CN113137637A - 一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，包括旋转爆震燃烧室本体和可变面积的尾喷管。通过调节尾喷管面积调节系统，在尾喷管壁面处形成一层“流体壁面”，其会根据旋转爆震燃烧室的非稳态排气特性，跟随主流流场压力在周向位置分布的不同而发生压缩或膨胀，快速改变当地主流膨胀所需的实际面积，实现气流在喷管内的理想膨胀过程，提高发动机的推进性能。同时，当发动机改变工作点时，可通过调节供气流量改变“流体壁面”的厚度，从而在宏观整体改变尾喷管的喉道面积和所需的面积比，拓宽发动机的工作范围，实现发动机的宽域工作。本发明可以用于爆震推进等领域。

Description

一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管

技术领域

本发明涉及爆震推进领域，具体为一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)作为一种新型动力装置，具有结构简单、热循环效率高等潜在优点，具有广阔的应用前景，近年来受到了广泛关注。

现有研究中，旋转爆震燃烧室一般分为环形(有内柱)和空桶(无内柱)两种结构类型。燃料和氧化剂从一端(燃烧室头部)喷入，爆震波沿周向传播消耗可燃混气，高温高压燃气向后膨胀做功并从另一开口端(燃烧室尾部)排出。为提高RDE的推进性能，尾喷管结构必不可少。航空航天发动机的尾喷管结构类型较多，如有轴对称拉伐尔喷管、塞式喷管、单边膨胀喷管、膨胀-偏转喷管等，且采用机械调节的方式，使喷管在发动机不同工作状态点下，均能具有合适的喉道面积和对应所需的膨胀面积比。基于不同旋转爆震燃烧室的结构类型，环形燃烧室适宜与塞式喷管匹配，空桶燃烧室适宜安装拉伐尔喷管。然而，由于爆震波在燃烧室头部高速旋转，爆震波后的高温高压已燃气体没有固体壁面的约束，会向燃烧室尾部发生侧向膨胀，形成一道斜激波延伸至燃烧室出口，并跟随爆震波以相同频率旋转，使其出口平面压力的周向分布极不均匀，具有强烈的非稳态特性，与传统喷气发动机在各工作状态点下的稳态排气过程截然不同。旋转爆震燃烧室出口的非稳态排气特性使喷管在任意时刻所需的喉道面积并非完全轴对称，且气流状态参数变化高达数千赫兹。若采用常用的轴对称喷管结构，则只能在局部达到设计点状态，传统的机械调节方式只能整体改变喷管面积，难以实时准确调节喷管局部面积以适应当地出口气流的状态变化，从而产生推力损失。

因此，针对上述旋转爆震燃烧室非稳态排气特性，建立一种能快速调节面积的尾喷管方法，使其周向位置各处都具有合适的喉道面积和所需的膨胀面积比，有利于提高发动机的推进性能。并且，其也具备传统机械调节的能力，当发动机工作状态改变时，可整体改变喷管的喉道面积和所需面积比，使喷管工作状态与发动机工作状态相匹配。本发明提出了一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，可满足以上要求，对提高RDE的推进性能具有重要作用。

发明内容

要解决的技术问题

针对当前RDE燃烧室具有非稳态排气特性这一问题，本发明提出了一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，利用从喷管喉道前的环气孔流出的气流在喷管壁面附近形成一层“流体壁面”。在任意时刻，因波后气体发生侧向膨胀而形成的斜激波会延伸至燃烧室出口，燃烧室出口气流具有强烈的非稳态特性，使燃烧室出口平面气流状态参数周向分布极不均匀。斜激波附近的较高压力区域，喷管内主流流体会挤压当地的“流体壁面”，使此处“流体壁面”被压缩，增大喉道面积和所需面积比；相反，其他压力较小区域，“流体壁面”则会膨胀以挤压主流流体，减小当地喉道面积和所需面积比，调节速度快，且各时刻形成的喉道面积和所需面积比是非轴对称的，以适应不同周向位置处气流所需的膨胀条件。同时，基于不同的发动机工作状态，燃烧室内室压不同，尾喷管壁面附近的“流体壁面”厚度可通过改变供气通道内的气流流量进行调节，从整体上调节尾喷管的喉道面积和所需面积比，以实现发动机的宽域工作。另外，附着的“流体壁面”对喷管起具有热防护作用，延长发动机喷管的使用寿命。本发明可以用于爆震推进等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，包括旋转爆震燃烧室本体和可变面积的尾喷管。

所述旋转爆震燃烧室本体由燃烧室头部、燃烧室外环、供给系统、点火组件组成。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，根据有无内柱可设计为环形燃烧室或空桶型燃烧室，整体尺寸可根据燃料的类型和使用环境进行合理设计；燃料和氧化剂采用环缝喷孔形式供给，氧化剂经管道由燃烧室头部环缝处进入燃烧室，燃料从燃烧室头部处沿周向均布的30～120个环孔中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化。值得注意的是，掺混系统还可采用对撞式环孔对以及气液同轴离心等方式；点火组件安装在燃烧室外环壁面，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。

