CN112066417B - 一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，包括旋转爆震燃烧室本体、点火系统、供给及掺混系统和排气系统。通过采用两个或多个同轴环形燃烧室的结构布局，各燃烧室作为独立单元，由安装在头部的喷嘴分别喷注燃料和氧化剂，惰性介质喷嘴安装在点火位置一侧，惰性介质喷注略早于点火，触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波只能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消。采用本发明可以有效地消除飞行过程中旋转爆震发动机的陀螺力矩，可以提高发动机工作的稳定性，本发明可以用于旋转爆震发动机等领域。

Description

一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机领域，具体为一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)是一种利用旋转爆震燃烧来产生推力的新型喷气式动力装置。它的热循环效率远高于基于等压燃烧的常规喷气发动机，释热速率快且可实现增压燃烧，有望省去笨重复杂的旋转部件，实现发动机结构的大幅简化。基于上述优点，国内外纷纷围绕旋转爆震燃烧和旋转爆震发动机开展了相关研究。

虽然旋转爆震发动机具有广阔的应用前景，但要实现工程应用尚需突破一系列技术障碍。例如，旋转爆震波沿燃烧室周向快速传播时，爆震波后的高温高压产物具有与爆震波传播方向一致、大小略低的传播速度，故将产生一定的周向动量，到达尾喷管出口时该周向动量有所减弱，但依然存在。这部分周向动量，在飞行过程中作用于燃烧室壁面使主轴相对惯性空间发生进动运动，产生陀螺力矩，增加飞行控制的复杂程度。理想情况下，旋转爆震发动机无任何旋转部件，故无法采用传统涡轮喷气发动机中的相关措施。

因此，针对上述问题，设计一种既能减轻甚至消除旋转爆震燃烧带来的转矩，又能确保发动机正常工作的旋转爆震燃烧室，显得尤为重要。本发明提出了一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，可满足以上要求，在旋转爆震发动机的实际应用中具有实用价值。

发明内容

要解决的技术问题

针对当前旋转爆震发动机陀螺力矩影响飞行控制的问题，本发明提出了一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，通过采用两个或多个同轴环形燃烧室的结构布局，各燃烧室作为独立单元，由安装在头部的喷嘴分别喷注燃料和氧化剂，惰性介质喷嘴安装在点火位置一侧，惰性介质喷注略早于点火，触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波仅能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，不同燃烧室内爆震波的传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消，从而消除飞行过程中的陀螺力矩。本发明可用于旋转爆震发动机等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方法为：

一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，包括旋转爆震燃烧室本体、点火系统、供给及掺混系统和排气系统。

所述旋转爆震燃烧室本体由燃烧室前端、外燃烧室外环、内燃烧室外环组成。内、外燃烧室外环均是圆环形壳体，燃烧室前端是圆盘，内燃烧室外环和内燃烧室前端共同组成旋转爆震燃烧室内燃烧室的主体，内燃烧室外环可充当外燃烧室内柱，因此，外燃烧室外环、内燃烧室外环外表面和外燃烧室前端共同组成外燃烧室主体，外燃烧室为环形燃烧室，内燃烧室根据有无内柱可设计为环形燃烧室或空桶形(又称为无内柱)燃烧室。此方法中同轴环形燃烧室数量可依据实际情况设计为2个或多个，外燃烧室编号按照径向由内向外为1#、2#、3#，以此类推。燃烧室外形尺寸对爆震波的影响目前还没有普适的定量分析准则，可根据燃料的类型和使用环境进行合理设计，根据实验研究，燃烧室外形尺寸设计准则应满足以下条件：

1.燃烧室长度

燃烧室应能提供足够的长度以满足燃料蒸发和燃烧响应时间的需要，根据发动机燃烧室结构方法，燃烧室长度需满足以下条件：

(1)环形燃烧室

0.375(d₁+d₂)≤l₁≤0.625(d₁+d₂)

