CN112902225A - 一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，包括加力燃烧室，其设有加力外涵通道、内涵燃气通道、加力内锥、扩压掺混段、火焰稳定器、中心加力燃烧室隔热屏；加力外涵通道布置有旋转爆震增压燃烧室装置；中心加力燃烧室隔热屏由多圆筒段结构组成，不同直径的筒段间形成进气环缝结构，使外涵分流气流进入中心加力燃烧室内；旋转爆震增压燃烧室装置沿流向依次设有外涵分流段、旋转爆震扩压整流段、环形阵列式燃料喷口、值班预爆器和旋转爆震增压燃烧室。可有效改善变循环发动机或涡轮机组合动力高马赫数下加力燃烧室的工作服役性能，提高加力热效率及燃料比冲，降低加力油耗提升飞行航程，扩展工作马赫数范围。

Description

一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室

技术领域

本发明涉及航空发动机加力燃烧室技术领域，尤其涉及一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室。

背景技术

加力燃烧室位于航空发动机涡轮出口与尾喷管结构之间，使内外涵空气混合后喷油燃烧提供推力，可在不改变发动机结构的基础上大幅提高发动机推重比，对飞行器的机动性有重要影响。除用于军用涡扇发动机外，未来可在变循环发动机、空气涡轮火箭(ATR)发动机和涡轮基组合动力等动力装置中得到大量应用。

旋转爆震发动机中燃料与氧化剂掺混起爆产生爆震波，爆震波沿圆周方向旋转传播，波后产生高温高压工质沿圆周方向膨胀排出产生推力，具有燃烧快、熵增大、燃料流量大幅可调、易控制等优点。

2009年美国国防高级研究计划局开展了Vulcan研究计划，旨在将爆震与涡轮喷气发动机集成，以实现飞行器从静止状态加速到马赫4以上。波兰及日本的研究者提出了涡轮增强连续旋转爆震发动机的概念，分析认为该发动机具有燃烧室结构简单、效率高、成本低等优点，具有很好的发展前景。随着航空发动机工作马赫数的提高，加力燃烧室来流总温高导致喷燃及火焰稳定结构可靠性差，加力燃烧效率低，耗油量高，常规加力燃烧室方案难以满足需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，在加力燃烧室外涵流道布置旋转爆震增压燃烧室，利用旋转爆震增压燃烧室接力中心加力燃烧室工作，提高加力热效率及燃料比冲，降低加力油耗提升飞行航程，扩展加力燃烧室工作马赫数范围，满足变循环发动机、涡轮基组合动力等加力燃烧室工作需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，包括加力燃烧室，所述加力燃烧室设有加力外涵通道、内涵燃气通道、加力内锥、扩压掺混段、火焰稳定器、中心加力燃烧室隔热屏；所述加力外涵通道布置有旋转爆震增压燃烧室装置；所述加力内锥与扩压掺混段之间形成扩张通道；所述火焰稳定器设于加力内锥的后方中央；所述中心加力燃烧室隔热屏由多圆筒段结构组成，筒段直径自前向后递增，不同直径的筒段间形成进气环缝结构，使外涵分流气流进入中心加力燃烧室内；其中，部分加力外涵通道来流和压气机引流，通过扩压掺混段扩压后在中心加力燃烧室燃烧后从喷管排出产生推力；

所述旋转爆震增压燃烧室装置沿流向依次设有外涵分流段、旋转爆震扩压整流段、环形阵列式燃料喷口、值班预爆器和旋转爆震增压燃烧室；其中，所述外涵分流段通过分配外环旋转爆震增压燃烧室、中心加力燃烧室及冷却气流量调节多级加力燃烧室工作状态，外涵通道来流和压气机引流经外涵分流段分流后，一部分用于中心加力燃烧室隔热屏与旋转爆震内壁面冷却，大部分通过旋转爆震扩压整流后与阵列燃料喷口喷射的燃料掺混，经值班预爆器起爆后产生连续旋转的爆震波在旋转爆震增压燃烧室中传播后经喷管排出产生推力。

