CN111256168A - 一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构 - Google Patents

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张群
李程镐
杨福正
曹婷婷
刘强
李小龙
胡凡
程祥旺
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/52—Toroidal combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/02—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet

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Abstract

本发明提供了一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构。其特征在于，通过在燃烧室前中段的DDT段壁面中布置燃油通道，充分利用了脉冲爆震燃烧室DDT段的高温，对燃油进行预热以及一定的预蒸发，有利于后续的雾化、燃烧过程。燃油吸收热量，极大地降低了燃烧室前中段即DDT段的壁面温度，由于燃油比热远远大于空气，所以相对传统的空气冷却，冷却效果显著提高。取消了冷却进气与冷却液以及外带辅助设备，使得燃烧室内参与燃烧空气充足，有利于扩大发动机的工作范围、提高推重比。发动机前中段壁面以及发动机进口处壁面设置有大量喷油孔，大面积、全空间的供油方式使得发动机燃烧室内油气分布均匀、燃烧充分，可以提高脉冲爆震发动机工作稳定性。前中段壁面的喷油孔喷出的燃油与来流成一定角度，扰动作用一定程度上缩短DDT距离，减少了发动机轴向长度。

Description

一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构
技术领域
本发明属于脉冲爆震发动机领域，具体涉及一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构。
背景技术
脉冲爆震发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生推力的发动机，具有以下潜在优点：热循环效率高、结构简单、质量轻、推重比大、比冲大、单位燃料消耗率低、工作范围宽等。它不仅可以作为独立的推进装置，也可以与涡喷或涡扇发动机组合，为亚声速或超声速飞行的飞行器提供动力，当PDE频率在100Hz以上时，可近似认为工作过程是连续的，这种组合发动机的推力、耗油率、推重比都比带加力的涡扇发动机改善一倍。
虽然PDE的工作机理在实验室得到验证，但要在工程中得到应用仍需突破许多实际问题，管壁冷却问题就是其中之一。由于爆震燃烧温度比较高，若不对管壁采取有效的冷却措施，将大大限制发动机的使用寿命。
国外也有一些相关研究，采取热障涂层以及利用常规燃烧室的冲击冷却、气膜冷却、射流冷却等方式进行壁面冷却，此外还有使用水冷等方式进行一定的冷却。但是这些方法实际应用中必须外加辅助设备，在未来的飞行器上显然不能有效地使用。同时美国空军实验室报道称提高燃油温度，可有效改善雾化效果从而提高PDE性能。从改善雾化与冷却壁面两个角度来看，这都是PDE实际应用中需要解决的问题，如何有效处理他们，是未来技术发展的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，通过在燃烧室前中段的DDT段壁面中布置燃油通道，充分利用了脉冲爆震燃烧室DDT段的高温，对燃油进行预热以及一定的预蒸发，有利于后续的雾化、燃烧过程。燃油吸收热量，极大地降低了燃烧室前中段即DDT段的壁面温度，由于燃油比热远远大于空气，所以相对传统的空气冷却，冷却效果显著提高。取消了冷却进气与外带冷却液，使得燃烧室内参与燃烧空气充足，有利于扩大发动机的工作范围、提高推重比。发动机前中段壁面以及发动机进口处壁面设置有大量喷油孔，大面积、全空间的供油方式使得发动机燃烧室内油气分布均匀、燃烧快速，可以提高脉冲爆震发动机工作稳定性。前中段壁面的喷油孔喷出的燃油与来流成一定角度，扰动作用一定程度上缩短DDT距离，减少了发动机轴向长度。
技术方案
本发明的目的在于提供一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构。
本发明技术方案如下：
一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，包括进气通道，燃油进口，内部燃油通道，进口壁面燃油喷孔以及前中段壁面燃油喷孔。其特征在于：燃油进口位于靠近下游的位置，燃油经燃油进口流入燃烧室壁面中的内部燃油通道，向上游流动，该过程中燃油与壁面充分换热，起到冷却壁面、预热燃油的作用。燃油在内部燃油通道流动过程中，大量燃油通过前中段壁面燃油喷孔喷出，一方面在发动机燃烧室内形成分布均匀的高浓度油雾利于燃烧，另一方面燃油在喷出过程中冲击来流气流，扰动作用缩短DDT距离，进口壁面燃油喷孔喷出完全换热、温度极高的半蒸发油雾，使得雾化效果极佳，初始燃烧更加充分、火焰更加稳定，提高了发动机的稳定性与燃烧效率。内部燃油通道，进口壁面燃油喷孔以及前中段壁面燃油喷孔的特征尺寸可根据实际工程需要确定，这里不做具体限定，前中段壁面燃油喷孔可以与壁面内部布置的任何实体障碍物结合进一步缩短DDT距离。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构。其特征在于，通过在燃烧室前中段的DDT段壁面中布置燃油通道，充分利用了脉冲爆震燃烧室DDT段的高温，对燃油进行预热以及一定的预蒸发，有利于燃烧室中后续的雾化、燃烧过程。燃油吸收热量，极大地降低了燃烧室前中段即DDT段的壁面温度，由于燃油比热远远大于空气，所以相对传统的空气冷却，冷却效果显著提高。取消了冷却进气与外带冷却剂以及配套的辅助设备，使得燃烧室内参与燃烧空气充足，有利于扩大发动机的工作范围、提高推重比。发动机前中段壁面以及发动机进口处壁面设置有大量喷油孔，大面积、全空间的供油方式使得发动机燃烧室内油气分布均匀、燃烧快速、完全，可以提高脉冲爆震发动机工作稳定性。前中段壁面的喷油孔喷出的燃油与来流成一定角度，扰动作用一定程度上缩短DDT距离，减少了发动机轴向长度，前中段壁面燃油喷孔还可以与壁面内部布置的任何实体障碍物结合进一步缩短DDT距离。
附图说明
图1：一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构整体示意图
图2：一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构剖面图
图3：一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构后视剖面图
图4：一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构细节剖面图
图中：1、进气口，2、内部燃油通道，3、燃油进口，4、进口壁面燃油喷孔，5、前中段壁面燃油喷孔
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1、图2、图3和图4，本发明提出一种燃气轮机燃烧室旋流喷嘴。图1为一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构整体示意图，图2为一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构剖面图，图3为一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构后视剖面图，图4为一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构细节剖面图。
燃油经过位于PDE下游位置的燃油进口1进入内部燃油通道2，通道位于PDE前中段壁面内部。燃油在内部燃油通道2中流动与内壁面进行换热，冷却壁面。一部分燃油短暂预热后，经过前中段壁面燃油喷孔5喷入燃烧室中，参与燃烧的DDT过程；另一部分燃油经过充分预热后以半油雾的状态从进口壁面燃油喷孔4喷入燃烧室中，参与缓燃燃烧过程。空气则由中心进气口1提供。
通过在燃烧室前中段的DDT段壁面中布置内部燃油通道2，充分利用了脉冲爆震燃烧室DDT段的高温，对燃油进行预热以及一定的预蒸发，有利于燃烧室中后续的雾化、燃烧过程。燃油吸收热量，极大地降低了燃烧室前中段即DDT段的壁面温度，由于燃油比热远远大于空气，所以相对传统的空气冷却，冷却效果显著提高。取消了冷却进气与外带冷却剂以及配套的辅助设备，使得燃烧室内参与燃烧空气充足，有利于扩大发动机的工作范围、提高推重比。发动机前中段壁面以及发动机进口处壁面设置有大量喷油孔，大面积、全空间的供油方式使得发动机燃烧室内油气分布均匀、燃烧快速、完全，可以提高脉冲爆震发动机工作稳定性。进口壁面燃油喷孔4喷出完全换热、温度极高的半蒸发油雾，使得雾化效果极佳，初始缓燃燃烧更加充分、火焰更加稳定，提高了发动机的稳定性与燃烧效率。前中段壁面喷油孔5喷出的燃油与来流成一定角度，扰动作用一定程度上缩短DDT距离，减少了发动机轴向长度，前中段壁面燃油喷孔5还可以与壁面内部布置的任何实体障碍物结合进一步缩短DDT距离，减少发动机尺寸。

