CN112796906A - 一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法 - Google Patents

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武志文
陈鹏鑫
张智慧
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Abstract

本发明涉及一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，具体涉及的是固体燃料超燃发动机的燃烧室实验，属于固体燃料超燃冲压发动机实验领域。本发明通过改变肋条的安装角度，可以实现不同的气体旋流程度，超声速来流在旋转装置作用下，增加了切向速度，提高了燃料在燃烧室内的驻留时间，增强了燃烧，提高了燃烧效率，燃烧充分，从而达到提高推力的效果。且本发明整个发动机采用可拆卸式设计，整个发动机由进气道尾喷管，气体旋转装置和燃烧室组成。可以通过改装气体旋转装置，达到不同的旋流程度，从而达到不同的实验效果。

Description

一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法
技术领域
本发明涉及一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，具体涉及的是固体燃料超燃发动机的燃烧室实验，属于固体燃料超燃冲压发动机实验领域。
背景技术
固体燃料的超燃冲压发动机能使其吸入的空气作为氧化剂并快速燃烧，提高比冲，而且具有结构简单、可靠性高、安全性好、反应迅速、存储运输方便等优点，在高超声速推进领域中有广阔的应用前景。
固体燃料超燃冲压发动机是一种将固体燃料浇注或黏接在燃烧室内，与超声速气流直接燃烧的冲压发动机。固体燃料超燃冲压发动机通常由进气道、燃烧室和喷管3部分组成。高速来流空气(Ma>5)经过进气道减速增压，到燃烧室入口(即进气道出口)时气流为高压高温的超声速气流。随后，气流在燃烧室入口台阶后发生流动分离，一部分气流在凹腔内形成低速(亚声速)高温高压回流区域。在高温气流下热解的燃料气体在凹腔内与空气中的氧气充分掺混，成功自点火后并维持火焰稳定燃烧；另一部分气体以超声速的状态进入等直段。气流流过等直段后，在扩张段继续扩张加速。随后，气流在扩张喷管中进一步减压加速，直至在喷管出口处达到理想膨胀状态。尽管固体燃料冲压发动机所使用的固体燃料化学性质较稳定，且预先不与氧化剂接触，拥有安全性高、结构简单、存储运输方便等优点，但是固体燃料超燃冲压发动机也存在一些问题。超燃冲压燃烧室主流速度在1000m/s左右，来流气体在燃烧室内的驻留时间在0.1ms左右，时间很短。碳氢燃料本身就燃烧效率低，而且超燃冲压发动机燃烧室中燃气和氧气的燃烧是非预混燃烧。化学反应的速度远远高于燃料气体和氧气的扩散速度，燃烧效率低，容易导致推力不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统碳氢燃料燃烧效率低，产生推力小的问题，提供一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，该方法能够有效提高固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的燃烧效率和燃烧室推力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，在进气道和燃烧室之间安装气体旋转装置，该气体旋转装置由壳体和肋条组成。
所述壳体为中空圆柱体，肋条安装在壳体内壁，肋条与主轴夹角为θ。
通过改变肋条的安装角度，可以实现不同的气体旋流程度，产生预设推力；
所述θ的计算方式为：
用旋流数定义气体旋转程度，旋流数S定义为流体的角动量的轴向通量Gθ与轴向动量GZ和燃烧装置特征半径R的乘积之比。
Figure BDA0002958185220000021
其中：
Figure BDA0002958185220000022
Figure BDA0002958185220000023
式中：ρ是流体密度；r是任意半径；U为旋流任一截面上的轴向速度；W为旋流任一截面上的切向速度分量；P为旋流任一截面上的静压力，R为燃烧装置的特征半径。
切向速度分量与轴向速度分量存在如下关系式：
W＝Utanθ (1.4)
对式(1.2)和(1.3)积分得到：
Figure BDA0002958185220000024
Figure BDA0002958185220000025
最终得到旋流数S和θ的关系：
Figure BDA0002958185220000026
其中，Rw为气体旋转装置壳体外径，Rn为气体旋转装置壳体内径；
所述肋条参数如下
肋条高度：H＝(0.15～0.2)*D，D为气体旋转装置壳体直径；
肋条厚度夹角：δ＝(50～60)°
所述肋条的翼型表面更符合气动特性，减少了总压损失，使来流静温升高幅度减小，还能达到使来流旋转的效果。
考虑到旋流强度，旋流数S大于0.6时，是强旋流，强旋流下，总压损失会进一步增加，为了使旋流数S保持在0.4～0.6之间，肋条个数不能过多，通过计算，肋条个数n≤4。
有益效果
1、本发明的一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，通过改变肋条的安装角度，可以实现不同的气体旋流程度，超声速来流在旋转装置作用下，增加了切向速度，提高了燃料在燃烧室内的驻留时间，增强了燃烧，提高了燃烧效率，燃烧充分，从而达到提高推力的效果。
2、本发明的一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，整个发动机采用可拆卸式设计，整个发动机由进气道尾喷管，气体旋转装置和燃烧室组成。可以通过改装气体旋转装置，达到不同的旋流程度，从而达到不同的实验效果。
附图说明
图1为安装气体旋转装置的固体燃料超燃冲压发动机示意图；
图2为气体旋转装置主视图；
图3为气体旋转装置主视图的剖视图；
图4为气体旋转装置的俯视图和右视图。
其中，1—进气道喷管，2—气体旋转装置，3—固体燃料超燃冲压燃烧室，4—肋条，5—气体旋转装置壳体。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图和具体的实施例来对本发明进行进一步的说明。
气体旋转装置的装配示意图如图2所示，包括：气体旋转装置壳体5，肋条4。
肋条4长度：L4＝4～6mm，气体旋转装置壳体长度L5＝10mm。
为了尽可能减小总压损失和速度损失，肋条型面更好地复合气动特性，采用NACA63-618翼型设计。
通过计算，对于安装角为θ的肋条，其在翼面上的某点压强P1和来流压强P∞的关系式为：
Figure BDA0002958185220000031
式中，P1是指翼面上某点压强，是指P∞来流压强，Ma∞是指来流马赫数，Man是指垂直于该点翼面的马赫数，k为空气绝热指数；
所述肋条的翼型表面更符合气动特性，减少了总压损失，使来流静温升高幅度减小，还能达到使来流旋转的效果。
装配顺序是：气体旋转装置中肋条和壳体通过焊接连接在一起，肋条与主轴夹角为θ，进气道喷管和气体旋转装置通过焊接连接在一起，燃烧室和气体旋转装置通过螺纹连接，同时能起到压紧进气道喷管的作用。
工作过程：
(a)将整个固体燃料超燃冲压发动按照装配顺序装配完成；
(b)将装好的发动机放在直连试验台上，连接好压力传感器，同时和数据采集仪器连接好。
(c)开启直连式试验台，开始点火，开始收集数据，测量采集燃烧室内的壁面压力，得到壁面压力曲线。
(d)关闭数据采集系统，待吹除结束，等到燃烧室完全冷却后将发动机拆除，更换另一个肋条与主轴夹角不同的气体旋转装置。
(f)重复以上实验步骤，进行不同旋流程度的燃烧实验。
试验结束后，通过测得的壁面压强，由压强与温度的计算公式，计算得到燃烧室总温，进而可以计算得到燃烧室燃烧效率；通过壁面压强还可以算得出口速度，进而算得燃烧室推力。可以得到不同旋流数下的推力，相反的，可以由需要的推力，推算所需要的旋流数，为以后的工程应用打下基础。
Figure BDA0002958185220000041
式中，P0是燃烧室入口总压，Pe是燃烧室出口压强，κ是比热比，Ma是马赫数，T0是燃烧室入口总温，Te是燃烧室出口总温，ue是出口速度，R0是气体常数，μ是粘度系数，F是燃烧室推力，Ae是燃烧室出口面积，η是燃烧室燃烧效率，Tt,e是燃烧室理论出口总温。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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例而已，并不用于限定本发明的保护范围，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)

