CN111829008B - 一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，包括进气道、混气组件和主爆震燃烧室；进气道包含进气外管、进气内管和匀流板；混气组件包含混气外管、M个分流环、M+1个喷油环、M+1个溅油环、以及混气内管；主爆震燃烧室输入端设有和混气外管、混气内管相匹配输入外管、输入内管。燃油从喷油环的喷油孔均匀雾化喷出后喷至溅油板处形成油膜，从进气道流出的高速剪切气流将会对此油膜进行冲击，实现对燃油的二次雾化。本发明能够有效的解决液态燃料在旋转爆震发动机内的掺混雾化、爆震波压力回传以及回火等问题。

Description

一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室。

背景技术

自然界中，燃烧波以缓燃和爆震两种形式存在。由于爆震近似等容燃烧，因此相较于传统发动机爆震具有更高的热循环效率以及热释放速率。而现阶段航空发动机推进能量供给方式主要采用的是爆燃方式。爆震给予未来航空发动机提供了一种新的可行性选择，因此将爆震燃烧方式应用于航空发动机内逐渐成为新的研究方向。

旋转爆震发动机具有主体结构简单、单次点火、比冲大、体积小以及推重比大等优点，因此连续旋转爆震发动机在近些年来受到广泛的关注。由于目前旋转爆震室的燃料大多为气态燃料，无法很好的应用于工程领域。专利CN110779042A公布了一种旋转爆震燃烧室及具有其的发动机，其设计为由呈空心筒状且两端相连的外套体与内柱构成，同时将二者的空隙内部设计为引流环道与爆震燃烧环道。燃料的输出端贯穿外环壁同时沿外套体周向喷入引流环道内，同时在燃烧环道内壁布置环形凹腔来实现爆震波的稳定，此结构有利于提高爆震燃烧的稳定性，同时对于气态燃料而言具有良好的掺混效果。但对于液态燃料而言，此结构的设计无法对燃油进行充分的雾化与掺混，不适合应用于液态燃料领域。专利CN110425045A，提出了一种新型的旋转爆震发动机。其在主爆震室内加入了点火芯，此点火芯与高压电源接通后会在燃烧室内产生大量的电流细丝同时还可产生众多的活性物质，通过此方式来提高反应的化学反应速率从而可以较好的点燃混气。但对于液态燃料而言，其起爆的本身能量需求较大，加入活性物质而不对液态燃料进行良好的雾化，依然无法很好的起爆主爆震室。专利CN107605600A提供了一种预混喷注的旋转爆震发动机装置。燃料与氧化剂在喷入主爆震室前喷入预混腔内进行混合。在集气腔下游的喷气装置沿周向与径向分的喷孔间加入冷却槽，让带有冷却槽的喷气装置区阻止压力回传与回火现象。该方案在一定程度上解决了预混旋转爆震发动机内的压力回传及回火问题，而预混方案则可较好的保证了发动机机的工作稳定性，同时提升了发动机的性能。但采用冷却液解决回火问题的方式具有一定的局限性，而采用非预混喷注，可以避免主爆震室的回火问题。合理的解决非预混喷注的燃料掺混问题，可以更好的提升发动机的性能。专利CN110578603A提出了一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机设计，主要包括内芯体、压气机端盖、单极涡轮转子、单极涡轮静子等。此爆震发动机采用液态煤油作为其燃料，其中对于燃油的雾化通过旋流器叶片与喷油环共同作用来进行燃油雾化与掺混。该发动机的设计具有结构简单，燃烧效率高等优点。但其旋流器叶片的存在在一定程度上增加了整体的总压损失，对于整体发动机性能而言是一个不利因素。

制约液态燃料旋转爆震发动机的关键技术在于：在环腔爆震室内，液态燃料需达到良好的雾化效果及与气态氧化剂的掺混效果。传统燃烧室的的燃油雾化掺混结构无法很好的适用于圆环结构的旋转爆震发动机内。因此需设计出一种新型的、适用于环腔的混气组件，此结构需既可以解决主爆震室的压力回传、回火等问题，同时又可以解决燃油的雾化及掺混问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，包括进气道、混气组件和主爆震燃烧室；

