CN111720217B - 一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，属于航空发动机领域；包括低压分油腔、燃油支路和稳压段，低压分油腔顶部中央设置有燃油进口，底部等间距设置多个燃油出口；多个稳压段均通过燃油支路与低压分油腔的燃油出口一一对应连通；稳压段沿中心轴开有台阶通孔作为流道，台阶通孔两端的直径大于中部的直径，位于中部的一段称为薄壁小孔；薄壁小孔的直径为爆震燃烧室当量直径的0.010～0.025倍，其轴向长度为其直径的1～4倍。通过低压分油腔的稳压、稳压段薄壁小孔的节流，有效提高分配器在自适应供油情况下各燃油支路燃油流量均匀性，减小燃油支路因爆震燃烧室内燃气压力波动引起的燃油倒流，降低分油腔内压力脉动，减小燃油支路间互相干扰。

Description

一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器。

背景技术

爆震燃烧具有传播速度快、能自增压、燃烧过程熵增低等特有优点，因此，发动机中采用脉冲爆震燃烧后可提高其循环热效率、简化结构，同时提升发动机单位推力并降低耗油率。使其在无人飞机、导弹以及组合动力装置等领域有着广阔的应用前景，并有望成为未来最先进的动力装置之一。其核心部件多管脉冲爆震燃烧室的燃油附件系统的小型化、轻量化是实现该类发动机工程化必须解决的问题。

由于多管脉冲爆震燃烧室工作的非定常特性和爆震本身的随机性使得其燃油供给系统十分复杂，为了匹配爆震室工作，燃油也必须周期性的喷入爆震室并且需要根据爆震室具体工作情况进行实时流量调节，为此供油系统需针对每个单管爆震室进行单独燃油供给控制，多管爆震室则需多套燃油流量测试、调节和控制器，其制造成本高昂、可靠性低并且无法满足小型轻量的工程要求，仅适用于地面台架试验。

针对爆震室工作特性，研究人员设计了一种自适应供油系统，它利用脉冲爆震燃烧室工作周期性产生爆震波导致燃烧室内燃气压力周期性波动，燃烧室内压力大于供油压力停止供应燃油，燃烧室内压力小于供油压力供应燃油，实现油路自适应周期性通断。

为了解决多管爆震室供油问题，结合自适应供油原理，文献1[袁成，范玮，彭畅新等.六管吸气式脉冲爆震发动机试验[J].航空动力学报，2011，26(9)：1984-1984.]中设计了一种用于六管脉冲爆震燃烧室的分油器，包括一个进油口、六个出油口、一个集油腔和六个燃油支管，该分油器要求必须水平放置，而且燃油支路油管长度、燃油支路出口高度以及爆震室内脉动压力都会影响分油均匀性。文献2[刘鸿.六管气动阀式两相脉冲爆震发动机试验研究[D].南京航空航天大学，2010.]中设计了两种用于六管脉冲爆震燃烧室的燃油分配装置，第一种包括一个燃油分配管和六个燃油支管，燃油分配管为长300mm直管且有六个燃油出口，实验表明该装置工作时燃油分配均匀度受爆震室内脉动压力影响过大；第二种包括一个有三个燃油出口的环形燃油分配管和六个加长燃油支路油管，每两个加长燃油支路油管使用一个三通连接在燃油出口上，实验表明该装置使用加长油路克服了爆震室内脉动压力的影响，但受重力影响，分油均匀度不佳，各个爆震室工作状态一致性差。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，通过低压分油腔稳压、稳压段小孔节流提高分配器在自适应供油情况下各燃油支路燃油流量均匀性，结构简单、加工简易、工作稳定，解决多管脉冲爆震燃烧室燃油自适应供给分油器燃油分配不均、受爆震室内脉动压力影响大、电控设备复杂、可靠性低的问题。

本发明的技术方案是：一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：包括低压分油腔、燃油支路和稳压段，所述低压分油腔为腔体结构，其顶部中央设置有燃油进口，底部等间距设置多个燃油出口；多个所述稳压段均通过燃油支路与低压分油腔的燃油出口一一对应连通；

所述燃油支路包括燃油支路接头、燃油支路压紧帽和燃油支路油管，所述燃油支路油管的一端通过燃油支路接头和燃油支路压紧帽与所述低压分油腔的燃油出口连通，另一端与所述稳压段固定连接，并通过稳压段与爆震燃烧室连通；

