CN113250857B - 一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，涉及超燃冲压发动机技术领域，包括喷注面板组、第一燃料控制系统和第二燃料控制系统，喷注面板组分别与第一燃料控制系统和第二燃料控制系统连接；喷注面板组被配置成使得喷注入内的第一液体燃料和第二液体燃料能够快速混合、高效反应，同时将第一液体燃料和第二液体燃料反应后释放出的高热量和生成的中间活性物质喷入燃烧室，以实现超燃冲压发动机在低马赫数(马赫数＜4.0)条件下飞行时的点火反应；第一液体燃料为含硼络合物，第二液体燃料为不饱和烃。本发明系统结构简单、安全高效，解决了超燃冲压发动机在低马赫数条件下不易着火的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超燃冲压发动机技术领域，尤其涉及一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统。
背景技术
超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行马赫数在8以下。超燃冲压发动机因为在超声速气流中工作，可以在攀升过程中从大气里获取氧气，放弃携带氧化剂，有结构简单、重量轻、成本低的优点。
但其在静止状态下不能自行启动，须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工作，且其低速性能不好。尤其是在低马赫数(马赫数＜4.0)条件下飞行的超燃冲压发动机燃烧室中，碳氢燃料的可靠点火和高效燃烧仍然是一个挑战。来流的总温度在900K到1000K之间，燃烧室内超音速气流的静温只有500K到600K，碳氢燃料在此条件下即便使用火花塞，也难以实现可靠点火。
目前，国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机。亚燃/超燃双模态冲压发动机可以在亚燃和超燃冲压两种模式工作。当发动机飞行马赫数大于6时，实现超音速燃烧；当马赫数低于6时，实现亚音速燃烧。而亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流进入超音速燃烧室。另外还有研究组合式超燃冲压发动机的技术，主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这些技术多集中于燃烧室的气动结构、射流空气和点火位置等宏观设计参数对燃烧室点火特性的研究，而提高燃烧环境温度以及增加外部能量促进点火及燃烧的传统手段虽然在一定程度上有效，但未能彻底解决该问题。
中国专利CN111534338A，记载了一种基于原子载体的液态碳氢燃料低温自点火调节方法，通过原子载体添加剂，降低基底燃料燃烧能垒，实现碳氢燃料低温自点火。但其直接作为发动机的燃料并不安全，高活性物质易于反应，储存也困难。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，基于上述专利公开的内容，以提高燃烧室环境温度为方向，开发一种结构简单、工作可靠安全的系统，解决超燃冲压发动机低马赫数(马赫数＜4.0)飞行时点火困难的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，包括喷注面板组、第一燃料控制系统和第二燃料控制系统；
所述喷注面板组分别与所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统连接，所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统分别控制第一液体燃料和第二液体燃料的流量、流速与喷注时机；
所述喷注面板组被配置成使得喷注入内的所述第一液体燃料和所述第二液体燃料能够快速混合、高效反应，同时将所述第一液体燃料和所述第二液体燃料反应后释放出的高热量和生成的中间活性物质喷入燃烧室，以实现超燃冲压发动机在低马赫数条件下飞行时的点火反应，所述低马赫数是指马赫数＜4.0；
所述第一液体燃料为含硼络合物，所述第二液体燃料为不饱和烃。
进一步地，所述喷注面板组包括喷注面板和火花塞，所述喷注面板被设计成为所述第一液体燃料和所述第二液体燃料提供快速反应的腔道；所述火花塞为喷入所述喷注面板的所述第一液体燃料和所述第二液体燃料提供点火支持。
进一步地，在本发明的较佳实施方式中，所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统结构相同，包括结构相似的零部件：惰性气体气瓶、燃料储罐、真空泵、第一手动球阀、第二手动球阀、电磁阀、过滤器和压力表。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统中的零部件可按照所选择的液体燃料进行相应的调整而不同。
进一步地，还包括燃料管道和气体管道，所述燃料管道的通径被配置成可调整所述第一液体燃料或所述第二液体燃料的流量。
进一步地，所述第一手动球阀设置于所述惰性气体气瓶和所述燃料储罐之间；
所述第二手动球阀设置于所述燃料储罐和所述真空泵之间；
所述电磁阀设置于所述燃料储罐和所述过滤器之间，控制喷入所述喷注面板组的所述第一液体燃料或所述第二液体燃料的喷注时机。
进一步地，所述过滤器设置于所述电磁阀与所述喷注面板组之间。
进一步地，所述压力表设置于所述第一手动球阀和所述燃料储罐之间。
进一步地，所述惰性气体气瓶内充有惰性气体，为所述第一液体燃料或所述第二液体燃料提供压力。
