CN111927625B - 稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转爆震发动机，具体涉及一种稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构。本发明的目的是解决现有环形结构的两相旋转爆震燃烧腔结构存在重量大，热管理困难和旋转爆震波传播方向不稳定的技术问题，提供一种稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构。该结构的燃料供给单元和氧化剂供给单元均与爆震燃烧单元入口处连通，爆震燃烧单元入口处开设有点火孔；爆震燃烧单元包括圆筒形爆震燃烧腔和掺混导流组件；燃料供给单元包括燃料集液腔和燃料离心环腔；燃料离心环腔的外壁上沿周向开设有多个燃料切向喷射孔；氧化剂供给单元包括氧化剂集气腔和与爆震燃烧腔入口处连通的氧化剂喷射环缝。

Description

稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机，具体涉及一种稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构。

背景技术

自然界中存在两种形式的燃烧：缓燃燃烧和爆震燃烧。相比于缓燃燃烧过程中的等压膨胀特性，爆震燃烧具有自增压、熵增低和热循环效率高的特点，因而受到了广泛关注。20世纪60年代，苏联科学家Voitsekhovskii 提出旋转爆震的概念，即爆震波沿周向旋转传播，不断地扫掠波前填充的可燃混合物并产生高温、高压燃气，继而膨胀产生推力。Voitsekhovskii在环形燃烧室中成功获得C₂H₂/O₂气相连续旋转爆震波后，大批研究人员开展了关于旋转爆震发动机的研究工作。随着各项关键技术日渐成熟，旋转爆震发动机的工程应用需求提上日程，考虑到液相燃料具有能量密度高的特点，有关两相旋转爆震燃烧腔的结构设计受到了格外关注。

常规两相旋转爆震燃烧腔采用环形结构，其环域的内壁面提供流动限制，避免燃气向中心区域膨胀、过度泄压，进而影响自持传播特性。然而，环形燃烧室由于中心体结构的存在，大大增加了重量，而空天飞行任务对起飞重量的要求又极其苛刻，因此，这种结构极大阻碍了旋转爆震燃烧技术的工程应用步伐；另一方面，由于中心体浸没在爆震燃烧产生的高温燃气中，给燃烧室热管理工作也造成了很大的困扰。

此外，在旋转爆震燃烧工作过程中，还存在旋转爆震波传播方向不稳定的现象。由于旋转爆震燃烧腔内燃烧环境的复杂性，导致旋转爆震波在传播过程中会出现传播方向不固定(不稳定)的现象，进而影响了发动机推力的稳定输出。因此，目前需要对燃烧室结构进行优化，以实现旋转爆震波稳定可控的单向传播。

发明内容

本发明的目的是解决现有环形结构的两相旋转爆震燃烧腔结构存在重量大，热管理困难和旋转爆震波传播方向不稳定的技术问题，提供一种稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特殊之处在于：包括爆震燃烧单元、燃料供给单元和氧化剂供给单元；

