CN113028453B - 一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体和燃烧室宽度调节系统。利用供气孔射流在燃烧室内部形成一个包裹弧形鳞片的气膜，其中，气膜厚度可通过改变供气通道内的气流流量进行调节，即利用供气气流实现了燃烧室内柱直径的改变，进而达到燃烧室宽度可调节这一目的。此外，气膜还可以有效地减小弧形鳞片和燃烧室内柱的热负荷，提高使用寿命。本发明可以用于爆震推进和地面发电等领域。

Description

一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室
技术领域
本发明涉及爆震推进和地面发电等领域，具体为一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室。
背景技术
旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine，简称RDE）是一种利用连续旋转爆震燃烧来产生推力的新概念发动机。理论上，其热循环效率远高于基于等压燃烧的传统航空航天发动机，且释热速率快、结构简单。因此，RDE已成为先进航空航天发动机领域的研究热点。
对于旋转爆震发动机而言，燃烧室宽度是一个至关重要的参数。在供给条件一定的前提下，当燃烧室宽度较小时，受边界层和爆震波波面波系结构的影响，不利于形成稳定的旋转爆震波。当燃烧室宽度增加时，一方面爆震波在燃烧室旋转一周的耗时增加，相应的填充压力高于燃烧室局部室压的时间增加，有助于可燃混合物的填充混合，对旋转爆震波的形成有利；另一方面，燃烧室横截面积增加，会降低上游新鲜混合物的填充高度，造成旋转爆震波的传播失稳，不利于燃烧室的稳定工作。因此，对燃烧室宽度这一关键参数的选取需进行综合权衡。此外，实际应用中，外界工况变化较大，新鲜混气的来流压力随飞行速度急剧改变，对进入燃烧室的气流流量造成影响。如果旋转爆震燃烧室采用固定的燃烧室宽度，在气流流量较小时，燃烧室内新鲜混气的填充高度不足，可能会导致爆震波熄灭；与之相反，在气流流量较大时，新鲜来流的填充速度显著提高，导致燃料的穿透深度下降，不利于燃料和氧化剂的混合，进而影响燃烧室的稳定工作。综上，燃烧室宽度对RDE的稳定工作具有重要意义，但当前研究中使用的燃烧室宽度无法实现实时调节，不利于RDE的实际应用和进一步发展。
因此，设计一种可根据实际飞行工况来调节燃烧室宽度，且结构简单的旋转爆震燃烧室，显得尤为重要，本发明提出了一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，恰能满足要求，对旋转爆震发动机的实际应用具有重要的意义。
发明内容
要解决的技术问题
在RDE实际应用中，外界工况变化较大，如果采用固定宽度的旋转爆震燃烧室，则不利于旋转爆震波的稳定传播，甚至导致爆震波熄灭。因此，本发明提出了一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，利用供气孔射流在燃烧室内部形成一个包裹弧形鳞片的气膜，其中，气膜厚度可通过改变供气通道内的气流流量进行调节，即利用供气气流实现了燃烧室内柱直径的改变，进而达到燃烧室宽度可调节这一目的。此外，气膜还可以有效地减小弧形鳞片和燃烧室内柱的热负荷，提高使用寿命。本发明可以用于爆震推进和地面发电等领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体和燃烧室宽度调节系统。
所述旋转爆震燃烧室本体由燃烧室头部、燃烧室外环、供给及掺混系统、点火组件和尾喷管组成。燃烧室头部是一圆盘，燃烧室外环是一个圆环形壳体，燃烧室外环和燃烧室头部共同组成旋转爆震燃烧室的主体，其外形尺寸可根据燃料的类型和使用环境进行合理设计；燃料和氧化剂经供给及掺混系统的管道进入燃烧室头部，并从燃烧室头部处沿轴向布置的20~150对喷嘴中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化。需要指出，掺混系统还可采用环缝喷孔和气液同轴离心这两种方式；点火组件安装在燃烧室外环壁面上，用于对旋转爆震燃烧室点火，一般可使用预爆震管、热射流管和火花塞等；尾喷管由塞式喷管中心锥和塞式喷管外环组成，用于提高发动机的推进性能。
所述燃烧室宽度调节系统由燃烧室内柱、供气通道、电磁阀、弧形鳞片和供气孔组成。燃烧室内柱是一个圆柱体，一侧与燃烧室头部连接，另一侧与塞式喷管中心锥连接，值得注意的是，燃烧室内柱和燃烧室外环间的垂直距离即为燃烧室宽度；供气通道是一个圆柱形空心通道，位于内柱圆心处，其内径尺寸为燃烧室内柱外径的1/5~1/3，长度为内柱总长的1/3~7/8，供气通道贯穿燃烧室头部，并与电磁阀连接；弧形鳞片是一组圆弧形鳞片，数量为10~40 片，长度为供气通道总长的3/4~7/8，弧形鳞片均匀的安装在燃烧室内柱上，且弧形的弯曲方向一致；供气孔设置在燃烧室内柱上，具体为沿燃烧室内柱轴向方向布置的多排小孔，供气孔共有5~30排，贯穿燃烧室内柱，孔径为0.3~1 mm，每排供气孔的个数与弧形鳞片的数量一致，供气孔的出口位置恰好在相邻的两个弧形鳞片之间。
所述燃烧室宽度调节系统的具体调节过程如下：当需要增加燃烧室宽度时，降低电磁阀开度以减小通过的气流流量，流经供气孔的气流流量随之下降，进而导致包裹弧形鳞片的气膜厚度减小，即燃烧室内柱直径减小，从而实现了增加燃烧室宽度的目的；当需要减小燃烧室宽度时，与上述过程相反，提高电磁阀开度以增加通过供气通道的气流流量即可完成调节过程。
有益效果：
采用本发明提供的一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，利用供气孔射流在燃烧室内部形成一个包裹弧形鳞片的气膜，其中，气膜厚度可通过改变供气通道内的气流流量进行调节，即利用供气气流实现了燃烧室内柱直径的改变，进而达到燃烧室宽度调节这一目的；在旋转爆震发动机的实际应用中，可根据外界工况的变化，实时调节燃烧室宽度，以获得稳定的旋转爆震波和最佳的推进性能。此外，气膜还可以有效地减小弧形鳞片和燃烧室内柱的热负荷，提高发动机的使用寿命。本发明可以用于爆震推进和地面发电等领域。
附图说明
图1为本发明一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室轮廓图；
图2为本发明一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室剖面图（实施例1）；
图3为本发明一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室剖面图（实施例2）；
图4为本发明燃烧室宽度调节系统的示意图；
其中，1为点火组件，2为氧化剂喷嘴，3为燃料喷嘴，4为燃烧室外环，5为塞式喷管中心锥，6为燃烧室头部，7为供气孔，8为弧形鳞片，9为燃烧室内柱，10为塞式喷管外环，11为电磁阀，12为供气通道。
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。
参见图1、图2和图3，通常，旋转爆震燃烧室本体由燃烧室外环4、燃烧室头部6、供给及掺混系统、点火组件1和尾喷管组成。工作时，燃料和氧化剂分别经燃料喷嘴3和氧化剂喷嘴2喷入旋转爆震燃烧室，同时进行掺混，然后点火组件1点火并在燃烧室内形成爆震波，爆震波沿燃烧室周向高速旋转传播，随后，已燃气体沿轴向经尾喷管（塞式喷管外环10和塞式喷管中心锥5）排出，产生推力。实际使用中，来流条件变化较大，需要对燃烧室宽度进行实时调节，以获得稳定的旋转爆震波和最佳推进性能。
本发明提出一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，具体调节过程如下：当需要增加燃烧室宽度时，降低电磁阀11开度以减小通过的气流流量，流经供气孔7的气流流量随之下降，进而导致包裹弧形鳞片8的气膜厚度减小，即燃烧室内柱直径减小，从而实现了增加燃烧室宽度的目的；当需要减小燃烧室宽度时，与上述过程相反，提高电磁阀11开度以增加通过供气通道12的气流流量即可完成调节过程。
实施例1：
参见图2，在本实例中，燃烧室宽度调节系统贯穿整个燃烧室内柱9，通过改变供气通道12的气流流量，对燃烧室宽度进行调节。此时，燃烧室为一环形旋转爆震燃烧室，燃烧室宽度调节系统改变的是环形旋转爆震燃烧室的燃烧室宽度。
实施例2：
参见图3，在本实例中，燃烧室宽度调节系统仅占据燃烧室内柱9的一部分，通过改变供气通道12的气流流量，对燃烧室宽度进行调节。此时，燃烧室为一凹腔形旋转爆震燃烧室，燃烧室宽度调节系统改变的是凹腔形旋转爆震燃烧室的凹腔深度。
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 (2)

