CN111520761B - 一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，公开了一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，主要由旋转爆震燃烧室和进气掺混模块组成；进气掺混模块为中空夹层结构，包括径向跑道型进气段、径向跑道型隔离段和燃料喷注模块；来流空气经径向跑道型进气段超音速喷管加速形成超声速气流进入径向跑道型隔离段内，并与燃料混合形成可燃气；高速可燃气在燃烧室内被起爆并形成高频高压旋转爆震波，高频高压旋转爆震波对来流产生扰动并形成激波结构，前传至径向跑道型隔离段。在径向跑道型隔离段流道两侧分别布置光学玻璃，通过在光学玻璃两侧布置相应光学观测设备，观测光路经光学玻璃通过隔离段流场，从而实现对隔离段流场波系结构的光学观测。

Description

一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室。

背景技术

在旋转爆震发动机中，旋转爆震波在燃烧室中高速传播，频率达数千赫兹、峰值可达数兆帕，且燃烧室压力沿圆周方向存在显著的差异，形成高频周期性脉动压力。这种复杂恶劣的燃烧反压环境会影响燃料和氧化剂的喷注、混合过程。对于旋转爆震冲压发动机，这可能会直接影响到旋转爆震燃烧室入口处的流动过程，严重情况下会引起进气道壅塞、造成不起动。对于旋转爆震火箭发动机和旋转爆震涡轮发动机，旋转爆震燃烧反压与推进剂的流动、混合过程等相互耦合，对旋转爆震波的稳定传播有重要影响。因此，开展旋转爆震反压与来流相互作用研究，明晰旋转爆震反压对隔离段气流的影响，获取其中的波系结构、明晰隔离段波系结构随爆震波传播的演化特性，对于旋转爆震发动机，尤其是旋转爆震冲压发动机的高效、稳定工作有着重要意义。

现有技术中，通常采用隔离段来隔离旋转爆震反压对进气道来流的影响。目前的旋转爆震燃烧室构型主要分为两种，圆盘形和圆环形(圆筒形为圆环形的特殊构型，无内柱)。在旋转爆震发动机工作过程中，爆震波峰值压力高达数兆帕并沿燃烧室周向高频传播，其引起的强压力扰动必然会导致燃烧室入口来流流动状态发生变化，并在隔离段中形成复杂波系结构。对于隔离段波系结构的研究十分重要，但目前尚无有效方法实现对旋转爆震发动机隔离段波系结构的直接观测。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，通过将隔离段流道垂直于燃烧室轴向方向放置，有利于观测光路的布置及光学观测设备的放置；同时采用跑道型的旋转爆震燃烧室结构，等直段内隔离段沿径向方向的流通面积不发生变化，从而保证了隔离段内的气流状态稳定。该构型能够实现超音速来流条件下旋转爆震发动机隔离段流场结构的光学观测，为旋转爆震冲压发动机隔离段的光学观测提供方案。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，主要由旋转爆震燃烧室和设置于旋转爆震燃烧室进口端的进气掺混模块组成，进气掺混模块与旋转爆震燃烧室的中心轴相垂直；旋转爆震燃烧室的横截面主要是由两个对向设置的半圆部分和连接两个半圆部分的跑道型等直段形成的跑道型结构；进气掺混模块为中空夹层结构，包括与旋转爆震燃烧室位于同一中心轴线的径向跑道型进气段、径向跑道型隔离段和燃料喷注模块；径向跑道型隔离段的出口端与旋转爆震燃烧室的内腔连通；径向跑道型隔离段对应的进气掺混模块的侧面位置为光学观测区，光学观测区对应的径向跑道型隔离段两侧壁均为光学玻璃；光学观测区两侧设置有纹影观测装置、阴影观测装置或摄影装置中的一种。

