁111，第一壁111远离附接有第一壁111的壁(即，纵向壁110或中心体115)而向内延伸到气体流路90中。燃料喷嘴组件120进一步包括联接到第一壁111的第二壁112，其中第二壁112从气体流路90朝向附接有第二壁112的壁(即，纵向壁110或中心体115)向外延伸。

在各种实施例中，燃料喷嘴组件120可以包括联接到纵向壁110或中心体115的致动器组件130。致动器组件130实现燃料喷嘴组件120沿着径向方向R的伸出和缩回，以便分别减小或增加燃料喷嘴组件120处的喷嘴喉部区域135。

在发动机10操作期间，基于进入入口区段20的空气流81的速率，燃料喷嘴组件120沿着径向方向R伸出和缩回，以调制喷嘴喉部区域135。在发动机10操作期间，进入入口区段20的空气流81(诸如图1中的平面82处描绘的)将沿着长度方向L的速率限定成近似等于马赫2以上。在各种实施例中，空气流81可以在平面82处限定入口空气流速率，大体在马赫2和马赫5之间。随着平面82处的空气流81的马赫数随着发动机10的速度而增加，诸如由于输出推力89，斜激波结构在气体流路90内发生变动，诸如在入口平面82和紧接在燃料喷嘴喉部135上游的平面83之间发生变动。

燃料喷嘴组件120致动或以其他方式调制喷嘴喉部区域135，以调整或调制从入口区段20的斜激波串的几何，诸如从平面82以及向下游到燃料喷嘴组件120，以及诸如在线87,88处示意性描绘的。例如，基于进入入口区段20的空气81的速率的变动，燃料喷嘴组件120改变喷嘴喉部区域135。喷嘴喉部区域135的变动引起斜激波串的几何形状的变动，诸如从入口平面82的线87处描绘的带角度的斜激波串到燃料喷嘴组件120的入口平面83处的线88处描绘的实质上法向激波。如此，燃料喷嘴组件120调制喷嘴喉部区域135，以便在平面83处限定法向激波。更进一步，燃料喷嘴组件120调制喷嘴喉部区域135，以便将空气流81的速率从平面82处的相对大的马赫数(如，马赫2到马赫5)减少到刚好大于马赫1的相对小的马赫数。

基于入口空气流81的马赫数调制燃料喷嘴组件120改变或调整喷嘴喉部区域135，以便在入口区段20处(诸如在平面82和平面83之间)维持实质上恒定的动态压力或速率压力。而且，调制燃料喷嘴组件120以调整喷嘴喉部区域135调整了在平面82和平面83之间通过入口区段20的空气流81的速率，以便将平面83处的空气81的速率和激波结构(如，在线88处描绘)与发动机10的向前移动下的速率(诸如在发动机10的入口区段20处的平面82处的空气81的速率)解耦。

燃料喷嘴组件120进一步调制喉部区域135，以经由增加喷嘴喉部区域135而增加输出推力89。替代地，燃料喷嘴组件120进一步调制喉部区域135，以经由减小喷嘴喉部区域135而减小输出推力89。

例如，基于维持燃料喷嘴组件120下游的所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格，燃料喷嘴组件120伸出到气流路径90中或者从气流路径90缩回。爆震胞格特征在于胞格宽度(λ)，胞格宽度(λ)取决于燃料(例如，液体或气态氢或烃燃料或者其组合)和氧化剂(如，空气或氧气)的类型以及反应物(即，燃料103和氧化剂81)的压力和温度与反应物的化学当量(stoichiometry)(Φ)。对于燃料103和氧化剂81的每个组合，并且对于大于或小于1.0的化学当量，胞格大小随着压力和温度增加而减小。由于从最低稳定状态操作条件到最高稳定状态操作条件，胞格宽度可以减小20倍以上，至少基于流出燃料喷嘴组件120的氧化剂81的压力、流量或温度来调制燃料103的流速，以便越过发动机10的多个操作条件(例如，在平面82处的空气81的多个速率)而提供可持续的爆震胞格大小。