所述进气道包含进气外管、进气内管和匀流板，其中，所述匀流板呈圆盘状，设置在所述进气外管内，其外壁和进气外管内壁固连；所述进气内管的直径由其头端至尾端逐渐变大；所述进气外管、匀流板、进气内管同轴设置，进气内管的头端和所述匀流板远离进气外管头端的端面固连；所述匀流板中心设有用于联通进气外管头端和进气内管头端的通孔，且匀流板上均匀设有若干联通进气外管头端和进气外管尾端的通孔；所述进气外管尾端的外壁上设有第一法兰，进气内管尾端的内壁上设有第二法兰；

所述混气组件包含混气外管、M个分流环、M+1个喷油环、M+1个溅油环、以及混气内管，M为大于等于1的自然数；

所述混气外管、M个分流环、混气内管均为两端开口的空心圆柱体，同轴设置，且M个分流环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间；所述分流环在其尾端的内壁、外壁上均设有山丘状凸起，使得相邻分流环在其尾端形成喉道；所述混气外管的内壁上对应最外层分流环外壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最外层分流环在其尾端形成喉道；所述混气内管的外壁上对应最内层分流环内壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最内层分流环在其尾端形成喉道；

所述M+1个喷油环均为环状空心密封容器，均包含内壁、外壁、前端板和尾端板，其中，前端板上周向均匀设有若干进油孔，尾端板上周向设有若干喷油孔；

所述M+1个喷油环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间，使得M+1个喷油环和M个分流环交错设置在混气内管、混气外管之间；最外层喷油环的前端和混气外管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，喷油环的前端和其相邻分流环的前端之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，最内层喷油环的前端和混气内管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块；

所述M+1个喷油环前端板上的进油孔均通过管道连接至外界供油端；

所述M+1个溅油环均为两端开口的空心圆台，和M+1个喷油环一一对应；所述溅油环的前端和其对应喷油环内壁或外壁的尾端固连，用于使得油液从喷油环的喷油孔雾化喷出后打至溅油板的内壁形成油膜，进而使得由于喉道形成的高速气流冲击油膜二次雾化；

所述混气外管前端的外壁上设有第三法兰、混气内管前端的内壁上设有第四法兰；所述混气外管尾端、混气内管尾端均设有螺纹；

所述进气外管尾端通过第一法兰、第三法兰和所述混气外管前端密闭固连，进气内管尾端通过第二法兰、第四法兰和所述混气内管前端密闭固连；

所述主爆震燃烧室输入端设有和所述混气外管、混气内管相匹配的输入外管、输入内管；所述输入外管上设有和所述混气外管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入外管和混气外管尾端螺纹相连；输入内管上设有和所述混气内管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入内管和混气内管尾端螺纹相连。

作为本发明一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室进一步的优化方案，所述M取2。

作为本发明一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室进一步的优化方案，所述喷油环前端板上周向均匀设有3个进油孔，尾端板上周向设有16个喷油孔，喷油孔的直径为1mm。

作为本发明一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室进一步的优化方案，所述输入外管直径为200mm，输入内管直径为262mm，输入外管、输入内管之间构成的高度大于燃料的胞格尺寸。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 通过匀流板的加入很好的固定燃烧室，同时不对主爆震室流场产生影响的问题；

2. 混气组件能够使液态燃料的雾化与掺混得到一个较好的结果，可以通过改变煤油的供给压力与空气的供给量来调节雾化与掺混效果；同时混气组件可较好的抑制在主爆震室内产生的压力回传与回火现象，使燃烧室更为稳定的工作；

3. 本发明具有结构简单，燃烧效率高等优点，同时对于液态燃油良好的雾化掺混效果可以获得更为有利的爆震波起爆条件。在工作过程内还可改变不同的当量比来进行燃烧室性能的调节。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中混气组件的结构示意图；

