CN113294809B

CN113294809B - 一种旋转爆震燃烧喷注调节器

Info

Publication number: CN113294809B
Application number: CN202110548599.2A
Authority: CN
Inventors: 王可; 黄忻昱; 朱亦圆; 赵明皓; 沙宇; 范玮
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: CN113294809A

Abstract

本发明提出了一种旋转爆震燃烧喷注调节器，包括喷注调节器外壳体、气动活塞杆、弹簧、笼式密封器、喷注调节器内环壁、橡胶垫圈、导气孔、作动孔和集气腔。在燃烧室不同运行工况下，本发明能根据氧化剂来流流量调整喷注孔开度，提高燃料与氧化剂雾化和掺混效果，最终实现起爆和爆震波稳定传播。本发明可以用于爆震推进领域。

Description

一种旋转爆震燃烧喷注调节器

技术领域

本发明涉及旋转爆震燃烧领域，具体为一种旋转爆震燃烧喷注调节器。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)是一种利用连续爆震燃烧来产生推力的新概念发动机。与同样采用爆震循环的脉冲爆震发动机(PulseDetonation Engine，简称PDE)相比，RDE只需一次起爆即可实现爆震波的连续传播；与采用等压燃烧的传统喷气发动机相比，理论上RDE的热循环效率更高，且释热速率快、结构简单。因此，旋转爆震发动机受到了世界各国的广泛关注，已成为航空航天推进领域的研究热点之一。

燃烧室中有足够的反应物是旋转爆震波稳定自持传播的基本条件，但爆震波的增压特性需要更高的推进剂喷注的压力。爆震波经过时抑制推进剂喷注，经过后喷注得以恢复，如果不能快速建立爆震波传播与推进剂喷注、雾化和掺混之间的平衡，爆震波则无法稳定自持传播。非预混喷注是常采用的喷注方式，非预混喷注中，燃料与氧化剂的掺混效果对爆震波的传播特性、稳定工作范围、发动机效率与性能有较大影响。

非预混喷注采用的反应物主要有两种组合形式：一是采用气相氧化剂和燃料；二是液相燃料与气相氧化剂。采用气相燃料时，若氧化剂供给压力和流量发生改变，为实现起爆和爆震波传播，要求燃料的流量也随之变化，以达到所需的燃料穿透深度和当量比。采用液态燃料时，氧化剂流量和供给压力的改变直接影响燃料的雾化、蒸发和掺混过程，燃料的流量需要相应变化，以达到所需的当量比和雾化掺混效果，进而实现爆震的起爆和稳定传播。

因此，设计一种能调节燃料喷注并最终实现稳定爆震的喷注装置显得尤为重要，本发明为一种旋转爆震燃烧喷注调节器，能提高旋转爆震燃烧室燃料的雾化掺混效果，实现爆震的起爆和稳定传播。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种旋转爆震燃烧的喷注调节器，以解决现有旋转爆震燃烧室中由于氧化剂流量改变后，燃料需要随之精确调节的问题，从而实现稳定的旋转爆震燃烧。本发明可以用于爆震推进领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种旋转爆震燃烧喷注调节器，包括调节器外壳体、气动活塞杆、弹簧、调节器笼式密封器、内环壁、橡胶垫圈、导气孔、作动孔、集气腔，其特征在于：调节器外壳顶端开有周向分布的喷注孔。在总喷注面积不变的情况下，喷孔数量越多，喷孔间射流相互作用及主流对燃料射流的阻碍作用更强，燃料穿透深度降低但混合效率提升，综合考虑取喷注孔间距与喷注孔直径比为3～20。根据燃料密度和预期雾化掺混效果不同，适用于气相燃料时，喷注孔轴向倾角为30°～80°；适用于液态燃料时，液态燃料的密度大，喷射动量大，需要的喷孔角度更大，使喷注轴向速度较低，提高燃料和氧化剂的掺混效果，因此取喷注孔轴向倾角为45°～70°。调节器外壳底部开有直径为2mm至3mm的2个导气孔，导气孔呈现周向间隔180°分布。外壳内部设置橡胶垫圈作动槽，作动槽与喷注孔连通。调节器外壳内壁设置气动活塞杆的作动孔，作动孔与导气孔相通，并在作动孔前部留有集气腔。作动孔底端与弹簧槽相通。气动活塞杆设置在活塞作动孔中，气动活塞杆底部与调节器笼式密封器接触，笼式密封器与气动活塞杆通过弹簧定位；气动活塞杆、弹簧和笼式密封器共同构成调节器的燃料密封作动结构，整个密封作动结构通过调节器内环壁进行定位和密封。调节器与燃烧室内柱同轴安装，共同构成燃烧室内壁；燃烧室外壁与燃烧室内壁同轴安装，调节器与燃烧室外壁构成燃烧室进气通道，内柱与燃烧室外壁构成旋转爆震燃烧环腔。燃烧室环腔宽度可根据内柱直径长度进行调整，来满足不同燃烧室工作需求。燃烧室运行时，氧化剂流过进气通道，在导气孔处膨胀进入作动孔，并在集气腔内聚集。集气腔内气压升高，作动孔内气动活塞杆受集气腔内高压气作用，推动笼式密封器压缩弹簧，同时橡胶垫圈移动，让出喷注孔，开始燃料喷注；橡胶垫圈的位移控制喷注孔的开度，喷注孔开度根据氧化剂流量增加而增加，提高燃料与氧化剂雾化和掺混效果，实现起爆和爆震波稳定传播。氧化剂停止供给后，集气腔压力减小，弹簧回弹，推动笼式密封器移动，同时橡胶垫圈回移，关闭调节器喷注孔。

