CN111535939B - 一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，主要包括燃油箱、燃油增压泵、爆震燃烧室第一级换热器、爆震燃烧室第二级换热器、回热器、旁通调节阀、低压比涡轮、励磁发电机、气液分离室及雾化喷嘴。所述系统利用再生冷却过程中高温高压碳氢燃料在同励磁发电机共轴安装的涡轮中膨胀做功来转移燃烧室壁面高热流，实现热能向电能的转化，提高再生冷却能力；根据膨胀做功后低温低压混合态燃料的密度差来实现裂解后小分子气态燃料同大分子液态燃料的分离，并以起爆性能优异的小分子气态燃料旋流雾化液态燃料的方式喷射进入燃烧室，可解决传统混合态燃料喷射的压力脉动问题，实现均匀雾化及掺混。

Description

一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统

技术领域

本发明涉及爆震发动机领域，具体为一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统。

背景技术

爆震推进发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，爆震燃烧化学反应速率极快，在燃烧室内直接利用其燃烧产生的爆震波来压缩气体，而新鲜反应物来不及膨胀便被转化为高温高压的燃烧产物，故爆震燃烧类似于等容燃烧。因此，基于爆震燃烧的发动机热循环比传统缓燃燃烧方式具有更高的热效率。此外，爆震发动机的结构比较简单，省去了压气机、涡轮机等部件，具有较高的推重比。基于上述优点，爆震燃烧推进发动机的研究获得了广泛的关注，是具有广阔应用前景的空天动力装置。

使用液态燃料作为空天动力推进剂，具有能量密度高、易贮存、冷却性能好和安全性高等优点。而在爆震推进动力装置中如何实现液体燃料的快速点火和起爆一直是一项重要研究课题，对于复杂液态碳氢燃料，由于雾化不良、工作稳定性差、起爆性能差等问题的存在，其DDT(Deflagration to Detonation Transition)时间和点火延迟时间相比于气态燃料大了近一个数量级。此外，使用液态燃料时，爆震燃烧后的烟气温度超过2000K，已超出壁面材料所能承受的最高温度，且当管壁温度大于燃料的自燃温度时，爆震燃烧室内喷注的燃料将会发生自燃现象，此时爆震失效。基于此问题，因冷却环腔内涂覆裂解催化剂的再生冷却方案可实现对燃烧室壁面冷却的同时获得起爆性能优异的小分子气态燃料而被广泛采用。然而，随着工作频率的提高或长时间工作，爆震燃烧释热量急剧增加，高的燃烧室壁面温度将导致燃油结焦积碳，堵塞通道及管路，额定携带燃油总量一定的条件下，再生冷却过程无法满足冷却需求。除此之外，传统冷却环腔内涂覆裂解催化剂的再生冷却方案中，因受限于涂覆面积等因素，碳氢燃料仅有少部分能够同催化剂充分接触，而受热裂解效率极低、易结焦，且碳氢燃料组分种类十分复杂，各组分物理及化学特性差异巨大，同一条件下始终无法实现液态碳氢燃料全部裂解为起爆性能优异的小分子气态燃料，最终高温气/液态混合燃料喷射进入燃烧室，而气/液态混合燃料存在的大的密度差又将导致喷射压力的脉动，喷射不稳定，恶化掺混及雾化，降低爆震起爆和燃烧性能。

鉴于上述问题，需要基于原有再生冷却方案提出一种新的系统来实现高频率长时间工作时爆震燃烧室壁面高热流的转移以及控制吸热裂解后混合态燃料的喷射过程，从而在解决热端部件防护问题的同时，获得爆震燃烧室内燃料的均匀雾化及掺混。

发明内容

要解决的技术问题

结合现有再生冷却爆震燃烧室研究设计方案，本发明提出一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，以解决气/液态混合燃料喷射的压力脉动问题，实现均匀雾化及掺混，同时满足高频率长时间工作条件下爆震燃烧室壁面的冷却需求。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，主要包括燃油箱、燃油增压泵、爆震燃烧室第一级换热器、爆震燃烧室第二级换热器、回热器、旁通调节阀、低压比涡轮、励磁发电机、气液分离室及雾化喷嘴。