所述可变面积的尾喷管包括尾喷管、供气通道、电磁阀和供气环孔，供气通道、电磁阀和供气环孔共同组成尾喷管的面积调节系统。对于空桶型燃烧室，在燃烧室出口位置直接将拉伐尔喷管与燃烧室外环相连；对于环形燃烧室，则采用塞式喷管结构，燃烧室外环与喷管外环相连，燃烧室内柱连接喷管中心锥，值得注意的是，可按实际使用环境所需，采用内膨胀式、外膨胀式和内外混合膨胀式的塞式尾喷管；供气通道是圆环形空心通道，位于燃烧室外壁面外侧或内柱内部，数量为1～5条，供气通道均贯穿燃烧室头部，且分别与电磁阀连接，保证彼此之间供气相互独立；供气环孔布置在喷管喉道前壁面上，具体为布置与燃烧室轴线方向呈0～90°的多排小孔，孔径为0.5～2mm，单排数量为40～120个，环孔排数为1～10，单排环孔可与单条供气通道相连，各供气通路之间彼此并联，相邻的2～10排环孔也可共用一条供气通道，形成串联供气通路。

所述喷管喉道宽度调节系统的具体调节过程如下：当发动机工作在设计点下，调节供气通路电磁阀，改变供气通路的供气流量，在喷管壁面处形成一层“流体壁面”。非稳态排气特性使燃烧室出口平面处气流状态参数在周向分布极不均匀，“流体壁面”则会根据当地主流的压力发生压缩或膨胀的现象，快速且有针对性地改变当地气流膨胀所需的流道面积，实现尾喷管喉道面积与所需面积比的快速调节；并且，当发动机改变工作点状态，燃烧室内压力高于设计状态时，同时减小所有供气通路的流量，使“流体壁面”厚度减小，喉道面积整体增加，同时改变喷管原有面积比；当燃烧室内室压低于设计状态时，则同时增加所有供气通路的流量，使“流体壁面”厚度增加，以减小相应的整体喉道面积和所需面积比，使尾喷管均工作在完全膨胀状态下。

有益效果：

采用本发明提供的一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，在喷管喉道前设计单排或多排环孔的结构布局，并通过阀门控制引气流量，使喷管壁面附近形成一层“流体壁面”。喷管入口处，斜激波附近的较高压力区域，喷管内主流流体会挤压当地的“流体壁面”，使此处流体被压缩，增大喉道面积和所需面积比；相反，其他压力较小区域，“流体壁面”则会发生膨胀以挤压主流流体，减小当地喉道面积和所需面积比，响应速度极快，且各时刻形成喉道面积和所需面积比是非轴对称的。并且，当发动机工作状态点改变时，可以通过增大或减小供气流量，改变“流体壁面”的厚度，整体调整尾喷管的喉道面积和所需面积比，改变尾喷管的工作状态。另外，形成的“流体壁面”附着在喷管壁面并向后排出，同样有利于喷管结构的冷却。采用本发明可以有效地实时调节尾喷管喉道面积和所需面积比，使其保持在设计点状态，且能冷却尾喷管结构，延长尾喷管的使用寿命，保证发动机的长时间工作，稳定提高并优化发动机的整体推进性能。

附图说明

图1为本发明旋转爆震发动机可变面积的塞式喷管结构简图和剖面图(实施例1)；

图2为本发明旋转爆震发动机可变面积的拉伐尔喷管结构简图和剖面图(实施例2)；其中，1为氧化剂供给环缝，2为燃料供给喷嘴，3为点火组件，4为燃烧室头部，5为燃烧室外环，6为燃烧室内柱，7为供气通道，8为供气环孔，9为尾喷管，10为电磁阀，7-1为供气通道一，7-2为供气通道二，7-3为供气通道三，7-4为供气通道四，7-5为供气通道外壁面，8-1为供气环孔一，8-2为供气环孔二，8-3为供气环孔三，8-4为供气环孔四，8-5为供气环孔五，8-6为供气环孔六，9-1为塞式喷管外壁面，9-2为塞式喷管中心锥。

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。

以环形燃烧室为例，参见图1，旋转爆震燃烧室本体包括燃烧室外环5、燃烧室内柱6、燃烧室头部4、供给系统(如氧化剂供给环缝1、燃料供给喷嘴2)和点火组件3，可变面积的尾喷管主要由尾喷管9及其面积调节系统(包括供气通道7、供气环孔8和电磁阀10)。工作时，氧化剂和燃料分别通过氧化剂供给环缝1和燃料供给喷嘴2进入燃烧室，然后通过点火组件3点火形成爆震波并在燃烧室头部稳定传播，室内高温高压气体经过尾喷管继续膨胀做功，产生推力。爆震波传播过程使波前波后的气体参数剧烈变化，导致燃烧室出口平面气流参数亦具有强烈的非稳态特性，且随爆震波的传播发生周期性变化。这使得，在同一时刻下，燃烧室出口平面参数周向分布极不均匀，不同周向位置处气流膨胀所需的喉道面积和面积比不同。