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

(2)空桶形燃烧室

0.75d₂≤l₁≤1.2d₂

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

式中，d₁为燃烧室内柱直径，d₂为内燃烧室外环内径，d₃为内燃烧室外环外径，d₄为1#外燃烧室外环内径，d_2i+1为(i-1)#外燃烧室外环外径，d_2i+2为i#外燃烧室外环内径，l₁为内燃烧室轴向长度，l₂为1#外燃烧室轴向长度，l_i+1为i#外燃烧室轴向长度，i≥1，i为正整数。

2.燃烧室体积

燃烧室应能保证燃料氧化剂在其中有足够的空间以保证充分蒸发混合和燃烧，根据燃烧室体积经验关系式，内外燃烧室体积需满足以下条件：

式中，V₁为内燃烧室体积，V₂为1#外燃烧室体积，V_i+1为i#外燃烧室体积，i≥1，i为正整数。

3.燃烧室流量

根据动量矩定理，内外燃烧室流量需满足以下条件：

式中，q_m1为内燃烧室质量流量，q_m2为1#外燃烧室质量流量，q_m(i+1)为i#外燃烧室质量流量，正号表示该燃烧室内旋转爆震波传播方向为逆时针方向，负号表示顺时针方向。

所述点火系统为：最外层燃烧室采用预爆管起爆方法，通过预先点燃预爆管中的混合气，预爆管中的高能射流进入燃烧室，在外燃烧室中起始爆震并周向传播，使用气态燃料时也可采用火花塞或固体火药、爆炸丝点火；内层燃烧室受结构限制可采用火花塞点火经缓燃向爆震转变的起爆方式。

所述供给及掺混系统为：燃料、氧化剂和惰性介质经独立通道分别进入燃烧室前端，燃料和氧化剂在燃烧室前端处周向布置的30～70对喷嘴中喷出，各燃烧室内喷嘴分为两圈，内圈为燃料喷嘴，外圈为氧化剂喷嘴，以保证燃料和氧化剂的充分掺混，必要时也可采用环缝-喷孔对撞喷注以进一步提高混合效果，氧化剂通过收缩-扩张式环缝喷注，燃料通过喷孔喷出，与氧化剂对撞掺混；在每个燃烧室内靠近点火位置一侧设置惰性介质喷注孔，惰性介质的喷注应略早于点火时间10～100ms，否则可能造成隔离不到位，起爆方向不可控，具体时间需综合考虑点火延迟、惰性介质隔离区域形成时间后确定；触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波只能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，惰性介质喷注孔位于点火位置逆时针方向下游的燃烧室将产生逆时针方向的旋转爆震波，惰性介质喷注孔位于点火位置逆时针方向上游的燃烧室将产生顺时针方向的旋转爆震波，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消，从而消除飞行过程中的陀螺力矩。

所述排气系统由喷管组成，采用分开排气设计时，外燃烧室为拉伐尔喷管，内燃烧室根据有无内柱可设计为塞式喷管或拉伐尔喷管；采用混合排气设计时，喷管只需安装在最外层燃烧室上，根据内燃烧室有无内柱，最外层燃烧室可设计为塞式喷管或拉伐尔喷管，塞式喷管中心塞体安装在内燃烧室内柱上。高温高压的已燃气体经喷管高速排出后产生推力。

有益效果：

采用本发明提供的一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，通过设计两个或多个同轴环形燃烧室的结构布局，各燃烧室作为独立单元，由安装在头部的喷嘴分别喷注燃料和氧化剂，惰性介质喷嘴安装在点火位置一侧，惰性介质喷注略早于点火，触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波仅能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消。本发明可以有效地降低旋转爆震发动机的陀螺力矩，可用于旋转爆震发动机等领域。