所述稳压段为圆柱状结构，沿中心轴开有台阶通孔作为流道，所述台阶通孔两端的直径大于中部的直径，位于中部的一段称为薄壁小孔；所述薄壁小孔的直径为爆震燃烧室当量直径的0.010～0.025倍，其轴向长度为其直径的1～4倍。

本发明的进一步技术方案是：所述低压分油腔的轴向水平设置，其径向截面为圆形，底部的多个燃油出口沿轴向均布。

本发明的进一步技术方案是：所述低压分油腔的腔体体积为每秒多管脉冲爆震燃烧室所需最大燃油流量的0.2～4倍，其油压小于等于1.5MPa。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁小孔两端均加工有斜倒角，倒角角度为0～60°。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁小孔两端流道的直径是薄壁小孔直径的两倍以上。

本发明的进一步技术方案是：所述低压分油腔的燃油进口处安装有燃油进口接头，所述燃油进口接头的流道截面面积大于所有稳压段的薄壁小孔径向截面面积和的2倍。

本发明的进一步技术方案是：所述燃油支路油管长度为爆震燃烧室直径的5-40倍，其内径为所述薄壁小孔直径的2-5倍。

有益效果

本发明的有益效果在于：通过低压分油腔的稳压、稳压段薄壁小孔的节流，有效提高分配器在自适应供油情况下各燃油支路燃油流量均匀性，减小燃油支路因爆震燃烧室内燃气压力波动引起的燃油倒流，降低分油腔内压力脉动，减小燃油支路间互相干扰，经实验测量，各个燃油支路供油压力误差不超过5％。

通过对低压分油腔容积、稳压段小孔面积和多管爆震室当量管径这些参数的耦合设计，当某根爆震管由于爆震的随机性产生较强爆震时，它的喷油量会减少，下次爆震的强度就会减弱；同理，当某管爆震强度较低，它的喷油量增加，下次爆震的强度增强，当多管爆震室高频工作时，通过多次自我调节可使爆震室供油量和工作强度相差无几。通过自适应燃油调节稳定各爆震室的爆震强度，有利于多管脉冲爆震燃烧室的协调匹配，使用本装置试验时各爆震室间起爆延迟时间差不超过2ms，各管工作同步性较好。本发明结构简单，加工简易，燃油分配均匀，分油过程简单有效，可自适应匹配多管脉冲爆震燃烧室，且安全可靠性高，降低了维护成本。

附图说明

图1：本发明的结构图；

图2：本发明的低压分油腔结构图；

图3：本发明的带燃油支路连接的低压分油腔结构图；

图4：本发明稳压段示意图；

图5：本发明实施示意图；

图6：本发明的燃油支路连接实施示意图；

附图标记说明：1.低压分油腔，2.燃油支路接头，3.燃油支路压紧帽，4.燃油支路油管，5.稳压段，6.低压分油腔密封堵头，7.低压分油腔燃油进口接头，8.气动喷嘴雾化气进口接头，9.爆震燃烧室管壁，10.喷嘴头，11.爆震增强装置，12.火花塞安装孔，13.气动雾化喷嘴连接体，14.气动雾化喷嘴底座，15.气动喷嘴燃油进口接头，16.爆震室进气锥。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参见图1，本发明一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器包括低压分油腔1、燃油支路接头2、燃油支路压紧帽3、燃油支路油管4、稳压段5、低压分油腔密封堵头6、低压分油腔燃油进口接头7。

请参见图2，所述低压分油腔1顶部中央设置1个燃油进口，腔底部等间距设置多个燃油出口；低压分油腔1腔体体积一般为每秒多管脉冲爆震燃烧室最大燃油流量的0.2-4倍且低压分油腔1腔体截面为圆形。低压分油腔1可设置多个燃油支路出口。

请参见图1和图3，低压分油腔密封堵头6安装在低压分油腔1上；低压分油腔燃油进口接头7流道截面面积大于所有稳压段的薄壁小孔径向截面面积和的2倍；

燃油支路油管4长度为爆震燃烧室直径5-40倍，内径为薄壁小孔直径2-5倍，形状由爆震室排布方式决定；燃油支路接头2内径与燃油支路油管内径相同；燃油支路接头2、燃油支路压紧帽3、燃油支路油管4组成燃油支路，每个燃油支路尺寸参数一致；稳压段5和低压分油腔燃油出口接头2之间通过燃油支路进行连接。

请参见图4，所述稳压段5中间设置一个直径为爆震室当量直径的0.010～0.025倍的薄壁小孔，用于提高燃油分配均匀性，降低爆震室内脉动压力对燃油支路供油压力的影响；薄壁小孔长度为其直径的1～4倍，两端倒斜角，斜角角度0～60°，薄壁小孔两端流道直径为其直径的两倍以上。