进一步地，所述惰性气体可以使所述第一液体燃料或所述第二液体燃料从所述燃料储罐中安全地导出，具有操作简单、安全、实用性强的特点。
进一步地，所述惰性气体还为所述第一液体燃料或所述第二液体燃料隔绝空气，避免其氧化，为其长期使用提供保护。
进一步地，所述惰性气体为氩气或氮气。
进一步地，所述基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统的操作步骤为：
步骤1：检查所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统的气密性；
步骤2：加注所述第一液体燃料和所述第二液体燃料至相应的所述燃料储罐；
步骤3：向所述惰性气体气瓶中充入所述惰性气体以增加所述第一液体燃料或所述第二液体燃料的喷注驱动力；
步骤4：所述第一液体燃料和所述第二液体燃料进入所述喷注面板组，混合反应。
本发明的有益效果是：本发明克服传统活性添加剂的强还原性带来的不安全性和复杂的操作性。基于两组份液体燃料混合反应喷注系统，实现两组份液体燃料快速混合、高效反应，并利用反应后生成的热量和中间活性物质，解决超燃冲压发动机低马赫数飞行的点火和稳定燃烧问题。此发明有别于火箭发动机的燃料喷注系统，区别在于，两组份液体燃料反应除了释放出大量的热还生成强还原性的高活性中间产物，无需额外添加氧化剂便可在大气条件下实现点火。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图。
附图中：1-喷注面板组，2-第一燃料控制系统，3-第二燃料控制系统，11-喷注面板，12-火花塞，21-惰性气体气瓶，22-第一手动球阀，23-压力表，24-燃料储罐，25-第二手动球阀，26-真空泵，27-电磁阀，28-过滤器，31-惰性气体气瓶，32-第一手动球阀，33-压力表，34-燃料储罐，35-第二手动球阀，36-真空泵，37-电磁阀，38-过滤器。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明中基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，包括喷注面板组1、第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3。
喷注面板组1分别与第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3连接，第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3分别控制第一液体燃料和第二液体燃料的流量、流速与喷注时机，二者工作相互独立，互不影响；
喷注面板组1包括喷注面板11和火花塞12，喷注面板11的结构为第一液体燃料和第二液体燃料提供快速反应的腔道，并有利于反应后生成的中间活性物质快速均匀地扩散；火花塞12为喷入喷注面板11的第一液体燃料和第二液体燃料提供点火支持。
本发明的较佳实施例中，第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3结构相同，包括结构相似的零部件，分别是：惰性气体气瓶21(31)、燃料储罐24(34)、真空泵26(36)、第一手动球阀22(32)、第二手动球阀25(35)、电磁阀27(37)、过滤器28(38)和压力表23(33)。上述相同名称、不同标记的零部件结构相同或相似。
第一燃料控制系统2、第二燃料控制系统3和喷注面板组1还包括燃料管道和气体管道，燃料管道的通径可以调整第一液体燃料或第二液体燃料的流量。
第一手动球阀22(32)设置于惰性气体气瓶21(31)和燃料储罐24(34)之间；
第二手动球阀25(35)设置于燃料储罐24(34)和真空泵26(36)之间；
电磁阀27(37)设置于燃料储罐24(34)和过滤器28(38)之间；
过滤器28(38)设置于电磁阀27(37)与喷注面板组1之间。
压力表23(33)设置于第一手动球阀22(32)和燃料储罐24(34)之间，通过第一手动球阀22(32)调节惰性气体的压力，。
在本发明的其它实施例中，第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3结构可以不同，各个零部件的位置设置也可以进行不同的调整，以利于各自系统的空间布置和完成工作目标为原则。
惰性气体气瓶21(31)内提前充入惰性气体，为第一液体燃料或第二液体燃料提供压力。
优选地，惰性气体气瓶21(31)内充入的惰性气体为氩气或氮气。
本发明的较佳实施例中，第一燃料控制系统2充入的第一液体燃料为辛烯，第二燃料控制系统3充入的第二液体燃料为硼烷二甲硫醚。
本发明的另一较佳实施例中，第一燃料控制系统2充入的第一液体燃料为辛烯和RP-3煤油，第二燃料控制系统3充入的第二液体燃料为硼烷二甲硫醚。其中，第一液体燃料中RP-3煤油的体积百分含量为53％，辛烯的体积百分含量为47％，在将第一液体燃料加入燃料储罐24(34)之前，需将RP-3煤油和辛烯预先在燃烧瓶中混合好，并且RP-3煤油在辛烯之前先加入燃烧瓶中。
第一燃料控制系统2中的第一液体燃料和第二燃料控制系统3中的第二液体燃料的喷注时机由相应的电磁阀27(37)控制，经过过滤器28(38)后进入喷注面板组1，通过喷注面板11，快速混合、高效反应，释放出高热量，并生成中间活性物质，以利于火花塞12控制碳氢燃料的点火工作，实现超燃冲压发动机在低马赫数(马赫数＜4.0)条件下飞行时的点火反应。