附图说明

图1为本发明旋转爆震燃烧方法结构简图及燃烧室剖面图(双燃烧室，内燃烧室为环形，分开排气)；

图2为本发明旋转爆震燃烧方法结构简图及燃烧室剖面图(双燃烧室，内燃烧室为空桶形，混合排气)；

因燃烧室为环形空间，喷嘴沿环形分布且内外燃烧室共用一个集气腔，为简化图示，仅标注内燃烧室燃料、氧化剂与惰性介质通道，外燃烧室通道与其相似。以上图中，1为燃料供给通道，2为氧化剂供给通道，3为燃烧室前端，4-1为外燃烧室点火组件，4-2为内燃烧室点火组件，5-1为外燃烧室氧化剂喷嘴，5-2为内燃烧室氧化剂喷嘴，6-1为外燃烧室燃料喷嘴，6-2为内燃烧室燃料喷嘴，7为外燃烧室外环，8为内燃烧室外环，9为燃烧室内柱，10为喷管中心塞体，11为内燃烧室惰性介质供给通道，12-1为外燃烧室惰性介质喷嘴，12-2为内燃烧室惰性介质喷嘴，13为集气腔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

以双燃烧室为例，参见图1和图2，旋转爆震燃烧室本体由外燃烧室和内燃烧室组成，包括外燃烧室外环7、内燃烧室外环8、燃烧室内柱9、点火组件4-1和4-2、供给及掺混系统(如氧化剂喷嘴5-1和5-2、氧化剂供给通道1、燃料喷嘴6-1和6-2、燃料供给通道2、惰性介质喷嘴12-1和12-2、惰性介质供给通道11及集气腔13)组成。工作时，氧化剂经氧化剂供给通道1、燃料经燃料供给通道2进入内外两个燃烧室，再通过各自的喷嘴喷出，同时进行掺混，惰性介质经惰性介质供给通道11进入内外两个燃烧室，经惰性介质喷嘴12-1和12-2喷出形成隔离区，然后通过点火组件4-1和4-2点火形成爆震波，内燃烧室惰性介质喷嘴12-2安装在点火组件4-2逆时针方向下游，形成逆时针方向旋转爆震波，外燃烧室惰性介质喷嘴12-1安装在点火组件4-1逆时针方向上游，形成顺时针方向的旋转爆震波，起爆后停止喷注惰性介质，爆震波在燃烧室内沿周向高速旋转传播，随后，已燃气体沿轴向排出，产生推力。内外燃烧室中的供给、掺混、点火过程的时序可根据实际情况合理设计。

本发明提出一种消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，惰性介质喷嘴安装在点火位置一侧，惰性介质喷注略早于点火，触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波仅能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消，从而消除旋转爆震发动机的陀螺力矩。

实施例1：

参见图1，在本实例中，内燃烧室为环形燃烧室，尾部安装塞式喷管，外燃烧室安装拉伐尔喷管，环形燃烧室中内柱的约束可以增强激波反射,有利于维持旋转爆震波强度和稳定传播，设计准则应满足以下条件：

1.燃烧室长度

燃烧室应能提供足够的长度以满足燃料蒸发和燃烧响应时间的需要，根据发动机燃烧室结构方法，燃烧室长度需满足以下条件：

0.375(d₁+d₂)≤l₁≤0.625(d₁+d₂)

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

式中，d₁为燃烧室内柱直径，d₂为内燃烧室外环内径，d₃为内燃烧室外环外径，d₄为1#外燃烧室外环内径，d_2i+1为(i-1)#外燃烧室外环外径，d_2i+2为i#外燃烧室外环内径，l₁为内燃烧室轴向长度，l₂为1#外燃烧室轴向长度，l_i+1为i#外燃烧室轴向长度，i≥1，i为正整数。