图3为本发明中混气组件的剖面示意图。

图中：1-进气外管、2-进气内管、3-匀流板、4-混气组件、5-输入外管、6-输入内管、7-第二法兰、8-第一法兰、9-喷油环、10-溅油环、11-喉道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，包括进气道、混气组件和主爆震燃烧室；

所述进气道包含进气外管、进气内管和匀流板，其中，所述匀流板呈圆盘状，设置在所述进气外管内，其外壁和进气外管内壁固连；所述进气内管的直径由其头端至尾端逐渐变大；所述进气外管、匀流板、进气内管同轴设置，进气内管的头端和所述匀流板远离进气外管头端的端面固连；所述匀流板中心设有用于联通进气外管头端和进气内管头端的通孔，且匀流板上均匀设有若干联通进气外管头端和进气外管尾端的通孔；所述进气外管尾端的外壁上设有第一法兰，进气内管尾端的内壁上设有第二法兰；

所述混气组件包含混气外管、M个分流环、M+1个喷油环、M+1个溅油环、以及混气内管，M为大于等于1的自然数；

所述混气外管、M个分流环、混气内管均为两端开口的空心圆柱体，同轴设置，且M个分流环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间；所述分流环在其尾端的内壁、外壁上均设有山丘状凸起，使得相邻分流环在其尾端形成喉道；所述混气外管的内壁上对应最外层分流环外壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最外层分流环在其尾端形成喉道；所述混气内管的外壁上对应最内层分流环内壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最内层分流环在其尾端形成喉道；

所述M+1个喷油环均为环状空心密封容器，均包含内壁、外壁、前端板和尾端板，其中，前端板上周向均匀设有若干进油孔，尾端板上周向设有若干喷油孔；

所述M+1个喷油环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间，使得M+1个喷油环和M个分流环交错设置在混气内管、混气外管之间；最外层喷油环的前端和混气外管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，喷油环的前端和其相邻分流环的前端之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，最内层喷油环的前端和混气内管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块；

所述M+1个喷油环前端板上的进油孔均通过管道穿过混气外管连接至外界供油端；

所述M+1个溅油环均为两端开口的空心圆台，和M+1个喷油环一一对应；所述溅油环的前端和其对应喷油环内壁或外壁的尾端固连，用于使得油液从喷油环的喷油孔雾化喷出后打至溅油板的内壁形成油膜，进而使得由于喉道形成的高速气流冲击油膜二次雾化；

所述混气外管前端的外壁上设有第三法兰、混气内管前端的内壁上设有第四法兰；所述混气外管尾端、混气内管尾端均设有螺纹；

所述进气外管尾端通过第一法兰、第三法兰和所述混气外管前端密闭固连，进气内管尾端通过第二法兰、第四法兰和所述混气内管前端密闭固连；

所述主爆震燃烧室输入端设有和所述混气外管、混气内管相匹配的输入外管、输入内管；所述输入外管上设有和所述混气外管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入外管和混气外管尾端螺纹相连；输入内管上设有和所述混气内管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入内管和混气内管尾端螺纹相连。

M优先取2，喷油环前端板上优先周向均匀设置3个进油孔，尾端板上优先周向设置16个喷油孔，喷油孔的直径为1mm。

输入外管直径为200mm，输入内管直径为262mm，输入外管、输入内管之间构成的高度大于燃料的胞格尺寸。

点火装置切向布置于主爆震室外腔上，可根据需求选择合适的点火方式。

所述的整体发动机模型在工作时空气由进气道进入混气组件，同时喷油环开始进行燃油供给，二者在混气组件处进行雾化以及掺混，而后通入主爆震燃烧室内。此时点火装置开始燃烧室的点火工作。在停止发动机工作时，关闭发动机的燃油与空气供给，同时在进气道通入氮气进行燃气吹除，来保证工作的安全性。

由于喉道的构型为缩放形，从进气道进入的气体流通面积先减小后增大，后方产生的高压回传会受到缩放构型的抑制，因此这样的构型可以很好的抑制主爆震室产生的高压爆震波的压力回传现象。