所述喷管采用可调尾喷管，所述旋转爆震增压燃烧室与加力燃烧室共用可调尾喷管，可调尾喷管包括旋转爆震喷管内锥面和多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面，通过调整尾喷管可调外壁面的收敛扩张来改变多级加力燃烧室尾喷管的整体收缩/扩张比，适应不同马赫数工作需求。

所述外涵分流段通过环状布置的分流板结构将外涵气流分为进入旋转爆震扩压整流段及进入冷却气流通道的两股气流。

所述加力燃烧室还包括波瓣混合器，所述波瓣混合器设于扩张通道内，用于内外涵气流的掺混。

所述火焰稳定器包括主火焰稳定器和值班火焰稳定器，所述值班火焰稳定器设于主火焰稳定器的中央。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、高马赫数下外环旋转爆震增压燃烧室接力中心加力燃烧室工作，扩展加力燃烧室工作范围，使加力燃烧室具有高马赫数高总温来流下的工作性能，改善高马赫数下加力燃烧室油路及热端部件工作服役性能；

2、多级加力燃烧室兼顾低马赫数大流量大推力，高马赫数旋转爆震高热效率、高比冲和低油耗的特点，有利于提高飞行器续航里程；

3、多级加力燃烧室在不同工作条件下可以灵活调整流量分配，旋转爆震结构简单可与中心加力燃烧室共用壁面，方便冷气流对燃烧室结构进行冷却。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的剖视结构示意图；

图4为图3中的A部放大图；

图5为图3中的B部放大图。

附图标记：加力外涵通道1，内涵燃气通道2，波瓣混合器3，加力内锥4，扩压掺混段5，外涵分流段6，主火焰稳定器7，值班火焰稳定器8，旋转爆震扩压整流段9，环形阵列式燃料喷口10，值班预爆器11，旋转爆震增压燃烧室12，中心加力燃烧室隔热屏13，多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14，旋转爆震喷管内锥面15，冷却气流通道16，调节杆17。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～5所示，本实施例加力燃烧室设有加力外涵通道1、内涵燃气通道2、加力内锥4、扩压掺混段5、火焰稳定器、中心加力燃烧室隔热屏13、波瓣混合器3；

所述加力外涵通道1和内涵燃气通道2为加力燃烧室的两气流进口；所述加力外涵通道1布置有旋转爆震增压燃烧室装置；所述加力内锥4与扩压掺混段5之间形成扩张通道；所述波瓣混合器3设于扩张通道内，用于内外涵气流的掺混；所述中心加力燃烧室隔热屏13由多圆筒段结构组成，筒段直径自前向后递增，不同直径的筒段间形成进气环缝结构，使外涵分流气流进入中心加力燃烧室内；所述火焰稳定器设于加力内锥4的后方中央，所述火焰稳定器包括主火焰稳定器7和值班火焰稳定器8，所述值班火焰稳定器8设于主火焰稳定器8的中央，用于负责中心加力燃烧室的火焰稳定功能。

所述旋转爆震增压燃烧室装置沿流向依次设有外涵分流段6、旋转爆震扩压整流段9、环形阵列式燃料喷口10、值班预爆器11和旋转爆震增压燃烧室12。

所述外涵分流段6位于中心加力燃烧室隔热屏13与复合加力外壁面间，通过调整环状布置的分流板结构收缩/扩张的程度实现对外涵气流的分配，达到分配外环旋转爆震通道气流量、中心加力燃烧室外涵混合进气量及冷却气流量，进而调节多级加力燃烧室工作状态。

所述值班预爆器11布置于旋转爆震增压燃烧室12侧壁，通过燃料与氧气填充在小直径管道中点火起爆产生爆震波传入旋转爆震增压燃烧室12中，在燃烧室中产生连续旋转爆震波。根据旋转爆震增压燃烧室12的工作情况，及时进行熄爆后再次填充点火起爆，保证旋转爆震增压燃烧的稳定持续。

所述喷管采用可调尾喷管，所述旋转爆震增压燃烧室与加力燃烧室共用可调尾喷管，可调尾喷管包括旋转爆震喷管内锥面15和多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14，有效降低多级加力燃烧室重量及冷却结构复杂程度；通过调节杆17调整尾喷管可调外壁面的收敛扩张来改变多级加力燃烧室尾喷管的整体收缩/扩张比，适应不同马赫数工作需求。