Claims (4)

1.一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，包括进气通道，燃油进口，内部燃油通道，进口壁面燃油喷孔以及前中段壁面燃油喷孔。
2.根据权利要求1所述的一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，其特征在于：燃油进口位于靠近下游的位置，燃油经燃油进口流入燃烧室壁面中的内部燃油通道，向上游流动，该过程中燃油与壁面充分换热，起到冷却壁面、预热燃油的作用。
3.根据权利要求1所述的一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，其特征在于：燃油在内部燃油通道流动过程中，大量燃油通过前中段壁面燃油喷孔喷出，一方面在发动机燃烧室内形成分布均匀的高浓度油雾利于燃烧，全方位的高密度油雾参与燃烧提供热量可缩短DDT距离，另一方面燃油在喷出过程中冲击来流气流，扰动作用也可缩短DDT距离，进口壁面燃油喷孔喷出完全换热、温度极高的半蒸发油雾，雾化效果极佳，初始缓燃燃烧更加充分、火焰更加稳定，提高了发动机的稳定性与燃烧效率。
4.根据权利要求1所述的一种供油冷却一体化吸气式脉冲爆震发动机结构，其特征在于：内部燃油通道，进口壁面燃油喷孔以及前中段壁面燃油喷孔的特征尺寸可根据实际工程需要确定，这里不做具体限定，前中段壁面燃油喷孔可以与壁面内部布置的任何实体障碍物结合进一步缩短DDT距离。
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