所述燃料供给单元和氧化剂供给单元均与爆震燃烧单元入口处连通，爆震燃烧单元入口处开设有点火孔；

所述爆震燃烧单元包括圆筒形爆震燃烧腔和掺混导流组件；

所述掺混导流组件包括设置在爆震燃烧腔内壁上部沿周向布置的多个掺混导流叶片，掺混导流叶片的导流面朝向爆震燃烧腔内部；

所述燃料供给单元包括燃料集液腔和燃料离心环腔；

所述燃料集液腔设置于所述爆震燃烧腔顶端；

所述燃料集液腔上表面开设有燃料供给入口；

所述燃料离心环腔设置于燃料集液腔内部；

所述燃料离心环腔包括同心布置的内壁和外壁，以及封闭内壁和外壁的环形顶板；

所述燃料离心环腔下端通过燃料集液腔下表面相应位置开设的环形通孔与所述爆震燃烧腔入口处连通；

所述燃料离心环腔的外壁上沿周向开设有多个燃料切向喷射孔；

所述燃料切向喷射孔的出射方向与掺混导流叶片的旋向一致；

所述氧化剂供给单元包括氧化剂集气腔；

所述氧化剂集气腔设置于所述爆震燃烧腔上部的外侧圆周面上；

所述氧化剂集气腔为带有豁口的环形腔体，氧化剂集气腔两端闭合；

所述氧化剂集气腔外侧面上开设有氧化剂供给入口；

所述氧化剂集气腔内侧面的顶端开设有与所述爆震燃烧腔入口处连通的氧化剂喷射环缝；

所述点火孔开设于所述豁口处，点火孔贯通爆震燃烧腔外壁和掺混导流叶片。

进一步地，为了提供足够大的爆震燃烧空间，所述爆震燃烧腔的直径为150mm、高度为200mm。

进一步地，为了使燃料达到更好的离心喷注效果，所述燃料切向喷射孔共有12个，孔径均为1mm。

进一步地，为了使氧化剂实现径向喷注，所述氧化剂喷射环缝的轴向宽度为0.3～0.8mm。

进一步地，为了使氧化剂达到更好的径向喷注效果，所述氧化剂喷射环缝的轴向宽度为0.5mm。

进一步地，为了使燃料和氧化剂达到更好的掺混效果，所述掺混导流叶片共有12个，其轴向高度为30mm，单个掺混导流叶片的径向首尾高度差为 5mm。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，通过在燃料离心环腔的外壁上开设燃料切向喷射孔对流场施加了初始旋向，然后利用径向喷注的氧化剂对离心喷注的燃料形成气动剪切作用，在靠近燃烧室壁面环域内高效组织了反应物(燃料和氧化剂)的喷射掺混，进而控制旋转爆震波实现单向稳定传播，从而保证其在工程应用中获得稳定的推力输出，提升了组织爆震燃烧的可靠性。

2、本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，燃料和氧化剂均为非轴向喷射方式，延长了混合物在爆震燃烧腔内的驻留时间，便于组织爆震燃烧。

3、本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，反应物集中分布在爆震燃烧腔壁面附近，能够实现旋转爆震波在贴壁环域内传播，这样避免了依靠在爆震燃烧腔内添加中心体来构造环形空间的传统设计方法，从而减轻了爆震燃烧室(即爆震燃烧腔)重量和壁面热负荷。

4、本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，由于燃料和氧化剂逆向传播的气动阻力较大，掺混导流叶片与液膜采取相同旋向(均采取顺时针或均采取逆时针)，从而能够控制两相旋转爆震波实现顺流单向稳定传播。

附图说明

图1为本发明稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图1的B-B向剖视图；

附图标记说明：

1-爆震燃烧单元、11-爆震燃烧腔、12-掺混导流组件、121-掺混导流叶片；

2-燃料供给单元、21-燃料集液腔、211-燃料供给入口、212-环形通孔、 22-燃料离心环腔、221-内壁、222-外壁、2221-燃料切向喷射孔、223-环形顶板；

3-氧化剂供给单元、31-氧化剂集气腔1、311-氧化剂供给入口、312-氧化剂喷射环缝、32-豁口；

4-点火孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

本发明提供的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，如图1和图2所示，包括爆震燃烧单元1、燃料供给单元2和氧化剂供给单元 3；所述燃料供给单元2和氧化剂供给单元3均与爆震燃烧单元1入口处连通，爆震燃烧单元1入口处开设有点火孔4；所述爆震燃烧单元1包括圆筒形爆震燃烧腔11和掺混导流组件12；所述掺混导流组件12包括设置在爆震燃烧腔 11内壁221上部沿周向布置的多个掺混导流叶片121，掺混导流叶片121的导流面朝向爆震燃烧腔11内部；所述燃料供给单元2包括燃料集液腔21和燃料离心环腔22；所述燃料集液腔21设置于爆震燃烧腔11顶端；所述燃料集液腔21上表面开设有燃料供给入口211；所述燃料离心环腔22设置于燃料集液腔21内部；所述燃料离心环腔22包括同心布置的内壁221和外壁222，以及封闭内壁221和外壁222的环形顶板223；所述燃料离心环腔22下端通过燃料集液腔21下表面相应位置开设的环形通孔212与爆震燃烧腔11入口处连通；所述燃料离心环腔22的外壁222上沿周向开设有多个燃料切向喷射孔2221；所述燃料切向喷射孔2221的出射方向与掺混导流叶片121的旋向一致；所述氧化剂供给单元3包括氧化剂集气腔31；所述氧化剂集气腔31设置于爆震燃烧腔11上部的外侧圆周面上；所述氧化剂集气腔31为带有豁口32 的环形腔体，氧化剂集气腔31两端闭合；所述氧化剂集气腔31外侧面上开设有氧化剂供给入口311；所述氧化剂集气腔31内侧面的顶端开设有与爆震燃烧腔11入口处连通的氧化剂喷射环缝312；所述氧化剂喷射环缝312的轴向宽度为0.3～0.8mm；所述的两相旋转爆震燃烧腔11通过燃料供给入口211、燃料集液腔21、燃料切向喷射孔2221和燃料离心环腔22实现燃烧室的燃料供给；通过氧化剂供给入口311、氧化剂集气腔31、氧化剂喷射环缝312实现燃烧室的氧化剂供给；所述点火孔4开设于所述豁口32处，点火孔4贯通爆震燃烧腔11外壁和掺混导流叶片121，点火孔4的一侧孔口与爆震燃烧腔 11外部连通，另一侧孔口位于掺混导流叶片121导流面上。