本发明基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统的操作步骤为：
步骤1：检查第一燃料控制系统2和第二燃料控制系统3的气密性。
S1：确认关闭电磁阀27(37)和第二手动球阀25(35)后，将惰性气体气瓶21(31)的阀门打开，调节惰性气体气瓶21(31)的减压阀压力至0.05～0.1Mpa；
S2：保证通气状态下将惰性气体气瓶21(31)管路与第一手动球阀22(32)连接，调节惰性气体气瓶21(31)的减压阀压力至0.5Mpa；
S3：打开第一手动球阀22(32)，充气至压力平衡，判据依据为：观察惰性气体气瓶21(31)减压阀压力示数无波动，维持约2min；
S4：关闭第一手动球阀22(32)，再关闭惰性气体气瓶21(31)阀门，最后打开第二手动阀门25(35)，使压力下降至常压。
步骤2：加注液体燃料至相应的燃料储罐24(34)。
S1：确认液体燃料及工具准备完毕，确认第一手动球阀22(32)和电磁阀27(37)均保持关闭状态；
S2：打开第二手动球阀25(35)，利用真空泵26(36)将燃料储罐24(34)抽至真空状态；
S3：关闭第二手动球阀25(35)，拆除真空泵26(36)，将液体燃料加入相应燃料储罐24(34)中。
步骤3：向惰性气体气瓶21(31)充入惰性气体以增加液体燃料的喷注驱动力。
S1：确认关闭电磁阀27(37)和第二手动球阀25(35)；
S2：将惰性气体气瓶21(31)阀门和第一手动球阀22(32)打开，通过调节第一手动球阀22(32)并观察压力表23(33)数值，调节燃料储罐24(34)中压力至所需压力值；
S3：关闭惰性气体气瓶21(31)阀门和第一手动球阀22(32)。
步骤4：第一液体燃料和第二液体燃料进入喷注面板组1，混合反应。
通过电脑控制打开电磁阀27(37)，第一液体燃料和第二液体燃料从燃料储罐24(34)流经电磁阀27(37)和过滤器28(38)，到达喷注面板组1，在喷注面板11中两组份液体燃料快速混合发生硼氢化反应，释放高热量及中间活性物质。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，包括喷注面板组、第一燃料控制系统和第二燃料控制系统，其中，
所述喷注面板组分别与所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统连接，所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统分别控制第一液体燃料和第二液体燃料的流量、流速与喷注时机；
所述喷注面板组被配置成使得喷注入内的所述第一液体燃料和所述第二液体燃料能够快速混合、高效反应，同时将所述第一液体燃料和所述第二液体燃料反应后释放出的高热量和生成的中间活性物质喷入燃烧室，以实现超燃冲压发动机在低马赫数条件下飞行时的点火反应，所述低马赫数是指马赫数＜4.0；
所述第一液体燃料为含硼络合物，所述第二液体燃料为不饱和烃。
2.如权利要求1所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述喷注面板组包括喷注面板和火花塞，所述喷注面板被设计成为所述第一液体燃料和所述第二液体燃料提供快速反应的腔道；所述火花塞为喷入所述喷注面板的所述第一液体燃料和所述第二液体燃料提供点火支持。
3.如权利要求1所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统都包括惰性气体气瓶、燃料储罐、真空泵、第一手动球阀、第二手动球阀、电磁阀、过滤器和压力表。
4.如权利要求3所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，还包括燃料管道和气体管道，所述燃料管道的通径被配置成可调整所述第一液体燃料或所述第二液体燃料的流量。
5.如权利要求4所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述第一手动球阀设置于所述惰性气体气瓶和所述燃料储罐之间；
所述第二手动球阀设置于所述燃料储罐和所述真空泵之间；
所述电磁阀设置于所述燃料储罐和所述过滤器之间。
6.如权利要求5所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述过滤器设置于所述电磁阀与所述喷注面板组之间。
7.如权利要求6所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述压力表设置于所述第一手动球阀和所述燃料储罐之间。
8.如权利要求7所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述惰性气体气瓶内充有惰性气体，为所述第一液体燃料或所述第二液体燃料提供压力。
9.如权利要求8所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氮气。
10.如权利要求8所述的基于两组份液体燃料混合反应的喷注系统，其特征在于，操作步骤为：
步骤1：检查所述第一燃料控制系统和所述第二燃料控制系统的气密性；
步骤2：加注所述第一液体燃料和所述第二液体燃料至相应的所述燃料储罐；
步骤3：向所述惰性气体气瓶中充入所述惰性气体；
步骤4：所述第一液体燃料和所述第二液体燃料进入所述喷注面板组，混合反应。
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