CN113464283B - 一种旋转爆震发动机复合主动冷却结构及旋转爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转爆震发动机复合主动冷却结构，包括燃油对流冷却和气膜冷却；燃油对流冷却是利用燃油在燃烧室和喷管壁面的冷却通道内通过对流换热吸热，然后经集油箱收集后统一进入燃烧室参与燃烧，既利用了燃油热沉的吸热实施有效冷却，又提高燃油温度从而有利于组织燃烧，提高燃烧效率。气膜冷却是利用冷却空气通过燃烧室壁面上的倾斜气膜孔进入燃烧室内腔形成气膜，既能阻隔燃烧室壁面与高温燃气的直接接触，又能避免高温燃气倒灌、达到气膜贴壁的效果。本发明能够改善旋转爆震发动机的工作环境，增加燃烧室和喷管的使用寿命，提高发动机整体的运行可靠性。

Description

一种旋转爆震发动机复合主动冷却结构及旋转爆震发动机

技术领域

本发明涉及一种利用燃油和冷气作为热沉的旋转爆震发动机壁面复合主动冷却方法，属于旋转爆震发动机冷却结构设计与热防护技术领域。还属于旋转爆震发动机结构设计的技术领域。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)是一种基于爆震燃烧机理的新型发动机，通常采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室，推进剂从燃烧室的封闭端喷入，燃烧产物从另一端排出。工作时产生高速旋转的爆震波，从燃烧室头部沿周向旋转传播，随着燃烧产物的高速排出产生推力。相比于传统发动机，具有结构简单、研制成本低、大比冲、高推重比等优点，具有良好的发展前景，也逐渐成为国际和国内研发新型高效航空航天发动机的热点。

爆震波在环形燃烧室内进行高速旋转传播时，其速度在1200～2500m/s，燃烧振荡频率达数万赫兹，燃烧室内温度更是高达1500～2500℃，而目前最先进的耐高温复合材料C-C和SiC的最大耐热温度为2200K。随着爆震波的连续高速旋转，爆震产物与燃烧室壁面之间会发生强烈的热交换，使壁面温度急剧上升，壁面热流密度高达1.2MW/m²。由于缺少有效的冷却保护，旋转爆震发动机工作时间往往较短。现有的研究表明，热防护技术已经成为制约旋转爆震发动机发展的关键因素。因此，开展旋转爆震发动机热防护方案的研究是目前亟需进行的工作之一。

环形燃烧室沿轴向的中段和后段平均热流密度最大，是实施热防护的重要部位。现有的被动热防护技术并不能解决壁面热流分布不均匀性带来的局部温度过高的现象，如耐温橡胶和SiC构建的被动防护层会随着旋转爆震发动机工作时间的延长而减薄。普通主动热防护依靠低温流体对燃烧室壁面进行对流冷却，但是冷却剂流量受到燃烧用量的限制，且由于热流分布的不均匀性，冷却效率也受限。因此，单纯的主动冷却方式无法满足要求，需要发展复合主动冷却结构。

发明内容

本发明目的：本发明公开的是一种复合主动冷却结构，用以提高旋转爆震发动机高温部件壁面的抗热冲击时间，在不增加输油设备重量的前提下充分发挥燃料热沉，并利用冷气和有限的燃料改善轴向热流不均匀性带来的局部温度过高的热现象，提高燃料的利用效率，大大增加燃烧室壁面的使用寿命，延长爆震发动机的安全运行时间。

本发明同时提供一种含有该复合主动冷却结构的旋转爆震发动机。

技术方案：

一种旋转爆震发动机复合主动冷却结构，包括燃烧室内壁、围绕燃烧室内壁的燃烧室外壁；燃烧室内壁与燃烧室外壁之间形成燃烧室内腔；所述燃烧室外壁上设有喷油孔、与喷油孔连通的集油箱以及连接集油箱的油管；所述燃烧室外壁内部设有若干燃油冷却通道，所述燃油冷却通道沿着平行于燃烧室外壁轴向的方向延伸；油管的两端向燃烧室外壁内延伸并与燃油冷却通道的两端连通形成回路；燃烧室外壁内部还设有若干气膜孔及位于燃油冷却通道外侧的冷气环腔；所述冷气环腔与燃油冷却通道相互独立互不连通；气膜孔连通冷气环腔及燃烧室内腔。