请参见图5和图6，低压分油腔燃油进口接头7与燃油总管连接，稳压段5出口连接气动喷嘴燃油进口接头15。在燃油分配器工作时，燃油流入低压分油腔1中被分流进入各个燃油支路接头2，各支路燃油经过燃油支路油管4进入稳压段5，由于稳压段5中薄壁小孔流通面积小，使得在相同燃油流量下稳压段5进口油压更高，所以管路流动损失和节流孔出口高度差影响可以忽略不计，燃油流量可分配均匀，满足多管脉冲爆震燃烧室的燃油流量需求。

请参见图6，脉冲爆震燃烧室工作时空气由进气道进入脉冲爆震燃烧室，在进气道中有进气锥16，燃油和雾化气经喷嘴头10喷出后为雾状燃油，并与脉冲爆震燃烧室内空气掺混形成可燃混气，安装在火花塞安装孔12处的火花塞点燃混合气形成爆震波，燃烧室内燃气压力随之急剧变大，喷嘴头10处燃气压力大于稳压段5出口燃油压力，稳压段5因出口背压过高停止供应燃油，脉冲爆震室完成燃烧和排气后，燃烧室内压力降低，稳压段5供应燃油，实现油路自适应周期性通断。燃油经过喷嘴头10雾化喷出与脉冲爆震燃烧室内新鲜气体掺混，安装在火花塞安装孔12处的火花塞再次点燃混合气生成爆震波。

通过低压分油腔容积、稳压段薄壁小孔面积和多管爆震室当量管径的耦合设计，各个燃油支路燃油流量分配均匀并且可以完成爆震室燃油的自适应供给。由于脉冲爆震燃烧室工作周期性产生爆震波导致燃烧室内燃气压力周期性波动，稳压段5出口背压大于稳压段5燃油供给压力，燃油停止供给，在压力差大的情况下燃油会发生倒流，但是稳压段5中薄壁小孔流通面积小，低压分油腔腔体容积远大于燃油倒流量，低压分油腔内压力脉动小，燃油分配器工作稳定。若爆震室工作时，某根爆震管由于爆震的随机性产生较强爆震，稳压段5出口背压过高，燃油倒流量会变大，在下一个喷油周期内它的喷油量随之减少，下次爆震的强度减弱。同理，当某管爆震强度较低，燃油倒流量变小，喷油量增加，下次爆震的强度增强，当多管爆震室高频工作时，通过多次自我调节可使爆震室供油量和工作强度相差无几。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：包括低压分油腔、燃油支路和稳压段，所述低压分油腔为腔体结构，其顶部中央设置有燃油进口，底部等间距设置多个燃油出口；多个所述稳压段均通过燃油支路与低压分油腔的燃油出口一一对应连通；

所述燃油支路包括燃油支路接头、燃油支路压紧帽和燃油支路油管，所述燃油支路油管的一端通过燃油支路接头和燃油支路压紧帽与所述低压分油腔的燃油出口连通，另一端与所述稳压段固定连接，并通过稳压段与爆震燃烧室连通；

所述稳压段为圆柱状结构，沿中心轴开有台阶通孔作为流道，所述台阶通孔两端的直径大于中部的直径，位于中部的一段称为薄壁小孔；所述薄壁小孔的直径为爆震燃烧室当量直径的0.010～0.025倍，其轴向长度为其直径的1～4倍；

所述低压分油腔的腔体体积为每秒多管脉冲爆震燃烧室所需最大燃油流量的0.2～4倍，其油压小于等于1.5MPa；

所述低压分油腔的燃油进口处安装有燃油进口接头，所述燃油进口接头的流道截面面积大于所有稳压段的薄壁小孔径向截面面积和的2倍。

2.根据权利要求1所述用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：所述低压分油腔的轴向水平设置，其径向截面为圆形，底部的多个燃油出口沿轴向均布。

3.根据权利要求1所述用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：所述薄壁小孔两端均加工有斜倒角，倒角角度为0～60°。

4.根据权利要求1所述用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：所述薄壁小孔两端流道的直径是薄壁小孔直径的两倍以上。

5.根据权利要求1所述用于多管脉冲爆震燃烧室的自适应低压燃油分配器，其特征在于：所述燃油支路油管长度为爆震燃烧室直径的5-40倍，其内径为所述薄壁小孔直径的2-5倍。

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