所述燃油箱出口与燃油增压泵进口相连通，所述燃油增压泵出口与爆震燃烧室第一级换热器进口相连通，所述爆震燃烧室第一级换热器出口与回热器混合态燃料进口相连通，所述回热器混合态燃料出口与低压比涡轮进口相连通，所述低压比涡轮出口与气液分离室混合态燃料进口相连通，所述气液分离室气态燃料出口与回热器气态燃料进口相连通，所述气液分离室液态燃料出口与爆震燃烧室第二级换热器进口相连通，所述回热器气态燃料出口与雾化喷嘴气路进口相连通，所述爆震燃烧室第二级换热器出口与雾化喷嘴油路进口相连通，所述旁通调节阀安装于回热器气态燃料管路的并联通道上，所述低压比涡轮与励磁发电机共轴安装。

所述燃油增压泵用于实现常温常压液态碳氢燃料的增压，保证爆震燃烧室第一级换热器出口背压不低于所用碳氢燃料临界压力。

所述爆震燃烧室第一级换热器安装于爆震燃烧室热流较大的DDT段外壁，以实现低温高压碳氢燃料流动过程大幅温度升高，且所述第一级换热器内壁涂有碳氢燃料高效裂解催化剂，用以实现碳氢燃料的部分裂解转化为起爆性能优异的小分子气态燃料，最终在所述爆震燃烧室第一级换热器出口获得粘性小、流动性强的超临界/气态混合燃料，避免其在回热器混合态燃料流动容腔中过大的流动阻力，同时减小混合态燃料密度差，提高流动稳定性。

所述爆震燃烧室第二级换热器安装于爆震燃烧室热流较小的爆震传播段外壁，以实现被气液分离后的大分子液态燃料较小幅温度升高，避免雾化喷嘴油路进口温度过高导致与氧化剂混合后点火感应期过度下降，进而发生自燃现象，爆震失效。

所述爆震燃烧室第一级换热器出口与所述爆震燃烧室第二级换热器出口位置沿燃烧室壁面轴向相邻，以避免燃烧室壁面轴向过高的温度梯度而导致局部应力集中。

所述回热器结构为简单螺旋结构的气态燃料流动通道内置于混合态燃料流动容腔，保证混合态燃料较小的流动阻力，降低功耗，同时具有一定的涡轮前稳流能力，避免大的压力波动对涡轮叶面造成突然的冲击。

所述旁通调节阀安装于回热器气态燃料管路的并联通道上，可一定范围内根据燃烧室壁面释热量调节气态燃料回热流量，即，当燃烧室壁面热流较高时，回热流量减小，涡轮机入口燃料焓值增大，更多的热能转化为电能，实现壁面热流的及时转移；而当燃烧室壁面热流较低时，回热流量增加，雾化喷嘴气路进口燃料焓值增加，提升小分子气态燃料的起爆性能，缓和因壁面低热流而引起的起爆性能下降趋势。

所述低压比涡轮同励磁发电机共轴安装，通过高温高压碳氢燃料在涡轮中的膨胀做功来转移燃烧室壁面热流，实现热能向电能的转化，提高再生冷却能力的同时，向基于爆震燃烧为动力主体的推进系统提供一种有效的发电方式。

所述气液分离室根据膨胀做功后的低温低压混合态燃料大的密度差来实现裂解后小分子气态燃料同大分子液态燃料的分离，避免气/液混合态燃料喷射时因密度差而导致的压力脉动、掺混雾化不均匀、起爆及燃烧不稳定。

所述雾化喷嘴采用油路和气路两路进口，且由于管路阻力不同，气路进口压力略高于油路进口，系统所供燃料最终通过该雾化喷嘴以起爆性能优异的小分子气态燃料旋流雾化大分子液态燃料的方式喷射进入燃烧室，实现均匀掺混及雾化。