2.内外燃烧室体积

燃烧室应能保证燃料氧化剂在其中有足够的空间以保证充分蒸发混合和燃烧，根据燃烧室体积经验关系式，内外燃烧室体积需满足以下条件：

式中，V₁为内燃烧室体积，V₂为1#外燃烧室体积，V_i+1为i#外燃烧室体积，i≥1，i为正整数。

3.燃烧室流量

根据动量矩定理，内外燃烧室流量需满足以下条件：

式中，q_m1为内燃烧室质量流量，q_m2为1#外燃烧室质量流量，q_m(i+1)为i#外燃烧室质量流量，正号表示该燃烧室内旋转爆震波传播方向为逆时针方向，负号表示顺时针方向。

实施例2：#

参见图2，在本实例中，内燃烧室为空桶形燃烧室，仅最外层燃烧室为拉伐尔喷管，可以提高燃烧室的空间利用率，同时减轻发动机内壁面的热负荷，设计准则应满足以下条件：#

1.燃烧室长度

燃烧室应能提供足够的长度以满足燃料蒸发和燃烧响应时间的需要，根据发动机燃烧室结构方法，燃烧室长度需满足以下条件：

0.75d₂≤l₁≤1.2d₂

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

式中，d₂为内燃烧室外环内径，d₃为内燃烧室外环外径，d₄为1#外燃烧室外环内径，d_2i+1为(i-1)#外燃烧室外环外径，d_2i+2为i#外燃烧室外环内径，l₁为内燃烧室轴向长度，l₂为1#外燃烧室轴向长度，l_i+1为i#外燃烧室轴向长度，i≥1，i为正整数。

2.内外燃烧室体积

燃烧室应能保证燃料氧化剂在其中有足够的空间以保证充分蒸发混合和燃烧，根据燃烧室体积经验关系式，内外燃烧室体积需满足以下条件：

式中，V₁为内燃烧室体积，V₂为1#外燃烧室体积，V_i+1为i#外燃烧室体积，i≥1，i为正整数。

3.燃烧室流量

根据动量矩定理，内外燃烧室流量需满足以下条件：

式中，q_m1为内燃烧室质量流量，q_m2为1#外燃烧室质量流量，q_m(i+1)为i#外燃烧室质量流量，正号表示该燃烧室内旋转爆震波传播方向为逆时针方向，负号表示顺时针方向。

该技术方法中燃烧室数量并不限于两个，可根据使用环境设计三个以上同轴环形燃烧室用以消除飞行过程中的陀螺力矩。其中，多个外燃烧室设计准则同例1，内燃烧室根据是否有内柱参考例1或例2设计准则。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (6)

1.消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，包括旋转爆震燃烧室本体、点火系统、供给及掺混系统和排气系统，其特征在于：通过采用两个或多个同轴环形燃烧室的结构布局，各燃烧室作为独立单元，由安装在头部的喷嘴分别喷注燃料和氧化剂，惰性介质喷嘴安装在点火位置一侧，惰性介质喷注略早于点火，触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波仅能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消，从而消除飞行过程中的陀螺力矩，可以提高发动机工作的稳定性；

燃烧室外形尺寸准则应满足以下条件，

(1)燃烧室长度

燃烧室应能提供足够的长度以满足燃料蒸发和燃烧响应时间的需要，根据发动机燃烧室结构，燃烧室长度需满足以下条件，

①环形燃烧室

0.375(d₁+d₂)≤l₁≤0.625(d₁+d₂)

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

②空桶形燃烧室

0.75d₂≤l₁≤1.2d₂

0.375(d₃+d₄)≤l₂≤0.625(d₃+d₄)

0.375(d_2i+1+d_2i+2)≤l_i+1≤0.625(d_2i+1+d_2i+2)

式中，d₁为燃烧室内柱直径，d₂为内燃烧室外环内径，d₃为内燃烧室外环外径，d₄为1#外燃烧室外环内径，d_2i+1为(i-1)#外燃烧室外环外径，d_2i+2为i#外燃烧室外环内径，l₁为内燃烧室轴向长度，l₂为1#外燃烧室轴向长度，l_i+1为i#外燃烧室轴向长度，i≥1，i为正整数；