有益效果：

旋转爆震发动机壁面一方面要承受爆震波高温燃气对壁面的高频冲刷，另一方面要承受发光火焰的强烈辐射加热，因此，此区域壁面所受热流密度极高，且具有非定常脉动特性。单纯依靠燃油对流换热进行冷却已经远远不能达到要求。为了解决这个难题，采用燃油对流冷却+气膜冷却复合主动冷却结构，依靠低温燃油在注入燃烧室前逆向(相对燃气方向)流入燃烧室壁内的冷却通道，用燃料的冷端接触燃烧室壁的热段，降低高温壁面温度，提高燃料热沉效率；在燃烧室后半段相邻两个燃油通道中间开通若干气膜孔，冷气经气膜孔流入燃烧室内腔在壁面形成气膜，阻隔燃烧室壁面与高温燃气的直接接触，对热流密度较高的燃烧室后半段进行特殊的冷却降温；低温燃油可以通过油箱的分配作用实现其在燃油通道内的自由运行，达到合理的冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面低温燃油通过对流冷却吸收热量，有效降低壁面温度，延长发动机的可靠运行时间，另一方面低温燃油吸收热量后自身温度升高，有利于其重新进入燃烧室内充分燃烧。

综上所述，该发明的优点在于：复合主动冷却结构构造简单，燃烧室壁面温度梯度小，壁面温度低；燃油逆向流出，对流换热率高；冷气环腔内的冷气经气膜孔流入燃烧室内形成阻隔热气的气膜保护；燃油执行过冷却任务后温度升高更利于组织燃烧。

进一步的，冷却通道的截面形状为圆形、矩形、椭圆形、跑道形的一种或几种；冷却通道流通截面宽度与相邻两条冷却通道之间肋壁宽度的比值根据气膜孔大小的情况设计为0.5～2。

进一步的，所述燃烧室外壁上设有与冷气环腔连通的冷气进口，冷气经冷气环腔进入气膜孔流入燃烧室内腔。

进一步的，气膜孔直径在1.0～2.0mm之间，气膜孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角为20°～40°，气膜孔轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3.5。

进一步的，燃烧室内腔的高温燃气冲刷壁面的一部分热量被气膜孔散出的气流阻隔，另一部分热量经燃烧室外壁被流经燃油冷却通道的低温燃油带走。

本发明提供的爆震发动机可采用如下技术方案：

一种旋转爆震发动机，包含所述的旋转爆震发动机复合主动冷却结构。

进一步的，高温燃气冲刷燃烧室壁面的一部分热量被气膜孔散出的气流隔断，另一部分热量被流经燃油冷却通道的低温燃油带走。

本发明提供的旋转爆震发动机采用燃油对流冷却+气膜冷却复合主动冷却结构，依靠低温煤燃油在注入燃烧室前逆向流入燃烧室壁内的冷却通道，用燃料的冷端接触燃烧室壁的热段，降低高温壁面温度，提高燃料热沉效率；在燃烧室后半段相邻两个燃油通道中间开通若干气膜孔，冷气经气膜孔流入燃烧室内腔，避免燃烧室壁面与点火器后的高温燃气直接接触，对热流密度较高的燃烧室后半段进行特殊的冷却降温；低温燃油可以通过油箱的分配作用实现其在流通通道内的自由运行，达到合理的冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面低温燃油通过对流冷却有效吸收热量，降低壁面温度，延长发动机的稳定运行时间，另一方面低温燃油吸收热量后自身温度升高，有利于其进入燃烧室内充分燃烧。

附图说明

图1为旋转爆震发动机的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面示意图；

图3为燃油对流冷却的结构示意图；

图4为流通通道剖面形状示意图；

图5为外壁内布置的冷却通道及气膜孔剖面示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：1-燃气进口、2-燃烧室外壁、3-燃烧室内壁、4-燃烧室内腔、5-喷油孔、6-燃气出口、7-喷管、8-燃油冷却通道、9气膜孔、10-进油箱、11集油箱、12-油管、13-冷气进口、14-冷气环腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步详细描述。

实施例一

本实施例提供一种旋转爆震发动机壁面的复合主动冷却结构。

图1为典型的旋转爆震发动机的结构示意图，包括环形燃烧室内腔4，燃烧室外壁2、燃烧室内壁3。气体经进口1吸入，与通过喷油孔5的燃油混合，经点火产生爆震波，爆震波在沿轴向高速旋转传播时，其速度在1200～2500m/s，燃烧室内腔4温度在1500℃～2500℃之间，并且沿流向逐渐升高，均远高于燃烧室壁面的正常工作温度，因此需要实施有效的热防护。本发明是复合主动冷却方式，将低温燃油对流冷却+气膜冷却有机结合。空气经进口1吸入，与喷油孔5喷入的燃油混合后在燃烧室内组织燃烧，产生旋转爆震波沿环形燃烧室沿轴向运动，经喷管7排出。