在各种实施例中，经由燃料103的流速的变动和/或沿着径向方向R对燃料喷嘴组件120的调制改变喷嘴喉部区域135，发动机10进一步调整燃料103和氧化剂81反应物的化学当量。发动机10可以大体调整反应物的化学当量，以便调整燃料喷嘴组件120下游的压力。调整燃料喷嘴组件120下游的压力，以此调整燃料喷嘴组件120上游的压力。如此，可以大体运用调整或调制通过燃料喷嘴组件120的燃料流103和/或调整喷嘴喉部区域135来维持平面82和平面83之间的空气81的实质上恒定的动态压力或速率压力。

参考回到图1，发动机10和控制器210可以一起包括，作为用于操作发动机10的系统150，或者包括发动机10的设备或航行器。控制器210可以大体对应于任何合适的基于处理器的装置，包括一个以上计算装置。比如，图1图示可以包括在控制器210内的合适部件的一个实施例。如图1所示，控制器210可以包括处理器212和相关存储器214，其构造成执行各种计算机实施的功能。在各种实施例中，控制器210可以构造成操作系统150，以便经由致动器组件130调制燃料喷嘴组件120，以基于燃料喷嘴组件120上游的空气81来增加或减小喷嘴喉部区域135。

如文中使用的，术语“处理器”不仅指代在本领域中称之为包括在计算机中的集成电路，也还指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他可编程电路。附加地，存储器214可以大体包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(如，闪速存储器)、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件或者其组合。在各种实施例中，控制器210可以限定全权限数字发动机控制器(FADEC)、螺旋桨控制单元(PCU)、发动机控制单元(ECU)或电子发动机控制(EEC)中的一个以上。仍在各种实施例中，控制器210可以限定控制器210的分布式网络，或者共享的、专用的或分组的处理器212的分布式网络，或者在发动机10处物理地成群或者与之物理地分离或与之远程地联网储存的存储器214的网络。

如所示出的，控制器210可以包括储存在存储器214中的控制逻辑216。控制逻辑216可以包括指令，当由一个以上处理器212执行时，这些指令致使一个以上处理器212执行操作，诸如伸出或缩回致动器组件130，诸如文中描述的。

附加地，如图1所示，控制器210还可以包括通信接口模块230。在各种实施例中，通信接口模块230可以包括用于发送和接收数据的相关电子电路。如此，控制器210的通信接口模块230可以用于从发动机10接收和发送数据220。

例如，发动机10可以包括一个以上传感器，诸如安置在平面82处的第一传感器241，安置在平面83处的第二传感器242，安置在排气区段30处的喷嘴31上游的第三传感器243，或者安置在排气区段30处的喷嘴31下游的第四传感器244。每个传感器241，242，243，244可以构造成向控制器210发送数据220。在各种实施例中，传感器构造成测量或者计算通过发动机10或在发动机10周围的流体(如，流81，89)的压力、流速或温度或者其组合。来自传感器的数据220可以被控制器210运用，以至少基于燃料喷嘴组件120上游的平面82和平面83处的压力来确定喷嘴喉部区域135。在各种实施例中，进一步基于燃料喷嘴组件120下游(诸如在第三传感器243或第四传感器244处)的压力，控制器210确定喷嘴喉部区域135。

来自传感器的数据220可以进一步被控制器210运用来确定致动器组件130伸出或缩回燃料喷嘴组件120的量，以便提供确定的喷嘴喉部区域135。在各种实施例中，控制器210可以运用传递函数、查找表或图表或明细表来进一步确定致动器组件130伸出或缩回的量，以提供确定的喷嘴喉部区域135。在另一实施例中，控制器可以运用传递函数、查找表或图表或明细表，以基于通过发动机10或在发动机10周围的流体的压力、流速和/或温度的变动来进一步确定或调整喷嘴喉部区域135。

此外，通信接口模块230还可以用于与系统150或发动机10的任何其它合适的部件通信，以便从任意数目的控制发动机10处的速度、压力或流量的阀、致动器、燃料系统、端口等接收数据或向其发送命令。应当理解，通信接口模块230可以是有线和/或无线通信接口的任何合适的组合，因而可以经由有线和/或无线连接而通信地联接到系统150的一个以上部件。如此，控制器210可以操作、调制发动机10或者调整发动机10的操作，从一个以上传感器或致动器组件130获取数据，或者向其传输数据，以便控制发动机10，诸如文中描述的。