有益效果

(1)常温常压碳氢燃料通过所述燃油喷射系统，最终以起爆性能优异的小分子气态燃料旋流雾化大分子液态燃料的方式喷射进入燃烧室，可避免气液混合态燃料喷射时因密度差而导致的压力脉动、掺混雾化不均匀、起爆性能差及燃烧不稳定现象。

(2)所述燃油喷射系统，通过再生冷却过程，将在爆震燃烧室第一级换热器吸热后所得的高温高压碳氢燃料引入同励磁发电机共轴安装的涡轮机中膨胀做功来转移燃烧室壁面高热流，实现能量的转化利用，提高再生冷却能力，保证爆震燃烧室高频连续可靠的工作，同时向基于爆震燃烧为动力主体的推进系统提供一种有效的发电方式。

附图说明

图1为一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统示意图(细虚线为气态燃料管路，粗虚线为超临界/气态混合燃料管路，实线为液态燃料管路)。

图中，1为燃油箱，2为旁通调节阀，3为回热器气态燃料流动管路，4为回热器，5为回热器混合态燃料流动容腔，6为低压比涡轮，7为励磁发电机，8为气液分离室，9为爆震燃烧室第二级换热器进口，10为爆震燃烧室第二级换热器，11为爆震燃烧室第一级换热器出口，12为爆震燃烧室第二级换热器出口，13为爆震燃烧室壁面，14为爆震燃烧室第一级换热器，15为爆震燃烧室第一级换热器进口，16为火花塞，17为雾化喷嘴，18为氧化剂进口，19为燃油增压泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，如图1所示，其包括：燃油箱1、旁通调节阀2、回热器气态燃料流动管路3、回热器4、回热器混合态燃料流动容腔5、低压比涡轮6、励磁发电机7、气液分离室8、爆震燃烧室第二级换热器进口9、爆震燃烧室第二级换热器10、爆震燃烧室第一级换热器出口11、爆震燃烧室第二级换热器出口12、爆震燃烧室壁面13、爆震燃烧室第一级换热器14、爆震燃烧室第一级换热器进口15、火花塞16、雾化喷嘴17、氧化剂进口18及燃油增压泵19。

所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述爆震燃烧室第一级换热器14安装于爆震燃烧室壁面13热流较大的DDT段外壁，所述爆震燃烧室第二级换热器10安装于爆震燃烧室壁面13热流较小的爆震传播段外壁，所述爆震燃烧室第一级换热器14内壁涂有碳氢燃料高效裂解催化剂，所述爆震燃烧室第一级换热器出口11与爆震燃烧室第二级换热器出口12轴向相邻，所述燃油箱1出口与燃油增压泵19进口相连通，所述燃油增压泵19出口与爆震燃烧室第一级换热器进口14相连通，所述爆震燃烧室第一级换热器出口11与回热器混合态燃料流动容腔5进口相连通，所述回热器混合态燃料流动容腔5出口与低压比涡轮6进口相连通，所述低压比涡轮6出口与气液分离室8混合态燃料进口相连通，所述气液分离室8气态燃料出口与回热器气态燃料流动管路3进口相连通，所述气液分离室8液态燃料出口与爆震燃烧室第二级换热器进口9相连通，所述回热器气态燃料流动管路3出口与雾化喷嘴17气路进口相连通，所述爆震燃烧室第二级换热器出口12与雾化喷嘴17油路进口相连通，所述旁通调节阀2安装于回热器气态燃料流动管路3的并联通道上，所述低压比涡轮6与励磁发电机7共轴安装。