(2)内外燃烧室体积

燃烧室应能保证燃料氧化剂在其中有足够的空间以保证充分蒸发混合和燃烧，根据燃烧室体积经验关系式，内外燃烧室体积需满足以下条件，

式中，V₁为内燃烧室体积，V₂为1#外燃烧室体积，V_i+1为i#外燃烧室体积，i≥1，i为正整数；

(3)燃烧室流量

根据动量矩定理，内外燃烧室流量需满足以下条件，

式中，q_m1为内燃烧室质量流量，q_m2为1#外燃烧室质量流量，q_m(i+1)为i#外燃烧室质量流量，正号表示该燃烧室内旋转爆震波传播方向为逆时针方向，负号表示顺时针方向。

2.根据权利要求1所述的消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，其特征在于：旋转爆震燃烧室由燃烧室前端、外燃烧室外环、内燃烧室外环组成。

3.根据权利要求2所述的消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，其特征在于：内、外燃烧室外环均是圆环形壳体，燃烧室前端是圆盘，内燃烧室外环和内燃烧室前端共同组成旋转爆震燃烧室内燃烧室的主体，内燃烧室外环可充当外燃烧室内柱，外燃烧室外环、内燃烧室外环外表面和外燃烧室前端共同组成外燃烧室主体，外燃烧室为环形燃烧室，内燃烧室根据有无内柱可设计为环形燃烧室或空桶形燃烧室；同轴环形燃烧室数量可依据实际情况设计为2个或多个，外燃烧室编号按照径向由内向外为1#、2#、3#，以此类推。

4.根据权利要求1所述的消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，其特征在于：最外层燃烧室采用预爆管起爆方法，通过预先点燃预爆管中的混合气，预爆管中的高能射流进入燃烧室，在外燃烧室中起始爆震并周向传播，使用气态燃料时也可采用火花塞或固体火药、爆炸丝点火；内层燃烧室受结构限制可采用火花塞点火经缓燃向爆震转变的起爆方式。

5.根据权利要求1所述的消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，其特征在于：燃料、氧化剂和惰性介质经独立通道分别进入燃烧室前端，燃料和氧化剂在燃烧室前端处周向布置的30～70对喷嘴中喷出，各燃烧室内喷嘴分为两圈，内圈为燃料喷嘴，外圈为氧化剂喷嘴，以保证燃料和氧化剂的充分掺混，必要时也可采用环缝-喷孔对撞喷注以进一步提高混合效果，氧化剂通过收缩-扩张式环缝喷注，燃料通过喷孔喷出，与氧化剂对撞掺混；在每个燃烧室内靠近点火位置一侧设置惰性介质喷注孔，惰性介质的喷注应早于点火时间10～100ms，具体需综合考虑点火延迟、惰性介质隔离区域形成时间后确定；触发爆震后停止喷注惰性介质，爆震波只能朝着远离惰性介质的方向传播，从而实现爆震波旋转方向的控制，惰性介质喷注孔位于点火位置逆时针方向下游的燃烧室将产生逆时针方向的旋转爆震波，惰性介质喷注孔位于点火位置逆时针方向上游的燃烧室将产生顺时针方向的旋转爆震波，不同燃烧室内爆震波传播方向不同，使得不同燃烧室内的转矩互相抵消，从而消除飞行过程中的陀螺力矩。

6.根据权利要求1所述的消除飞行过程中陀螺力矩的旋转爆震燃烧方法，其特征在于：排气系统由喷管组成，采用分开排气设计时，外燃烧室为拉伐尔喷管，内燃烧室根据有无内柱可设计为塞式喷管或拉伐尔喷管；采用混合排气设计时，喷管只需安装在最外层燃烧室上，根据内燃烧室有无内柱，最外层燃烧室可设计为塞式喷管或拉伐尔喷管，塞式喷管中心塞体安装在内燃烧室内柱上；高温高压的已燃气体经喷管高速排出后产生推力。

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