本发明的工作原理如下：

1、加力燃烧室工作时，加力外涵通道1中部分进气道来流和压气机引流，通过波瓣混合器3与内涵燃气通道2中的低压涡轮出口气流混合，通过扩压掺混段5扩压后在中心加力燃烧室内经主火焰稳定器7、值班火焰稳定器8组织燃烧后从多级加力燃烧室旋转爆震喷管内锥面15排出，与外环旋转爆震通道气流混合后经多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14收扩控制后排出产生推力；

2、旋转爆震增压燃烧室12工作时，所述外涵分流段6通过分配外环旋转爆震增压燃烧室12、中心加力燃烧室及冷却气流量调节多级加力燃烧室工作状态，外涵通道来流和压气机引流经外涵分流段6分流后，一部分用于中心加力燃烧室隔热屏13与旋转爆震内壁面冷却，大部分通过旋转爆震扩压整流后与环形阵列式燃料喷口10喷射的燃料掺混，经值班预爆器11起爆后产生连续旋转的爆震波在旋转爆震增压燃烧室12中传播后经喷管排出产生推力。

3、加速过程中随飞行马赫数变化，多级加力燃烧室工作在不同状态，旋转爆震增压燃烧室12逐渐接力中心加力燃烧室工作；

状态一，速度低于马赫数2.0时，外涵分流段经分流板降低外涵旋转爆震增压燃烧室通流量，增加外涵经混合器进入中心加力燃烧室掺混燃烧及隔热屏冷却的空气流量，该状态下主要由中心加力燃烧室补燃燃烧提供推力，旋转爆震增压燃烧室主要起小流量通流、冷却喷管、降低红外辐射特性的作用；

状态二，马赫2.0～3.0时，旋转爆震增压燃烧室逐渐实现燃料喷注、起爆，外涵分流段逐渐收缩，压气机引气通道开启，增加旋转爆震增压燃烧室的进气量，环形阵列式燃料喷口10进行径向燃油喷射与来流进行掺混，经值班预爆器诱导爆震波起爆后，旋转爆震增压燃烧室12开始工作；

状态三，马赫3.0+时，进气道冲压效应增强，旋转爆震增压燃烧室工作稳定性逐渐加强，增加旋转爆震增压燃烧室燃料喷射量的同时，降低中心加力燃烧室喷注量，进而降低中心加力燃烧室热负荷，合理分配外环旋转爆震增压燃烧室与中心加力燃烧室输出推力，改善高总温条件下多级加力燃烧室工作服役性能。

4、旋转爆震增压燃烧室12与中心加力燃烧室共用多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14组件，中心加力燃烧室喷管收缩段作为旋转爆震喷管内锥面15，多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14用于改变旋转爆震喷管收缩/扩张比，适应不同马赫数工作需求。低马赫数和低飞行高度时，旋转爆震增压燃烧室12通流经喷管排出与中心加力燃烧室高温燃气混合，降低排气温度，减弱尾流红外辐射特性。高马赫数时，中心加力燃烧室通流与多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14、旋转爆震喷管内锥面15间非均匀尾流掺混补偿，增强旋转爆震喷管适应飞行工况变化的能力。

以下给出本实施例的工作状态：

当飞行马赫数1.5发动机工作在开加力的加速阶段时，外涵分流段6呈扩张状态，旋转爆震扩压整流段9进口处于3/4关闭状态，外涵来流大部分经波瓣混合器3进入中心加力燃烧室掺混燃烧，一部分进入隔热屏冷却气流通道16，对中心加力燃烧室结构进行冷却，该状态下主要由中心加力燃烧室补燃燃烧提供推力，旋转爆震增压燃烧室12只进行外涵小流量通流、从尾喷管间排出包裹中心加力燃烧室高温尾流，冷却，降低尾流的红外辐射特性。