进一步地，径向跑道型隔离段的出口端与旋转爆震燃烧室进口端之间设置有将径向流动的气流转向旋转爆震燃烧室轴向流动的转接段。

进一步地，燃料喷注模块的燃料喷注位置位于径向跑道型隔离段出口端或径向跑道型隔离段与旋转爆震燃烧室面积扩张段。

进一步地，燃料喷注模块包括燃料腔和多个燃料喷孔，燃料喷孔连通燃料腔与径向跑道型隔离段出口端。

进一步地，燃料腔位于径向跑道型进气段内侧且靠近进气掺混模块中心位置。

进一步地，旋转爆震燃烧室内设置有内柱一，内柱一外壁与旋转爆震燃烧室的内壁形成壁面相互平行的跑道型夹层流道。

进一步地，燃料腔为跑道型环腔结构，径向跑道型进气段位于燃料腔内侧且靠近进气掺混模块中心位置；旋转爆震燃烧室为具有内筒的跑道型夹层筒状结构，旋转爆震燃烧室的内壁和内筒形成壁面相互平行的跑道型夹层流道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过将隔离段流道垂直于燃烧室轴向方向放置，有利于观测光路的布置及光学观测设备的放置；同时采用跑道型的旋转爆震燃烧室结构，等直段内隔离段沿径向方向的流通面积不发生变化，从而保证了隔离段内的气流状态稳定。该构型能够实现超音速来流条件下旋转爆震发动机隔离段流场结构的光学观测，为旋转爆震冲压发动机隔离段的光学观测提供方案。

附图说明

图1为实施例1中可在旋转爆震反压下实现隔离段流场结构观测的外径进气圆环形燃烧室的结构示意图；

图2为图1中沿一个半圆部分的径向剖开后的沿程流道截面结构示意图；

图3为实施例1中的另一种外径进气圆筒形燃烧室的结构示意图；

图4为图3中沿一个半圆部分的径向剖开后的沿程流道截面结构示意图；

图5为实施例2中可在旋转爆震反压下实现隔离段流场结构观测的内径进气圆环形燃烧室的结构示意图；

图6为图5中沿一个半圆部分的径向剖开后的沿程流道截面结构示意图；

图7为实施例1和2中隔离段波系观测光路布置示意图；

其中：1、径向跑道型进气段；2、径向跑道型隔离段；3、旋转爆震燃烧室；4、半圆部分；5、跑道型等直段；6、光学观测区；7、转接段；8、燃料腔；9、燃料喷孔；10、内柱一；11、内筒；12、光源；13、凹面反射镜；14、平面反射镜；15、光学玻璃；16、刀口；17、聚焦镜头；18、高速相机。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

参见图1、图2和图7，一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，主要由旋转爆震燃烧室3和设置于旋转爆震燃烧室3进口端的进气掺混模块组成，进气掺混模块与旋转爆震燃烧室3的中心轴相垂直；旋转爆震燃烧室3的横截面主要是由两个对向设置的半圆部分4和连接两个半圆部分4的跑道型等直段5形成的跑道型结构；进气掺混模块为中空夹层结构，包括与旋转爆震燃烧室3位于同一中心轴线的径向跑道型进气段1、径向跑道型隔离段2和燃料喷注模块；径向跑道型隔离段2的出口端与旋转爆震燃烧室3的内腔连通；径向跑道型隔离段2对应的进气掺混模块的侧面位置为光学观测区6，光学观测区6对应的径向跑道型隔离段2两侧壁均为光学玻璃15；光学观测区6两侧设置有纹影观测装置、阴影观测装置或摄影装置中的一种。