在本发明中，对于氧化剂进气通道内的氧化剂气流，需要气流压力能推动弹簧，以确保调节器的正常运作。对于调节器适配的旋转爆震燃烧室外壁，外壁型面与内柱共同构成凹型环腔，以留有足够的燃料掺混空间。

有益效果：

采用本发明提供的一种旋转爆震燃烧喷注调节器，在燃烧室不同运行工况下，能根据氧化剂来流流量调整喷注孔开度，提高燃料与氧化剂雾化和掺混效果，最终实现起爆和爆震波稳定传播。

附图说明

图1为旋转爆震燃烧喷注调节器开启状态示意图；

图2为旋转爆震燃烧喷注调节器关闭状态示意图；

图3为旋转爆震燃烧喷注调节器笼式密封器和内环壁；

图4为旋转爆震燃烧喷注调节器与燃烧室配合图；

其中，1为喷注调节器外壳体，2为橡胶垫圈，3为笼式密封器，4为燃料喷注孔，5为喷注调节器内环壁，6为弹簧，7为气动活塞杆，8为活塞作动孔，9为导气孔，10为集气腔，11为燃烧室内柱，12为燃烧室外壁。

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。

如图1和图2所示，喷注调节器外壳1顶端开有周向分布的喷注孔4；由于在总喷注面积不变的情况下，喷孔数量越多，喷孔间射流相互作用及主流对燃料射流的阻碍作用更强，燃料穿透深度降低但混合效率提升，综合考虑取喷注孔4间距与喷注孔4直径比为3～20，轴向倾角根据适用燃料和氧化剂而定；喷注调节器外壳1底部开有直径为2mm至3mm的2个导气孔9，导气孔9呈现周向间隔180°分布。喷注调节器外壳1内壁设置气动活塞杆7的作动孔8。作动孔8与导气孔9相通，并在作动孔8前部留有集气腔10。作动孔8底端与弹簧槽相通。

如图3所示，笼式密封器3底端凸台与弹簧6和喷注调节器外壳体1接触并定位，笼式密封器3顶部连接橡胶垫圈2；橡胶垫片2呈圆台状，高度与燃油喷注孔4的直径相同，在笼式密封器3与橡胶垫圈2连接处设置与燃油喷注孔4直径相同方孔；喷注调节器内环壁5为三圆柱结构，顶部圆柱与笼式密封器3直径相同，其余圆柱与喷注调节器外壳体1配合。

安装时，将气动活塞杆7放入活塞作动孔8中，气动活塞杆7底部与笼式密封器3接触，笼式密封器3与气动活塞杆7通过弹簧6定位，气动活塞杆7、弹簧6和笼式密封器3共同构成喷注调节器器的燃油密封作动结构，整个密封作动结构通过喷注调节器内环壁5进行定位和密封。

如图4所示，喷注调节器与燃烧室内柱11同轴安装，共同构成燃烧室内壁；燃烧室外壁12与内柱11同轴安装，构成旋转爆震燃烧室环腔。燃烧室环腔宽度可根据内柱11直径长度进行调整，来满足不同燃烧室工作需求。燃烧室外壁12与调节器同轴安装，构成氧化剂进气通道。