1.一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体和燃烧室宽度调节系统；所述燃烧室宽度调节系统由燃烧室内柱、供气通道、电磁阀、弧形鳞片和供气孔组成；燃烧室内柱是一个圆柱体，一侧与燃烧室头部连接，另一侧与塞式喷管中心锥连接；供气通道是一个圆柱形空心通道，位于燃烧室内柱圆心处，其内径尺寸为燃烧室内柱外径的1/5~1/3，长度为燃烧室内柱总长的1/3~7/8，供气通道贯穿燃烧室头部，并与电磁阀连接；弧形鳞片是一组圆弧形鳞片，数量为10~40 片，长度为供气通道总长的3/4~7/8，弧形鳞片均匀地安装在燃烧室内柱上，且弧形的弯曲方向一致；供气孔设置在燃烧室内柱上，具体为沿燃烧室内柱轴向方向布置的多排小孔，供气孔共有5~30 排，贯穿燃烧室内柱，孔径为0.3~1 mm，每排供气孔的个数与弧形鳞片的数量一致，供气孔出口位置恰好在相邻的两个弧形鳞片之间；燃烧室宽度调节系统的具体调节过程如下：当需要增加燃烧室宽度时，降低电磁阀开度以减小通过的气流流量，流经供气孔的气流流量随之下降，进而导致包裹弧形鳞片的气膜厚度减小，从而实现了增加燃烧室宽度的目的；当需要减小燃烧室宽度时，与上述过程相反，提高电磁阀开度以增加通过供气通道的气流流量即完成调节过程。
2.根据权利要求1所述的一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室，其特征在于：旋转爆震燃烧室本体由燃烧室头部、燃烧室外环、供给及掺混系统、点火组件和尾喷管组成；燃烧室头部是一圆盘，燃烧室外环是一个圆环形壳体，燃烧室外环和燃烧室头部共同组成旋转爆震燃烧室的主体，其外形尺寸根据燃料的类型和使用环境进行合理设计；燃料和氧化剂经供给及掺混系统的管道进入燃烧室头部，并从燃烧室头部处沿轴向布置的20~150对喷嘴中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化，或掺混系统采用环缝喷孔或气液同轴离心这两种方式；点火组件安装在燃烧室外环壁面上，用于对旋转爆震燃烧室点火，使用预爆震管、热射流管或火花塞；尾喷管由塞式喷管中心锥和塞式喷管外环组成，用于提高发动机的推进性能。
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