CN113513430B - 一种双或三组元连续旋转爆震发动机 - Google Patents

一种双或三组元连续旋转爆震发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双或三组元连续旋转爆震发动机，包括喷注面板、燃烧室壳体和内喷注器；内喷注器同轴插设在燃烧室壳体前端；位于内喷注器下游的燃烧室壳体的内腔形成为燃烧室；内喷注器与燃烧室壳体前端之间形成环缝状的氧化剂喷注通道；内喷注器的中心设有燃料一集腔，内喷注器朝向燃烧室的外侧壁上设有外凸环，外凸环能使得氧化剂喷注通道形成为收缩扩张段结构；位于外凸环下游的内喷注器侧壁上沿周向均匀布设有若干个燃料一喷孔；燃烧室壳体前端沿周向均匀布设有若干个燃料二喷孔。本发明根据需要可关闭其中一条通道组成二组元喷注模式。在实现双/三组元连续旋转爆震的同时具有良好的掺混效果，保证燃烧的顺利进行。

Description

一种双或三组元连续旋转爆震发动机
技术领域
本发明涉及空间推进技术领域，特别是一种双或三组元连续旋转爆震发动机。
背景技术
随着航天事业的发展，大推力、高燃烧效率的火箭发动机不断涌现，但由此带来的高频不稳定燃烧问题成为研制中的关键技术之一。高频不稳定燃烧具有极强的破坏性，发生高频不稳定燃烧时，燃烧室局部区域的传热率将会增加数倍，对喷注器和壁面造成严重烧蚀，甚至可以在不到1s的时间内烧穿、烧毁整个发动机。因此，深入研究不稳定燃烧机理，寻求解决不稳定燃烧的方法具有深远的现实价值。
此外，不同燃料的物性及化学活性有较大差异，以往的研究发现，实验中复现煤油与氧气反应的燃烧不稳定现象较困难，而加入一定比例的氢气后能让情况得到明显改善，其中的机理还未得到充分阐释。因此无论是研究液体火箭发动机燃烧不稳定现象还是多组分燃料的燃烧机理，可靠的多组分燃烧器都是具有实际意义的。
现有技术中，用实验法研究高频不稳定燃烧主要采用双组元喷注方案，部分三组元喷注方案也还存在着如下不足：
1、如图1所示，现有多组元喷注方案常采用多股圆柱射流对撞式，一方面要保证三股射
流在空间同一点进行撞击，另一方面，要求撞击后的喷雾方向正对下游，导致对设计及加工精度提出了极高的要求，稍稍偏差将引起不良混合。
2、现有的三组元喷注器为了保证喷雾方向正对下游，对各组射流的动量比进行了精确设计，调整流量配比或关闭其中某一股通道，将导致喷雾方向发生剧烈变化，因此此类喷注器只能用于设计工况下的三组元燃烧反应，需要与二组元燃烧反应进行对比试验时需要重新设计，这不仅耗时费力，还增加了变量，使实验数据的可靠性大打折扣。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种双或三组元连续旋转爆震发动机，该双或三组元连续旋转爆震发动机具有三组喷注通道，分别为位于中间呈环缝状的通道为氧化剂喷注通道、以及位于两侧且均呈以小孔喷射的燃料一喷注通道和燃料二喷注通道。其中，氧化剂将以面射流的形式进入燃烧室，燃料一和燃料二分别从氧化剂面射流的两侧撞击掺混，圆柱射流与面射流的对撞规避了三股圆柱射流对撞的困难，保证了氧化剂与燃料能够稳定对撞，从而具有良好的混合效果。同时能实现三组元或两组元喷射的任意切换。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双或三组元连续旋转爆震发动机，包括喷注面板、燃烧室壳体和内喷注器。
喷注面板安装在燃烧室壳体的前端开口侧，喷注面板上设置有氧化剂加注口和燃料一加注口。
内喷注器同轴插设在燃烧室壳体前端，且安装在喷注面板的内侧壁上。位于内喷注器下游的燃烧室壳体的内腔形成为燃烧室。