燃烧室运行时，高压气通过喷注调节器外壳1，在导气孔9处膨胀进入作动孔8，并在集气腔内10聚集。作动孔8内气动活塞杆7受集气腔10内高压气作用，推动笼式密封器3压缩弹簧6，同时使橡胶垫片2移动，并开始燃料喷注。橡胶垫圈2的位移距离控制喷注孔4的开度，喷注孔4开度随氧化剂流量增加而增加，控制油气比，提高燃料与氧化剂雾化和掺混效果，实现燃料高效利用。停止供气后，集气腔10压力减小，弹簧6回弹，推动笼式密封器3移动，同时橡胶垫圈2回移，关闭燃油喷注孔4，阻断燃油喷注。

实施例一：

本实例主要适用于气液两相旋转爆震燃烧室。由于液态燃料的密度大，喷射动量大，需要的喷孔角度更大，使喷注轴向速度较低，提高燃料和氧化剂的掺混效果，因此取喷注孔4轴向倾角为45°～70°；高压气通过喷注调节器外壳1，在导气孔9处膨胀进入作动孔8，并在集气腔内10聚集。作动孔8内气动活塞杆7受集气腔10内高压气作用，推动笼式密封器3压缩弹簧6，同时使橡胶垫圈2移动，并开始喷注。通过氧化剂流量控制调节器橡胶垫圈2的开度，使燃油与氧化剂流量匹配，提高燃油雾化效果，实现爆震起爆和稳定爆震波稳定传播。

实施例二：

本实例主要适用于气相旋转爆震燃烧室。喷注孔4轴向倾角为30°～80°，以适应气体燃料穿透深度，提高掺混效果；高压气通过喷注调节器外壳1，在导气孔9处膨胀进入作动孔8，并在集气腔内10聚集。作动孔8内气动活塞7杆受集气腔10内高压气作用，推动笼式密封器3压缩弹簧6，同时使橡胶垫圈2移动，并开始喷注。通过氧化剂流量控制调节器橡胶垫片2的开度，使燃料与氧化剂当量比匹配，提高掺混效果和燃料利用率，实现起爆和爆震波稳定传播；在燃烧室结束工作时，橡胶垫圈回移，喷注孔关闭，阻断燃料喷注。

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

1.一种旋转爆震燃烧喷注调节器，包括：调节器外壳体、气动活塞杆、弹簧、笼式密封器、调节器内环壁、橡胶垫圈、导气孔、作动孔和集气腔；其特征在于：调节器外壳体底部开有直径为2～3mm的2个导气孔，2个导气孔周向间隔180°；调节器外壳体顶端开有周向分布的喷注孔，喷注孔间距与喷注孔直径比为3～20，喷注孔轴向倾角在适用于气相燃料时为30°～80°，适用于燃油时喷注孔轴向倾角为45°～70°；调节器外壳体内壁顶部设置橡胶垫圈，橡胶垫圈底部与笼式密封器连接；调节器外壳体内壁设置气动活塞杆的作动孔；作动孔与导气孔相通，并在作动孔前部留有集气腔，作动孔底端与弹簧槽相通；气动活塞设置在活塞作动孔中，气动活塞杆底部与笼式密封器接触，笼式密封器与气动活塞杆通过弹簧定位；气动活塞杆、弹簧和笼式密封器共同构成调节器的密封作动结构，整个密封作动结构通过调节器内环壁进行定位和密封。

2.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧喷注调节器，其特征在于，所述笼式密封器底端凸台与弹簧和调节器外壳体接触并定位，笼式密封器顶部连接橡胶垫圈；橡胶垫圈顶部呈圆柱状，下部呈圆台状；橡胶垫圈顶部圆柱高度与喷注孔的直径相同，笼式密封器与橡胶垫圈连接处设置宽度与喷注孔直径相同的方孔。

3.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧喷注调节器，其特征在于，所述调节器内环壁为三圆柱结构，顶部圆柱与笼式密封器直径相同，其余圆柱与调节器外壳体配合。

4.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧喷注调节器，其特征在于，所述调节器与燃烧室内柱同轴安装，共同构成燃烧室内壁；燃烧室外壁与燃烧室内壁同轴安装，构成旋转爆震燃烧室；调节器与燃烧室外壁构成燃烧室进气通道；燃烧室内柱与旋转爆震燃烧室外壁型构成燃烧室环腔，燃烧室壁面须呈凹腔型，以留有足够的燃料穿透和掺混空间；燃烧室环腔宽度可根据内柱直径长度进行调整，来满足不同燃烧室工作需求。