1.一种提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，其特征在于：在进气道和燃烧室之间安装气体旋转装置，该气体旋转装置由壳体和肋条组成；
所述壳体为中空圆柱体，肋条安装在壳体内壁，肋条与主轴夹角为θ；
通过改变肋条的安装角度，可以实现不同的气体旋流程度，产生预设推力；
所述θ的计算方式为：
用旋流数定义气体旋转程度，旋流数S定义为流体的角动量的轴向通量Gθ与轴向动量GZ和燃烧装置特征半径R的乘积之比；
Figure FDA0002958185210000011
其中：
Figure FDA0002958185210000012
Figure FDA0002958185210000013
式中：ρ是流体密度；r是任意半径；U为旋流任一截面上的轴向速度；W为旋流任一截面上的切向速度分量；P为旋流任一截面上的静压力，R为燃烧装置的特征半径；
切向速度分量与轴向速度分量存在如下关系式：
W＝U tanθ (0.4)
对式(1.2)和(1.3)积分得到：
Figure FDA0002958185210000014
Figure FDA0002958185210000015
最终得到旋流数S和θ的关系：
Figure FDA0002958185210000016
其中，Rw为气体旋转装置壳体外径，Rn为气体旋转装置壳体内径。
2.如权利要求1所述的提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，其特征在于：所述肋条参数如下
肋条高度：H＝(0.15～0.2)*D，D为气体旋转装置壳体直径；
肋条厚度夹角：δ＝(50～60)°。
3.如权利要求1所述的提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，其特征在于：所述肋条的翼型表面更符合气动特性，减少了总压损失，使来流静温升高幅度减小，还能达到使来流旋转的效果。
4.如权利要求1所述的提高固体燃料超燃冲压发动机推力的方法，其特征在于：为了使旋流数S保持在0.4～0.6之间，肋条个数不能过多，通过计算，肋条个数n≤4。
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