内喷注器与燃烧室壳体前端之间形成环缝状且与氧化剂加注口相连通的氧化剂喷注通道。
内喷注器的中心设置有与燃料一加注口相连通的燃料一集腔，内喷注器朝向燃烧室的外侧壁上设置有外凸环，外凸环能使得氧化剂喷注通道形成为收缩扩张段结构。
位于外凸环下游的内喷注器侧壁上沿周向均匀布设有若干个燃料一喷孔。
燃烧室壳体前端沿周向均匀布设有若干个燃料二喷孔，且每个燃料二喷孔的喷射方向均指向外凸环下游的氧化剂喷注通道。
燃烧室壳体前端的外侧壁设置有环状的燃料二集腔，燃料二集腔与每个燃料二喷孔均相连通。
每个燃料一喷孔和每个燃料二喷孔均倾斜布设。
每个燃料一喷孔与燃烧室中轴线的夹角与每个燃料二喷孔与中轴线的夹角之和为180°。
燃料一喷孔的数量与燃料二喷孔的数量相等，且周向位置一一对应。
每个燃料一喷孔的喷出口均位于外凸环的末尾处。
燃烧室壳体的尾部内侧壁设置有内凸环，从而形成拉瓦尔喷管。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明具有三组喷注通道，分别为位于中间呈环缝状的通道为氧化剂喷注通道、以及位于两侧且均呈以小孔喷射的燃料一喷注通道和燃料二喷注通道。其中，氧化剂将以面射流的形式进入燃烧室；燃料一由内喷注器空腔底部的燃料一喷孔喷入，与氧化剂面射流的内侧撞击掺混，燃料二由燃烧室外壳上的燃料二喷孔喷入，与面射流的外侧撞击掺混，圆柱射流与面射流的对撞规避了三股圆柱射流对撞的困难，保证了氧化剂与燃料能够稳定对撞，从而具有良好的混合效果。
2、本发明中内喷注器上外凸环的设置，使得氧化剂喷注通道形成收缩扩张段。当氧化剂流经收缩扩张段后将加速至超音速，使其具有较大的动量，当两侧小股的燃料射流撞上超音速氧化剂面射流时，基本不改变其方向，因此开启或关闭某一侧的射流也不会改变喷雾方向，为双/三组元切换提供了保障。此外，两个燃料集气腔及其进气道互不干扰，可选择性关闭外侧或内侧的燃料进气道，形成内侧掺混或外侧掺混的二组元燃烧器。
综上所述，本发明能实现双/三组元的推进剂喷注，根据不同情况，适应不同的推进剂组元，例如气相时H2/air、CH4/O2等，气液时煤油/O2等，三组元时H2/O2/煤油、H2/CH4/air等。
附图说明
图1显示了现有技术中三组元的喷射原理示意图。
图2显示了本发明一种双或三组元连续旋转爆震发动机的结构示意图。
图3显示了本发明中燃烧室壳体的结构示意图。
图4显示了本发明中内喷注器的结构示意图。
其中有：
10.喷注面板；11.氧化剂加注口；12.燃料一加注口；
20.燃烧室壳体；21.燃料二集腔；22.燃料二喷孔；
30.内喷注器；31.燃料一集腔；32.燃料一喷孔；33.外凸环；34.氧化剂喷注通道；
40.燃烧室；41.内凸环；
50.拉瓦尔喷管。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种双或三组元连续旋转爆震发动机，包括喷注面板10、燃烧室壳体20和内喷注器30。
喷注面板安装在燃烧室壳体的前端开口侧，喷注面板上设置有氧化剂加注口11和燃料一加注口12。
内喷注器同轴插设在燃烧室壳体前端，且安装在喷注面板的内侧壁上。位于内喷注器下游的燃烧室壳体的内腔形成为燃烧室40。
内喷注器与燃烧室壳体前端之间形成环缝状且与氧化剂加注口相连通的氧化剂喷注通道34。