图2所示为本发明的A-A剖面视图，图3为燃油对流冷却结构示意图，图4为流通通道剖面形状示意图，图5为气膜孔剖面示意图。

在该复合主动冷却结构设计中，燃烧室外壁内嵌着沿燃烧室轴向布置的燃油冷却通道8。冷却通道8的截面形状为圆形、矩形、椭圆形、跑道形的一种或几种。通道流通截面宽度与相邻两条冷却通道之间肋壁宽度的比值根据气膜孔的情况设计为0.5～2。在燃烧室外壁的后半段相邻两个燃油通道中间开通多个气膜。气膜孔9直径在1.0～2.0mm之间。气膜孔9在轴向上的倾斜角度为20°～40°，气膜孔9轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3.5。

整体结构由燃油对流冷却和气膜冷却建的复合主动冷却结构。对流冷却部分由燃油作为热沉，从进油箱10出来后沿着冷却通道8流动，通过对流换热的方式将燃烧室外壁冷却；燃油吸收热量后从油管12进入喷油孔5，实现重复利用；在燃烧室后半段则为燃油对流冷却和气膜冷却复合主动冷却结构，高温燃气冲刷壁面的一部分热量被低温燃油经冷却通道8带走，另一部分热量被通过气膜孔9散出的气流阻隔，气膜孔在轴向上的倾斜角度为20°～40°。相较直孔而言，一方面可以使溢出气在孔内流动路径变长，增加空气流动时间，有利于对流换热；另一方面，斜出流可以防止燃气的倒灌而且可以达到更好的气膜贴壁效果。燃烧室沿轴向的中后段平均热流密度最大，是实施热防护的重要部位；相较于单一的主动热防护，燃料自身温度升高，会导致其在通道后半程的冷却能力下降，从冷气环腔引入冷气形成气膜冷却大大改善燃烧室壁面轴向热流分布的不均匀性，提高了燃烧室的壁面热防护效率。

实施例二

本实施例提供一种该复合冷却形式下的旋转爆震发动机。

该旋转爆震发动机，包括如图1、3中的燃烧室和喷管。该燃烧室的横截面为环形，且燃烧室具有圆柱形的外壁3及圆柱形的内壁2。外壁及内壁之间形成燃烧室内腔4。外壁上设有与燃烧室内腔直接连通的喷油孔5。

该旋转爆震发动机具有如实施例一中的复合主动冷却结构。同时，外壁3上还设有与冷却通道连通的进油箱10及油管12。喷油孔5的外侧通过油管与集油箱11连通。进油箱中的燃油自流通通道8进入油管后汇入集油箱，自喷油孔喷入燃烧室内腔4。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种旋转爆震发动机复合主动冷却结构，其特征在于，包括燃烧室内壁、围绕燃烧室内壁的燃烧室外壁；燃烧室内壁与燃烧室外壁之间形成燃烧室内腔；

所述燃烧室外壁(2)上设有喷油孔(5)、与喷油孔连通的集油箱（11）以及连接集油箱的油管（12）；

所述燃烧室外壁内部设有若干燃油冷却通道（8），所述燃油冷却通道（8）沿着平行于燃烧室外壁轴向的方向延伸；油管（12）的两端向燃烧室外壁内延伸并与燃油冷却通道（8）的两端连通形成回路；燃烧室外壁内部还设有若干气膜孔（9）及位于燃油冷却通道（8）外侧的冷气环腔（14）；所述冷气环腔（14）与燃油冷却通道（8）相互独立互不连通；气膜孔（9）连通冷气环腔及燃烧室内腔；相邻两个燃油通道中间开通若干气膜孔。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机复合主动冷却结构，其特征在于：冷却通道(8)的截面形状为圆形、矩形、椭圆形、跑道形的一种或几种；冷却通道流通截面宽度与相邻两条冷却通道之间肋壁宽度的比值根据气膜孔(9)大小的情况设计为0.5～2。

3.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机复合主动冷却结构，其特征在于：所述燃烧室外壁上设有与冷气环腔连通的冷气进口，冷气经冷气环腔进入气膜孔(9)流入燃烧室内腔(4)。

4.根据权利要求1或2或3所述的旋转爆震发动机复合主动冷却结构，其特征在于：燃烧室内腔的高温燃气冲刷壁面的一部分热量被气膜孔(9)散出的气流阻隔，另一部分热量经燃烧室外壁(2)被流经燃油冷却通道(8)的低温燃油带走。

5.一种旋转爆震发动机，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的旋转爆震发动机复合主动冷却结构。

6.根据权利要求5所述的旋转爆震发动机，其特征在于：高温燃气冲刷燃烧室壁面的一部分热量被气膜孔(9)散出的气流隔断，另一部分热量被流经燃油冷却通道(8)的低温燃油带走。

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