在本实施例中，在周向方向，可将燃烧室可分为三部分：跑道型等直段5和两个分别位于跑道型等直段5两侧的半圆部分4，三个部分沿径向的流道构型相同，进而实现两个半圆部分4分别与跑道型等直段5流道的光滑过渡。来流空气从外部通道进入径向跑道型进气段1，在径向跑道型进气段1超声速喷管的加速下加速至超声速(Ma>1)，随后气流进入径向跑道型隔离段2(光学观测区6域)。燃料通过燃料喷注模块在径向跑道型隔离段2的出口端喷入，在径向跑道型隔离段2径向跑道型隔离段2出口端，燃料进入流道并与来流空气混合后进入旋转爆震燃烧室3，随后可燃混合气在燃烧室内被起爆并形成沿圆周方向传播的高频旋转爆震波，爆震燃烧产物沿轴向方向从燃烧室出口高速排出，从而产生推力。燃烧室内爆震波压力较高，进而对径向跑道型隔离段2气流产生影响，径向跑道型隔离段2内形成特定的前传激波。

本实施例中径向跑道型进气段1、径向跑道型隔离段2、燃料腔8以及旋转爆震燃烧室3的中心轴线位于同一直线上，保证径向跑道型隔离段2流道与燃烧室轴向方向垂直，有利于光路布置及光学设备的摆放。而在两个半圆部分4的径向跑道型隔离段2部分，气流沿径向方向流动，曲率的影响将使得沿径向的隔离段流道存在额外的面积变化，这将对气流马赫数等状态参数有一定影响，不利于定量化研究。基于此，本实施例设计的跑道型等直段5，在该等直段内，气流沿径向流动时不存在由曲率导致的额外面积变化，可以保持特定的气流参数，如马赫数、压力和温度；等直段内隔离段沿径向方向的流通面积不发生变化，从而保证了隔离段内的气流状态稳定。此外，由于跑道型等直段5两侧壁面相互平行且与气流流动方向垂直，有利于光学观测窗口的布置。通过光学观测窗口，可以开展纹影、阴影观测，进而获取旋转爆震影响下的径向跑道型隔离段2波系结构。本实施例以纹影观测光路为例，光路布置示意图如图7所示，光源12发出的光线照射到凹面反射镜13上，经凹面反射镜13反射至平面反射镜14上，平面反射镜14安装于径向跑道型隔离道的跑道型等直段5两侧，一侧的平面反射镜14将光源12通过光学玻璃15照射至隔离道内，在隔离道内的气流条件下，光通过隔离道后产生阴影或纹影效果，再经另一侧的平面反射镜14、凹面反射镜13以及刀口16狭缝传递到聚焦镜头17上，经过聚焦后的光线进入高速相机18，实现对隔离道内气流产生的阴影或纹影的观察。

径向跑道型隔离段2的出口端与旋转爆震燃烧室3进口端之间设置有将径向流动的气流转向旋转爆震燃烧室3轴向流动的转接段7。转接段7具有两方面作用，作用一：将径向流动的气流转向燃烧室轴向流动；作用二：布置燃料喷注模块。本实施例中燃料喷注模块的燃料喷注位置位于径向跑道型隔离段2出口端或径向跑道型隔离段2与旋转爆震燃烧室3面积扩张段。

燃料喷注模块包括燃料腔8和多个燃料喷孔9，燃料喷孔9连通燃料腔8与径向跑道型隔离段2出口端；本实施例中的燃料腔8位于径向跑道型进气段1内侧且靠近进气掺混模块中心位置。此时进气道在燃料腔8的外周，实现外径进气。旋转爆震燃烧室3内设置有内柱一10，内柱一10外壁与旋转爆震燃烧室3的内壁形成壁面相互平行的跑道型夹层流道，旋转爆震燃烧室3为类似圆环型的跑道结构，可形成外径进气圆环形燃烧室构型方案(如图1和图2)。此外，在没有内柱一10的情况下，燃烧室为类似圆筒形的跑道结构，可形成外径进气圆筒形燃烧室构型方案(如图3和图4)。