工作过程

所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其工作时，燃油箱1中的常温常压液态碳氢燃料经燃油增压泵19增压至超临界压力后，流经涂有高效裂解催化剂的爆震燃烧室第一级换热器14吸热裂解形成高温高压超临界/气态混合燃料，然后进入回热器混合态燃料流动容腔5，进一步通过低压比涡轮6膨胀做功带动同其共轴安装的励磁发电机7，实现燃烧室壁面热流的转移并完成向电能的转换；膨胀后形成的低温低压气/液态混合燃料进入气液分离室8，低温低压混合态燃料因大的密度差而实现裂解后的小分子气态燃料同大分子液态燃料的分离；气液分离室8上部气态燃料一路流经回热器气态燃料流动管路3吸热升温，另一路流经旁通调节阀2，两者混合后流入雾化喷嘴17气路进口，下部液态燃料经爆震燃烧室第二级换热器10吸热升温形成高温液态燃料后进入雾化喷嘴17油路进口；由于气态燃料管路流动阻力较小，最终以压力略高的起爆性能优异的小分子气态燃料旋流雾化液态燃料的方式将系统供油喷射进入燃烧室。在一定范围内，若爆震燃烧室壁面13热流较高，旁通调节阀2开度增加，气态燃料回热流量减小，低压比涡轮6入口燃料焓值增大，更多的热能转化为电能，实现壁面热流的及时转移；而当爆震燃烧室壁面13热流较低时，旁通调节阀2开度减小，气态燃料回热流量增加，雾化喷嘴17气路进口燃料焓值增加，提升小分子气态燃料的起爆性能，缓和因壁面热流降低而引起的起爆性能下降趋势。

以上结合附图和具体工作过程对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、替换与优化等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：包括燃油箱、燃油增压泵、爆震燃烧室第一级换热器、爆震燃烧室第二级换热器、回热器、旁通调节阀、低压比涡轮、励磁发电机、气液分离室及雾化喷嘴；所述燃油箱出口与燃油增压泵进口相连通，所述燃油增压泵出口与爆震燃烧室第一级换热器进口相连通，所述爆震燃烧室第一级换热器出口与回热器混合态燃料进口相连通，所述回热器混合态燃料出口与低压比涡轮进口相连通，所述低压比涡轮出口与气液分离室混合态燃料进口相连通，所述气液分离室气态燃料出口与回热器气态燃料进口相连通，所述气液分离室液态燃料出口与爆震燃烧室第二级换热器进口相连通，所述回热器气态燃料出口与雾化喷嘴气路进口相连通，所述爆震燃烧室第二级换热器出口与雾化喷嘴油路进口相连通，所述旁通调节阀安装于回热器气态燃料管路的并联通道上，所述低压比涡轮与励磁发电机共轴安装。

2.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述爆震燃烧室第一级换热器安装于爆震燃烧室热流较大的DDT段外壁，且内壁涂有碳氢燃料裂解催化剂；所述爆震燃烧室第二级换热器安装于爆震燃烧室热流较小的爆震传播段外壁，且出口为液态燃料；所述爆震燃烧室第一级换热器出口与爆震燃烧室第二级换热器出口轴向相邻，避免爆震燃烧室壁面过大的轴向温度梯度。

3.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述旁通调节阀安装于回热器气态燃料管路的并联通道上，在一定范围内，根据燃烧室壁面热流大小调节气态燃料回热流量，实现燃烧室高热流时的壁面及时冷却及低热流时的燃料快速起爆。

4.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述回热器结构为简单螺旋结构的气态燃料流动通道内置于混合态燃料流动容腔，保证混合态燃料较小的流动阻力，同时具有一定的涡轮前稳流能力，减小涡轮叶面的瞬间压力冲击。

5.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述系统将在爆震燃烧室第一级换热器吸热后所得的高温高压碳氢燃料引入同励磁发电机共轴安装的涡轮机中膨胀做功来转移燃烧室壁面高热流，实现热能向电能的转化，及时转移壁面热流，提高再生冷却能力。

6.根据权利要求1所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的燃油喷射系统，其特征在于：所述系统利用膨胀做功后的低温低压混合态燃料的密度差实现裂解后的小分子气态燃料同大分子液态燃料的分离，并以起爆性能优异的小分子气态燃料旋流雾化液态燃料的方式喷射进入爆震燃烧室，解决喷射压力脉动问题，实现均匀掺混及雾化。

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