混气组件前端通过法兰和进气道相连、后端通过螺纹旋进的方式与燃烧室输入端相连，能够方便的进行喉道的拆卸与更换，从而进行不同喉道的试验研究。

本发动机以液态燃油作为燃料，可以很好的将液态燃料进行雾化，此外还可以将燃料与空气进行良好的掺混，同时还可以抑制爆震室内的压力回传以及回火现象。

本燃烧室通过以液态物质作为旋转爆震发动机的供给燃料，可以提升发动机的整体性能，对于现有发动机的改进具有一定的实际应用价值，还可很好的应用于工程领域内。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，其特征在于，包括进气道、混气组件和主爆震燃烧室；

所述进气道包含进气外管、进气内管和匀流板，其中，所述匀流板呈圆盘状，设置在所述进气外管内，其外壁和进气外管内壁固连；所述进气内管的直径由其头端至尾端逐渐变大；所述进气外管、匀流板、进气内管同轴设置，进气内管的头端和所述匀流板远离进气外管头端的端面固连；所述匀流板中心设有用于联通进气外管头端和进气内管头端的通孔，且匀流板上均匀设有若干联通进气外管头端和进气外管尾端的通孔；所述进气外管尾端的外壁上设有第一法兰，进气内管尾端的内壁上设有第二法兰；

所述混气组件包含混气外管、M个分流环、M+1个喷油环、M+1个溅油环、以及混气内管，M为大于等于1的自然数；

所述混气外管、M个分流环、混气内管均为两端开口的空心圆柱体，同轴设置，且M个分流环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间；所述分流环在其尾端的内壁、外壁上均设有山丘状凸起，使得相邻分流环在其尾端形成喉道；所述混气外管的内壁上对应最外层分流环外壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最外层分流环在其尾端形成喉道；所述混气内管的外壁上对应最内层分流环内壁上的凸起设有山丘状凸起，配合最内层分流环在其尾端形成喉道；

所述M+1个喷油环均为环状空心密封容器，均包含内壁、外壁、前端板和尾端板，其中，前端板上周向均匀设有若干进油孔，尾端板上周向设有若干喷油孔；

所述M+1个喷油环沿径向均匀设置在混气内管、混气外管之间，使得M+1个喷油环和M个分流环交错设置在混气内管、混气外管之间；最外层喷油环的前端和混气外管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，喷油环的前端和其相邻分流环的前端之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块，最内层喷油环的前端和混气内管之间周向均匀设有若干用于固定彼此的连接块；

所述M+1个喷油环前端板上的进油孔均通过管道连接至外界供油端；

所述M+1个溅油环均为两端开口的空心圆台，和M+1个喷油环一一对应；所述溅油环的前端和其对应喷油环内壁或外壁的尾端固连，用于使得油液从喷油环的喷油孔雾化喷出后打至溅油板的内壁形成油膜，进而使得由于喉道形成的高速气流冲击油膜二次雾化；

所述混气外管前端的外壁上设有第三法兰、混气内管前端的内壁上设有第四法兰；所述混气外管尾端、混气内管尾端均设有螺纹；

所述进气外管尾端通过第一法兰、第三法兰和所述混气外管前端密闭固连，进气内管尾端通过第二法兰、第四法兰和所述混气内管前端密闭固连；

所述主爆震燃烧室输入端设有和所述混气外管、混气内管相匹配的输入外管、输入内管；所述输入外管上设有和所述混气外管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入外管和混气外管尾端螺纹相连；输入内管上设有和所述混气内管尾端螺纹相匹配的螺纹，输入内管和混气内管尾端螺纹相连。

2.根据权利要求1所述的基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，其特征在于，所述M取2。

3.根据权利要求1所述的基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，其特征在于，所述喷油环前端板上周向均匀设有3个进油孔，尾端板上周向设有16个喷油孔，喷油孔的直径为1mm。

4.根据权利要求1所述的基于剪切气流和燃油喷射一体化的旋转爆震燃烧室，其特征在于，所述输入外管直径为200mm，输入内管直径为262mm，输入外管、输入内管之间构成的高度大于燃料的胞格尺寸。

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