本发明提出一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，在旋转爆震发动机工作过程中，先通过分别控制供气通道7-1的电磁阀10-1，调节喷管入口附近供气环孔8-1和8-2的供气流量，在塞式喷管中心锥9-2处形成一层“流体壁面”，再通过调节供气通道7-2、7-3和7-4的电磁阀10-2、10-3和10-4，微调喷管喉道位置和扩张段上“流体壁面”的厚度，使其根据主流压力发生压缩或膨胀过程，快速调节当地气流膨胀所需的喉道面积和面积比；另外，当发动机工作状态改变时，可增大或减小所有供气通道7的供气流量，整体调节喷管的喉道面积和面积比。

实施例1：

参见图1，在本实例中，采用环形型燃烧室，尾部安装塞式喷管。喉道宽度调节系统供气通道贯穿燃烧室内柱并延伸至塞式喷管中心锥喉道前位置，供气环孔8-1和供气环孔8-2共用供气通道7-1，形成串联通路；同样，供气环孔8-5和供气环孔8-6共用供气通道7-4；供气环孔8-3和8-4分别与两条供气通道相连，各供气通道相互并联，通过调节不同供气通道7上的电磁阀10改变供气流量，流出的气体附着于喷管中心锥，形成“流体壁面”，实时调节喷管不同周向位置处当地的喉道宽度和所需面积比。形成的“流体壁面”还可减小喷管中心锥的热负荷。发动机工作状态改变时，可以通过调节供气流量，改变“流体壁面”的厚度，整体调节喷管的喉道面积和所需面积比以改变喷管的工作状态。

实施例2：

参见图2，在本实例中，采用空桶型燃烧室，尾部安装拉伐尔喷管。为减小发动机整体迎风面积，燃烧室外环仅布置单条供气通道7-1，各排环孔串联。通过控制电磁阀10改变气流流量，形成的“流体壁面”根据当地流场压力与主流相互作用，发生压缩或膨胀现象，实时调节当地气流膨胀所需的喉道面积和面积比。形成的“流体壁面”还可减小喷管内壁面的热负荷。另外，当发动机工作状态改变时，可以调节供气流量，改变“流体壁面”的厚度，宏观调整喷管的喉道面积和所需面积比，使喷管内气流完全膨胀。

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 (4)

1.一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，包括旋转爆震燃烧室本体和可变面积的尾喷管，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、供给系统、点火组件组成；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，根据有无内柱可设计为环形燃烧室或空桶型燃烧室，整体尺寸可根据燃料的类型和使用环境进行合理设计；燃料和氧化剂采用环缝喷孔形式供给，氧化剂经管道由燃烧室头部环缝处进入燃烧室，燃料从燃烧室头部处沿周向布置的30～120对喷嘴中喷出，以保证燃料和氧化剂的充分掺混、雾化。值得注意的是，掺混系统还可采用环孔-环孔对撞以及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。

2.根据权利要求1所述的一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，其特征在于：可变面积的尾喷管包括尾喷管、供气通道、电磁阀、供气环孔，供气通道、电磁阀和供气环孔共同组成尾喷管的面积调节系统；供气通道是圆环形空心通道，位于燃烧室外壁面外侧或内柱内部，数量为1～5条，供气通道均贯穿燃烧室头部，且分别与电磁阀连接，保证彼此之间供气相互独立；供气环孔布置在喷管喉道前壁面上，具体为布置与燃烧室轴线方向呈0～90°的多排小孔，孔径为0.5～2mm，单排数量为40～120个，环孔排数为1～10，单排环孔可与单条供气通道相连，各供气通路之间彼此并联，相邻的2～10排环孔也可共用一条供气通道，形成串联通路。

3.根据权利要求1所述的一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，其特征在于：在旋转爆震燃烧室工作过程中，通过调节尾喷管面积调节系统，使尾喷管壁面附近形成一层“流体壁面”，这层“流体壁面”会依据旋转爆震燃烧室的非稳态排气特性，在周向不同位置处，随主流压力的变化发生压缩或膨胀过程，实时快速调节当地主流气流膨胀所需的喷管喉道面积和所需面积比，满足气流在喷管内的理想膨胀条件，可以提高发动机的推进性能；同时，当发动机工作点变化时，可增大或减小尾喷管面积调节系统的供气流量，改变尾喷管壁面附近“流体壁面”的厚度，从宏观整体方面改变尾喷管的喉道面积和膨胀面积比，可以拓宽发动机的工作范围，实现发动机的宽域工作。

4.根据权利要求1所述的一种可变面积的旋转爆震燃烧室尾喷管，其特征在于：对于空桶型燃烧室，在燃烧室出口位置直接将拉伐尔喷管与燃烧室外环相连；对于环形燃烧室，则采用塞式喷管结构，燃烧室外环与喷管外环相连，燃烧室内柱连接喷管中心锥，值得注意的是，可按实际使用环境所需，采用内膨胀式、外膨胀式和内外混合膨胀式的塞式喷管。

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