现在参考图2至图4，连同图1一起，大体提供了在图1中的发动机10的气体流路90处的燃料喷嘴组件120的示范性实施例。燃料喷嘴组件120的第一壁111和第二壁112可以大体限定实质上环状的喷嘴壁，喷嘴壁大体与限定轴对称构造的发动机10的纵向轴线12(图1)同心。然而，应当理解，燃料喷嘴组件120的第一壁111和第二壁112可以限定与限定二维构造的发动机10对应的实质上二维构造。第一壁111和第二壁112可以一起限定从沿着长度方向L分开的喷嘴入口121和喷嘴出口122延伸的实质上连续的喷嘴壁。

在各种实施例中，燃料喷嘴组件120沿着长度方向L延伸。在一个实施例中，燃料喷嘴组件120可以实质上平行于发动机10的纵向轴线12地延伸。然而，在其他实施例中，燃料喷嘴组件120可以构造成限定相对于纵向中心线12(图1)的一定角度。例如，燃料喷嘴组件120可以相对于纵向中心线轴线12限定一定角度，该角度呈正或负(例如，会聚或扩散)，在两度和四十五度之间、或者在五度和三十五度之间、或者在十度和三十度之间的角度。

在各种实施例中，燃料喷嘴组件120限定会聚-发散喷嘴组件。例如，从喷嘴入口121到近似喷嘴喉部区域135，第一壁111向内会聚到气体流路90中或者朝向气体流路90中面积减小。作为另一示例，从喷嘴喉部区域135到喷嘴出口122，第二壁112从气体流路90扩散或面积增加。

如图2至图4所示，燃料喷嘴组件120进一步限定与气体流路90流体连通的燃料喷射口105。燃料喷射端口105限定在喷嘴入口121和喷嘴出口122之间，以向其间的气体流路90提供液体和/或气态燃料流103。在各种实施例中，燃料喷射端口105沿着长度方向L定位在喷嘴喉部区域135处或其下游。应当理解，如文中使用的，术语“在喷嘴的喉部处”指代包括定位在喷嘴入口121和喷嘴出口122之间的气体流路90内限定最小横截面面积(即，限定喷嘴喉部区域135)的位置的部件或特征的至少一部分。可注意的是，对于图2至图4的实施例，所描绘的示范性燃料喷嘴组件120的喷嘴喉部区域135不是沿着长度方向L的单个点，而是沿着长度方向L延伸一定距离。出于测量特征或部分相对于喉部135的位置的目的，可以从喷嘴入口121和喷嘴出口122之间的气体流路90内限定喉部135的任何地方进行测量。可注意的是，尽管燃料喷射端口105描绘为包括径向相邻布置的两个出口，但是，应当了解，多个燃料喷射端口105可以沿着燃料喷嘴组件120的环圈沿着周向方向分布。

通过燃料喷射端口105提供的燃料103可以是任何合适的燃料，用于与氧化剂流81混合，诸如烃基液体或气态燃料(或者其组合)。更具体地，对于所描绘的实施例，燃料喷射端口105可以是液体燃料喷射端口，其构造成向喷嘴入口121和喷嘴出口122之间的气体流路90提供液体燃料，诸如液体喷射燃料。然而，在其他示范性实施例中，燃料可以是气态燃料或任何其他合适的燃料。

由此，对于所描绘的实施例，根据上面的描述定位燃料喷射端口105的出口可以容许在气体流路90处通过燃料喷射端口105的出口提供液体燃料，以在通过燃料喷嘴组件120的喷嘴入口121提供的氧化剂流81内实质上完全雾化。这可以在氧化剂流81内提供更完全的燃料103的混合，在气体流路90中在燃料喷射端口105下游提供更完全和稳定的燃烧。