实施例2：

参见图5、图6和图7，一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，主要由旋转爆震燃烧室3和设置于旋转爆震燃烧室3进口端的进气掺混模块组成，进气掺混模块与旋转爆震燃烧室3的中心轴相垂直；旋转爆震燃烧室3的横截面主要是由两个对向设置的半圆部分4和连接两个半圆部分4的跑道型等直段5形成的跑道型结构；进气掺混模块为中空夹层结构，包括与旋转爆震燃烧室3位于同一中心轴线的径向跑道型进气段1、径向跑道型隔离段2和燃料喷注模块；径向跑道型隔离段2的出口端与旋转爆震燃烧室3的内腔连通；径向跑道型隔离段2对应的进气掺混模块的侧面位置为光学观测区6，光学观测区6对应的径向跑道型隔离段2两侧壁均为光学玻璃15；光学观测区6两侧设置有纹影观测装置、阴影观测装置或摄影装置中的一种。

燃料喷注模块包括燃料腔8和多个燃料喷孔9，燃料喷孔9连通燃料腔8与径向跑道型隔离段2出口端；径向跑道型进气段1、径向跑道型隔离段2、燃料腔8以及旋转爆震燃烧室3的中心轴线位于同一直线上。

燃料腔8为跑道型环腔结构，径向跑道型进气段1位于燃料腔8内侧且靠近进气掺混模块中心位置；旋转爆震燃烧室3为具有内筒11的跑道型夹层筒状结构，旋转爆震燃烧室3的内壁和内筒11形成壁面相互平行的跑道型夹层流道；即进气道在燃烧腔的内周以内，旋转爆震燃烧室3为类似圆环型的跑道结构，可形成内径进气圆环形燃烧室构型方案，并保证了光学观测区6的有效布置。

本实施例中的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：主要由旋转爆震燃烧室(3)和设置于旋转爆震燃烧室(3)进口端的进气掺混模块组成，所述进气掺混模块与旋转爆震燃烧室(3)的中心轴相垂直；所述旋转爆震燃烧室(3)的横截面主要是由两个对向设置的半圆部分(4)和连接两个半圆部分(4)的跑道型等直段(5)形成的跑道型结构；所述进气掺混模块为中空夹层结构，包括与旋转爆震燃烧室(3)位于同一中心轴线的径向跑道型进气段(1)、径向跑道型隔离段(2)和燃料喷注模块；所述径向跑道型隔离段(2)的出口端与所述旋转爆震燃烧室(3)的内腔连通；所述径向跑道型隔离段(2)对应的进气掺混模块的侧面位置为光学观测区(6)，所述光学观测区(6)对应的径向跑道型隔离段(2)两侧壁均为光学玻璃(15)；所述光学观测区(6)两侧设置有纹影观测装置、阴影观测装置或摄影装置中的一种。

2.根据权利要求1所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述径向跑道型隔离段(2)的出口端与所述旋转爆震燃烧室(3)进口端之间设置有将径向流动的气流转向旋转爆震燃烧室(3)轴向流动的转接段(7)。

3.根据权利要求1所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述燃料喷注模块的燃料喷注位置位于径向跑道型隔离段(2)出口端或径向跑道型隔离段(2)与旋转爆震燃烧室(3)面积扩张段。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述燃料喷注模块包括燃料腔(8)和多个燃料喷孔(9)，所述燃料喷孔(9)连通燃料腔(8)与径向跑道型隔离段(2)出口端。

5.根据权利要求4所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述燃料腔(8)位于所述径向跑道型进气段(1)内侧且靠近进气掺混模块中心位置。

6.根据权利要求5所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述旋转爆震燃烧室(3)内设置有内柱一(10)，所述内柱一(10)外壁与所述旋转爆震燃烧室(3)的内壁形成壁面相互平行的跑道型夹层流道。

7.根据权利要求4所述的可实现隔离段流场结构观测的旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述燃料腔(8)为跑道型环腔结构，所述径向跑道型进气段(1)位于所述燃料腔(8)内侧且靠近进气掺混模块中心位置；所述旋转爆震燃烧室(3)为具有内筒(11)的跑道型夹层筒状结构，所述旋转爆震燃烧室(3)的内壁和内筒(11)形成壁面相互平行的跑道型夹层流道。

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