本发明中，燃料集液腔21与燃料离心环腔22通过燃料切向喷射孔2221 相连通，在1MPa以上的喷注压力下，燃料集液腔21中的燃料通过切向喷射孔沿切向进入燃料离心环腔22中，继而在燃料离心环腔22中沿某一特定方向(顺时针/逆时针)周向旋转形成贴壁液膜；当液膜继续运动，直至在离心力和重力的作用下，旋出燃料离心环腔22后，燃料的雾化区域会集中分布在爆震燃烧腔11壁面附近(环域)，这一喷雾初场的分布特点契合了旋转爆震波需要在贴壁环域内才能稳定传播的要求；由于反应物(燃料)集中分布在爆震燃烧腔11壁面附近，旋转爆震波自然在贴壁环域内传播，这样避免了依靠在爆震燃烧腔11内添加中心体来构造环形空间的传统设计方法，从而减轻了燃烧室重量，彻底消除了爆震燃烧过程中对于中心体的剧烈热负荷。

气体氧化剂从氧化剂喷射环缝312中径向喷射，能够对燃料离心环腔22 中旋出的液膜形成良好的气动剪切，从而提高爆震燃烧腔11的雾化和掺混性能；燃料和氧化剂均为非轴向的喷射方式，增大了混合物在爆震燃烧腔11内的停留时间，便于组织燃烧。

所述的掺混导流叶片121位于两相反应物(燃料和氧化剂，如液态燃料和气态氧化剂)掺混及组织爆震燃烧的位置(点火孔4孔口)，一方面其旋流作用能够改善两相掺混性能，减少爆震燃烧前的准备时间；另一方面其导流方向与液膜旋向相同，从而共同促进了两相旋转爆震波的顺流单向稳定传播，避免了逆向传播的气动阻力较大。所述的点火孔4用于输入高点火能量，可实现两相混合物的单次触发、两相旋转爆震波的自持传播。所述的爆震燃烧腔11为发生爆震燃烧及燃气流动的主要场所，贴壁分布的两相反应物，在周向传播的旋转爆震波扫过后产生燃气，燃气膨胀排气并产生推力。

通过液相燃料周向离心喷注和气相氧化剂径向撞击喷射的方式，获得两相反应物的良好掺混效果，以实现两相旋转爆震燃烧。此外，为提升燃烧过程中的工作稳定性，通过燃料具有周向旋转速度的离心喷注方法和掺混导流叶片121对氧化剂的周向导流作用，来实现旋转爆震波的可控周向稳定传播，有效抑制了旋转爆震波在燃烧室(爆震燃烧腔11中旋向不确定、传播不稳定工况的发生，进而有效解决了旋转爆震发动机推力无法维持稳定的工程应用难题。

工作过程：

液相燃料流经燃料供给入口211、燃料集液腔21和燃料切向喷射孔2221 后，切向流入燃料离心环腔22中形成周向运动的液膜，直至旋入爆震燃烧腔 11中；气相氧化剂经氧化剂供给入口311、氧化剂集气腔31后，流入氧化剂喷射环缝312中随后径向喷射进入爆震燃烧腔11内；燃料在离心力作用下贴壁运动，集中分布在靠近爆震燃烧腔11壁面附近的较小环域内，并在径向喷射的氧化剂剪切作用下，获得良好的两相雾化掺混效果；两相反应物被点火孔4输入的高点火能量直接起爆，实现两相旋转爆震燃烧；在旋转爆震燃烧过程中，由于燃料具有的周向旋转速度和掺混导流叶片121对流场的周向导流作用，可控制旋转爆震波实现顺流单向传播，有效抑制了旋转爆震波在燃烧室中旋向不确定、传播不稳定工况的发生，进而有效解决了旋转爆震发动机推力无法维持稳定的工程应用难题。

实施例

液相燃料为煤油，流量80g/s，喷前压力1MPa，燃料经燃料供给入口211 挤压进入燃料集液腔21中，燃料集液腔21能够增强燃料供给的稳定性；燃料离心环腔22由内、外同心壁面构成，在内壁221面上沿周向布置有12个 1mm的燃料切向喷射孔2221，燃料集液腔21中的煤油经切向喷射孔进入离心环腔后具有切向速度，在离心力作用下在外壁222形成顺时针旋向液膜，随后在离心力和重力的共同作用下，旋入直径150mm、高度200mm的爆震燃烧腔11中开始雾化过程。