应当进一步理解，尽管未描绘，但是，每个燃料喷射端口105可以通过用于将燃料103供应到燃料喷射端口105的一个以上燃料线路流体地连接到燃料源，诸如燃料箱。

仍参考图2至图4，大体提供了燃料喷嘴组件120变化地延伸到气体流路90中的实施例。例如，图3大体描绘当致动器组件130完全缩回(如，沿着方向131)以便使燃料喷嘴组件120(诸如在第一壁111和第二壁112处)从气体流路90缩回时限定的最大喷嘴喉部区域135。作为另一示例，图4大体描绘当致动器组件130完全伸出(如，沿着方向132)以便使燃料喷嘴组件120(诸如在第一壁111和第二壁112处)延伸到气体流路90中时限定的最小喷嘴喉部区域135。作为再一示例，图2大体描绘在诸如参照图3至图4描绘的最小和最大燃料喷嘴喉部区域135之间的中间喷嘴喉部区域135。

参照图2至图4大体提供的实施例可以大体对应于诸如参照图1描述的系统150的操作。例如，致动器组件130可以沿着方向131缩回，以增加喷嘴喉部区域135，以便增加来自发动机10的输出推力。作为另一示例，致动器组件130可以沿着方向132伸出，以减小喷嘴喉部区域135，以便减小来自发动机10的输出推力。然而，应当理解，输出推力的增加或减小可以进一步对应于流入气体流路90中的燃料流103的增加或减小。应当进一步理解，诸如文中描述的，参照图2至图4描绘的喷嘴喉部区域135的变动大体图示系统150提供实质上恒定的动态压力或速率压力，该动态压力或速率压力实质上与进入入口区段20或喷嘴入口121的空气81的速率的变动解耦。

现在参考图5，大体提供了描绘用于操作冲压喷气发动机的方法(下文，“方法1000”)的示范性步骤的流程图。方法1000可以在系统150和发动机10处实施，诸如参照图1至图4大体示出和描述的。然而，应当理解，方法1000可以在文中未示出的其他系统和发动机中实施和执行。用于操作文中大体提供的冲压喷气发动机的方法1000的实施例可以实现发动机的燃烧区段相对于进入发动机的入口区段的空气的速率实质上独立地操作。

方法1000包括，在1010，在旋转爆震燃烧区段处调制喷嘴喉部区域，以改变从发动机的入口区段到限定喷嘴喉部区域的燃料喷嘴组件的激波的几何形状，诸如参照图1至图4大体描述和描绘的。在一个实施例中，调制喷嘴喉部区域至少基于入口空气流的马赫数。在另一实施例中，调制喷嘴喉部区域至少基于在入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

在再一实施例中，方法1000进一步包括，在1020，在气体流路处伸出或缩回燃料喷嘴组件，以调制喷嘴喉部区域，诸如参照图1至图4大体描绘和描述的。在一个实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件至少基于入口空气流的马赫数。在另一实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件以调制喷嘴喉部区域至少基于在入口区段处维持实质上恒定的动态压力。在再一实施例中，伸出或缩回燃料喷嘴组件基于维持燃料喷嘴组件下游的所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格。

在又一实施例中，方法1000进一步包括，在1030，经由燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量，诸如参照图1至图4描述和描绘的。

在又一实施例中，方法1000进一步包括，在1040，增加喷嘴喉部区域，以增加输出推力，以及在1050，减小喷嘴喉部区域，以减小输出推力，诸如参照图1至图4描绘和描述的。

在另一实施例中，方法1000进一步包括，在1060，基于调制的喷嘴喉部区域、入口空气流的马赫数、维持在入口区段处的实质上恒定的动态压力或者维持所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格中的至少一个，来产生所需输出推力。

文中大体提供的系统150、发动机10和用于操作的方法1000的实施例实现燃烧区段100相对于进入发动机10的入口区段20的空气81的速率实质上独立操作。文中大体提供的系统150、发动机10和方法1000可以大体提供发动机10的操作，以产生实质上恒定的动态压力或速率压力，该动态压力或速率压力实质上与进入入口区段20的空气81的速率的变动解耦。如此，文中大体提供的系统150和发动机10可以实现在冲压喷气发动机应用中运用旋转爆震燃烧系统，以便改进冲压喷气发动机操作、性能或效率。