当飞行马赫数2.5在中心加力燃烧室工作的同时，外涵分流段6逐渐收缩，旋转爆震扩压整流段9进口处于1/2开启状态，同时压气机引气通道开启，增加旋转爆震增压燃烧室12的进气量。环形阵列式燃料喷口10进行径向燃油喷射与来流进行掺混，值班预爆器11进行可燃气及氧化剂填充、点火起爆，起爆成功后旋转爆震增压燃烧室12开始工作。燃料与来流空气混合后，不断被旋转爆震增压燃烧室12内连续旋转传播的爆震波点燃增压燃烧后，与中心加力燃烧室燃气经可多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面14调控后共同排出产生推力。外涵通道来流经冷却气流通道16，同时对中心加力燃烧室隔热屏13及旋转爆震增压燃烧室12内柱面进行冷却。

本发明所述旋转爆震增压燃烧室是布置于中心加力燃烧室外围，利用中心加力燃烧室机匣作为旋转爆震燃烧室内柱面，能在高马赫数下利用外涵冲压来流及压气机引气，组织燃料喷射及旋转爆震起爆自持燃烧的装置。随飞行马赫数提高，旋转爆震增压燃烧室逐渐点火启动，接力中心加力燃烧室工作，Ma3+时旋转爆震增压燃烧室稳定输出部分推力，减轻中心加力燃烧室工作负荷。

本发明可有效改善变循环发动机或涡轮机组合动力高马赫数下加力燃烧室的工作服役性能，提高燃油喷射及火焰稳定结构高总温来流下工作可靠性，共用部分壁面冷却通道，避免多级燃烧室复杂的热防护及冷却结构；提高加力热效率及燃料比冲，降低加力油耗提升飞行航程，扩展加力燃烧室高效工作马赫数范围。

Claims (5)

1.一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，其特征在于：包括加力燃烧室，所述加力燃烧室设有加力外涵通道、内涵燃气通道、加力内锥、扩压掺混段、火焰稳定器、中心加力燃烧室隔热屏；所述加力外涵通道布置有旋转爆震增压燃烧室装置；所述加力内锥与扩压掺混段之间形成扩张通道；所述火焰稳定器设于加力内锥的后方中央；所述中心加力燃烧室隔热屏由多圆筒段结构组成，筒段直径自前向后递增，不同直径的筒段间形成进气环缝结构，使外涵分流气流进入中心加力燃烧室内；其中，部分加力外涵通道来流和压气机引流，通过扩压掺混段扩压后在中心加力燃烧室燃烧后从喷管排出产生推力；

所述旋转爆震增压燃烧室装置沿流向依次设有外涵分流段、旋转爆震扩压整流段、环形阵列式燃料喷口、值班预爆器和旋转爆震增压燃烧室；其中，所述外涵分流段通过分配外环旋转爆震增压燃烧室、中心加力燃烧室及冷却气流量调节多级加力燃烧室工作状态，外涵通道来流和压气机引流经外涵分流段分流后，一部分用于中心加力燃烧室隔热屏与旋转爆震内壁面冷却，大部分通过旋转爆震扩压整流后与阵列燃料喷口喷射的燃料掺混，经值班预爆器起爆后产生连续旋转的爆震波在旋转爆震增压燃烧室中传播后经喷管排出产生推力。

2.如权利要求1所述的一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，其特征在于：所述喷管采用可调尾喷管，所述旋转爆震增压燃烧室与加力燃烧室共用可调尾喷管，可调尾喷管包括旋转爆震喷管内锥面和多级加力燃烧室尾喷管可调外壁面，通过调整尾喷管可调外壁面的收敛扩张来改变多级加力燃烧室尾喷管的整体收缩/扩张比，适应不同马赫数工作需求。

3.如权利要求1所述的一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，其特征在于：所述外涵分流段通过环状布置的分流板结构将外涵气流分为进入旋转爆震扩压整流段及进入冷却气流通道的两股气流。

4.如权利要求1所述的一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，其特征在于：所述加力燃烧室还包括波瓣混合器，所述波瓣混合器设于扩张通道内，用于内外涵气流的掺混。

5.如权利要求1所述的一种带外环旋转爆震增压燃烧室的多级加力燃烧室，其特征在于：所述火焰稳定器包括主火焰稳定器和值班火焰稳定器，所述值班火焰稳定器设于主火焰稳定器的中央。

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