气相氧化剂为氧气，流量200g/s，喷前压力0.8MPa，经氧化剂集气腔31 稳压后，经宽0.5mm的氧化剂喷射环缝312喷射进入爆震燃烧腔11内，并剪切燃料离心环腔22出口的煤油液膜完成两相掺混。

煤油液膜在离心力作用下，在爆震燃烧腔11内贴壁沿周向运动，煤油和氧气掺混后仍然集中分布在靠近壁面的较小环域内。点火孔4处输入温度1000K以上、速度1500m/s以上的高能热射流，直接起爆两相混合物，形成沿爆震燃烧腔11周向传播的旋转爆震波，运动的爆震波锋面处不断地发生两相旋转爆震燃烧，从而为爆震波传播提供能量，实现自持传播。由于两相混合物始终分布在靠近爆震燃烧腔11壁面的较小环域范围内，因此两相旋转爆震波得以限制在相同的环域空间内传播。

在旋转爆震燃烧发生的主要区域，周向布置有12个掺混导流叶片121，掺混导流叶片121轴向长度为30mm，单个叶片的径向高度差为5mm，叶片旋向为顺时针。由于掺混导流叶片121与液膜旋转方向均为顺时针，使得旋转爆震波在传播过程中选择气动阻力较小的顺时针方向传播，从而实现了两相旋转爆震波沿顺时针方向的自持稳定传播，当然也可均为逆时针方向，只要旋向一致即可。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：包括爆震燃烧单元(1)、燃料供给单元(2)和氧化剂供给单元(3)；

所述燃料供给单元(2)和氧化剂供给单元(3)均与爆震燃烧单元(1)入口处连通，爆震燃烧单元(1)入口处开设有点火孔(4)；

所述爆震燃烧单元(1)包括圆筒形爆震燃烧腔(11)和掺混导流组件(12)；

所述掺混导流组件(12)包括设置在爆震燃烧腔(11)内壁上部沿周向布置的多个掺混导流叶片(121)，掺混导流叶片(121)的导流面朝向爆震燃烧腔(11)内部；

所述燃料供给单元(2)包括燃料集液腔(21)和燃料离心环腔(22)；

所述燃料集液腔(21)设置于所述爆震燃烧腔(11)顶端；

所述燃料集液腔(21)上表面开设有燃料供给入口(211)；

所述燃料离心环腔(22)设置于燃料集液腔(21)内部；

所述燃料离心环腔(22)包括同心布置的内壁(221)和外壁(222)，以及封闭内壁(221)和外壁(222)的环形顶板(223)；

所述燃料离心环腔(22)下端通过燃料集液腔(21)下表面相应位置开设的环形通孔(212)与所述爆震燃烧腔(11)入口处连通；

所述燃料离心环腔(22)的外壁(222)上沿周向开设有多个燃料切向喷射孔(2221)；

所述燃料切向喷射孔(2221)的出射方向与掺混导流叶片(121)的旋向一致；

所述氧化剂供给单元(3)包括氧化剂集气腔(31)；

所述氧化剂集气腔(31)设置于所述爆震燃烧腔(11)上部的外侧圆周面上；

所述氧化剂集气腔(31)为带有豁口(32)的环形腔体，氧化剂集气腔(31)两端闭合；

所述氧化剂集气腔(31)外侧面上开设有氧化剂供给入口(311)；

所述氧化剂集气腔(31)内侧面的顶端开设有与所述爆震燃烧腔(11)入口处连通的氧化剂喷射环缝(312)；

所述点火孔(4)开设于所述豁口(32)处，点火孔(4)贯通爆震燃烧腔(11)外壁和掺混导流叶片(121)。

2.根据权利要求1所述的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：所述爆震燃烧腔(11)的直径为150mm、高度为200mm。

3.根据权利要求1所述的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：所述燃料切向喷射孔(2221)共有12个，孔径均为1mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：所述氧化剂喷射环缝(312)的轴向宽度为0.3～0.8mm。

5.根据权利要求4所述的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：所述氧化剂喷射环缝(312)的轴向宽度为0.5mm。

6.根据权利要求5所述的稳定可控单向传播旋转爆震波的两相旋转爆震燃烧腔结构，其特征在于：所述掺混导流叶片(121)共有12个，其轴向高度为30mm，单个掺混导流叶片(121)的径向首尾高度差为5mm。

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