而且，文中大体提供的发动机10的实施例可以经由改进的燃烧性能和稳定性来减小发动机10的长度尺寸。如此，发动机10的实施例(诸如冲压喷气发动机)可以改进或集成到迄今为止大体受这种发动机或安装有发动机的设备的已知大小或长度限制的应用中。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，还使本领域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，并执行任何并入的方法。本发明的专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这种其他示例意在包括于权利要求书的范围内，如果该示例包括与权利要求书的文字语言并无不同的结构元素的话，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等同结构元素的话。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种冲压喷气发动机，所述发动机包含：纵向壁，所述纵向壁沿着长度方向延伸，其中，所述纵向壁限定入口区段、燃烧区段和排气区段；燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件从所述纵向壁延伸，其中，所述燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域，并且其中，所述燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于所述入口区段的入口处的流体流的压力和所述燃料喷嘴组件处的流体流的压力的差异来调整所述喷嘴喉部区域。

2.如任何在前条项的冲压喷气发动机，所述发动机进一步包含：致动器组件，所述致动器组件联接到所述燃料喷嘴组件，其中，所述致动器组件构造成使所述燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整所述喷嘴喉部区域。

3.如任何在前条项的冲压喷气发动机，所述发动机进一步包含：中心体，所述中心体限定在所述纵向壁的径向内侧，其中，所述燃料喷嘴组件从所述中心体延伸到通过所述纵向壁限定的气体流路中。

4.如任何在前条项的冲压喷气发动机，其中，所述燃料喷嘴组件包含会聚-扩散喷嘴。

5.一种用于操作冲压喷气发动机的系统，所述系统包含：燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件从纵向壁或中心体中的一个以上延伸，其中，所述燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域，并且其中，所述燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于所述燃料喷嘴组件的上游和下游的流体流的压力的差异来调整所述喷嘴喉部区域。

6.如任何在前条项的系统，所述系统进一步包含：致动器组件，所述致动器组件联接到所述燃料喷嘴组件，其中，所述致动器组件构造成使所述燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整所述喷嘴喉部区域。

7.如任何在前条项的系统，其中，所述燃料喷嘴组件包含会聚-扩散喷嘴。

8.如任何在前条项的系统，所述系统进一步包含：控制器，所述控制器构造成执行操作，所述操作包含：调制所述喷嘴喉部区域，以改变从所述入口区段向下游到所述燃料喷嘴组件的激波的几何形状。

9.如任何在前条项的系统，其中，调制所述喷嘴喉部区域以改变激波的几何形状包括：将成角度的斜激波串改变成所述燃料喷嘴组件处的实质上法向激波。

10.如任何在前条项的系统，所述操作进一步包含：使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回到气体流路中，以调制所述喷嘴喉部区域。

11.如任何在前条项的系统，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回至少基于入口空气流的马赫数。

12.如任何在前条项的系统，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回以调制所述喷嘴喉部区域至少基于在所述入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

13.如任何在前条项的系统，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回基于维持所述燃料喷嘴组件下游的所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格。

14.如任何在前条项的系统，所述操作进一步包含：增加所述喷嘴喉部区域，以增加输出推力；以及减小所述喷嘴喉部区域，以减小输出推力。

15.如任何在前条项的系统，所述操作进一步包含：经由所述燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

16.一种用于操作冲压喷气发动机的方法，所述方法包含：调制旋转爆震燃烧区段处的喷嘴喉部区域，以改变从所述发动机的入口区段到限定所述喷嘴喉部区域的燃料喷嘴组件的激波的几何形状。

17.如任何在前条项的方法，所述方法进一步包含：在气体流路处使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回，以调制所述喷嘴喉部区域。

18.如任何在前条项的方法，其中，调制所述喷嘴喉部区域至少基于入口空气流的马赫数。

19.如任何在前条项的方法，所述方法进一步包含：经由所述燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

20.如任何在前条项的方法，其中，调制所述喷嘴喉部区域至少基于在所述入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

Claims (20)

1.一种冲压喷气发动机，其特征在于，所述发动机包含：

纵向壁，所述纵向壁沿着长度方向延伸，其中，所述纵向壁限定入口区段、燃烧区段和排气区段；

燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件从所述纵向壁延伸，其中，所述燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域，所述燃料喷嘴组件包含：

第一壁，所述第一壁朝所述喷嘴喉部区域径向向内会聚；

第二壁，所述第二壁从所述喷嘴喉部区域径向向外扩散；以及

燃料喷射端口，所述燃料喷射端口位于连接所述第一壁和所述第二壁的壁中的所述喷嘴喉部区域，

其中，所述燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于所述入口区段的入口处的流体流的压力和所述燃料喷嘴组件处的流体流的压力的差异来调整所述喷嘴喉部区域。

2.如权利要求1所述的冲压喷气发动机，其特征在于，所述发动机进一步包含：

致动器组件，所述致动器组件联接到所述燃料喷嘴组件，其中，所述致动器组件构造成使所述燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整所述喷嘴喉部区域。

3.如权利要求1所述的冲压喷气发动机，其特征在于，所述发动机进一步包含：

中心体，所述中心体限定在所述纵向壁的径向内侧，其中，所述燃料喷嘴组件从所述中心体延伸到通过所述纵向壁限定的气体流路中。

4.如权利要求1所述的冲压喷气发动机，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴组件包含会聚-扩散喷嘴。

5.一种用于操作冲压喷气发动机的系统，其特征在于，所述系统包含：

燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件从纵向壁或中心体中的一个以上延伸，其中，所述燃料喷嘴组件限定喷嘴喉部区域，所述燃料喷嘴组件包含：

第一壁，所述第一壁朝所述喷嘴喉部区域径向向内会聚；

第二壁，所述第二壁从所述喷嘴喉部区域径向向外扩散；以及

燃料喷射端口，所述燃料喷射端口位于连接所述第一壁和所述第二壁的壁中的所述喷嘴喉部区域，

其中，所述燃料喷嘴组件能够沿着径向方向移动，以至少基于所述燃料喷嘴组件的上游和下游的流体流的压力的差异来调整所述喷嘴喉部区域。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包含：

致动器组件，所述致动器组件联接到所述燃料喷嘴组件，其中，所述致动器组件构造成使所述燃料喷嘴组件伸出和缩回，以调整所述喷嘴喉部区域。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴组件包含会聚-扩散喷嘴。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包含：

控制器，所述控制器构造成执行操作，所述操作包含：

调制所述喷嘴喉部区域，以改变从入口区段向下游到所述燃料喷嘴组件的激波的几何形状。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，其中，调制所述喷嘴喉部区域以改变激波的几何形状包括：将成角度的斜激波串改变成所述燃料喷嘴组件处的实质上法向激波。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述操作进一步包含：

使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回到气体流路中，以调制所述喷嘴喉部区域。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回至少基于入口空气流的马赫数。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回以调制所述喷嘴喉部区域至少基于在所述入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，其中，使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回基于维持所述燃料喷嘴组件下游的所需旋转爆震所需要的最小数目的胞格。

14.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述操作进一步包含：

增加所述喷嘴喉部区域，以增加输出推力；以及

减小所述喷嘴喉部区域，以减小输出推力。

15.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述操作进一步包含：

经由所述燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

16.一种用于操作冲压喷气发动机的方法，其特征在于，所述方法包含：

调制旋转爆震燃烧区段处的喷嘴喉部区域，以改变从所述发动机的入口区段到限定所述喷嘴喉部区域的燃料喷嘴组件的激波的几何形状，其中所述燃料喷嘴组件包含：

第一壁，所述第一壁朝所述喷嘴喉部区域径向向内会聚；

第二壁，所述第二壁从所述喷嘴喉部区域径向向外扩散；以及

燃料喷射端口，所述燃料喷射端口位于连接所述第一壁和所述第二壁的壁中的所述喷嘴喉部区域。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包含：

在气体流路处使所述燃料喷嘴组件伸出或缩回，以调制所述喷嘴喉部区域。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中，调制所述喷嘴喉部区域至少基于入口空气流的马赫数。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包含：

经由所述燃料喷嘴组件处的燃料的流速的变动来调整燃料和氧化剂的化学当量。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中，调制所述喷嘴喉部区域至少基于在所述入口区段处维持实质上恒定的动态压力。

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