如图2和图4所示，内喷注器的中心设置有与燃料一加注口相连通的燃料一集腔31，内喷注器朝向燃烧室的外侧壁上设置有外凸环33，外凸环能使得氧化剂喷注通道形成为收缩扩张段结构。当氧化剂流经收缩扩张段后将加速至超音速，使其具有较大的动量，当两侧小股的燃料射流撞上超音速氧化剂面射流时，基本不改变其方向，因此开启或关闭某一侧的射流也不会改变喷雾方向，为双/三组元切换提供了保障。此外，两个燃料集气腔及其进气道互不干扰，可选择性关闭外侧或内侧的燃料进气道，形成内侧掺混或外侧掺混的二组元燃烧器。
位于外凸环下游的内喷注器侧壁上沿周向均匀布设有若干个燃料一喷孔32。
如图3所示，燃烧室壳体前端的外侧壁设置有环状的燃料二集腔21，燃烧室壳体前端沿周向均匀布设有若干个均与燃料二集腔相连通的燃料二喷孔22，且每个燃料二喷孔的喷射方向均指向外凸环下游的氧化剂喷注通道。
进一步，燃料一喷孔的数量与燃料二喷孔的数量优选相等，且周向位置一一对应。每个燃料一喷孔的喷出口均优选位于外凸环的末尾处。
进一步，每个燃料一喷孔和每个燃料二喷孔均倾斜布设。优选设置方式为：每个燃料一喷孔与燃烧室中轴线的夹角与每个燃料二喷孔与中轴线的夹角之和为180°，也即互补设置。
燃烧室壳体的尾部内侧壁设置有内凸环41，从而形成拉瓦尔喷管50。
大量研究表明推进剂的喷注方式对燃烧不稳定的出现与否具有重大影响，并且，当推进剂集中于外壁面附近时，观察到切向不稳定更加剧烈。因此，为稳定可靠的复现切向不稳定，本装置采用旋转爆震发动机常用的外侧环缝喷注模式，具体工作状态为：氧化剂通过喷注面板外侧的氧化剂加注口进入环缝状的氧化剂喷注通道，经过末段收缩扩张段后达到超声速。氧化剂将以面射流的形式进入燃烧室；燃料一由内喷注器空腔底部的燃料一喷孔喷入，与氧化剂面射流的内侧撞击掺混，燃料二由燃烧室外壳上的燃料二喷孔喷入，与面射流的外侧撞击掺混，圆柱射流与面射流的对撞规避了三股圆柱射流对撞的困难，保证了氧化剂与燃料能够稳定对撞，从而具有良好的混合效果。然后在燃烧室燃烧，燃气通过尾部拉瓦尔喷管喷出，形成推力。显然，两组燃料供应系统各自独立工作，可同时启用，研究三组元燃烧反应，也可以关闭其中一组分的供应，退化为二组元燃烧器。
综上所述，本发明优选具有如下优势：
1.两股燃料组元以圆柱射流的方式从两侧冲击氧化剂面射流，在实现三组元喷注燃烧的同时保证了良好的混合效果。
2.燃料的供应各自独立，可以关闭相应通道，在同一装置上进行双组元燃烧试验，减少环境变量，使双/三组元试验数据对比的可靠性得到提高。
3.内喷注器掏空作为燃料一集腔，燃烧室外壳开环形槽道作为燃料二集腔，钻孔与燃烧室连通，布局紧凑，避免了许多零件装配导致误差。外壳的前段组成氧化剂通道，中段为燃烧室，尾段作为喷管，结构简单，可行性强。
4、本发明中内喷注器上外凸环的设置，进一步减小氧化剂喷注通道的截面积，形成节流设计，能够保持流量稳定，同时防止燃烧室压力前传。同时由于燃料喷注通道的截面积很小，燃烧室压力也不易前传，这样就能够保证当密封一个燃料喷注通道时机构仍能正常工作。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：包括喷注面板、燃烧室壳体和内喷注器；
喷注面板安装在燃烧室壳体的前端开口侧，喷注面板上设置有氧化剂加注口和燃料一加注口；
内喷注器同轴插设在燃烧室壳体前端，且安装在喷注面板的内侧壁上；位于内喷注器下游的燃烧室壳体的内腔形成为燃烧室；
内喷注器与燃烧室壳体前端之间形成环缝状且与氧化剂加注口相连通的氧化剂喷注通道；
内喷注器的中心设置有与燃料一加注口相连通的燃料一集腔，内喷注器朝向燃烧室的外侧壁上设置有外凸环，外凸环能使得氧化剂喷注通道形成为收缩扩张段结构；
位于外凸环下游的内喷注器侧壁上沿周向均匀布设有若干个燃料一喷孔；
燃烧室壳体前端沿周向均匀布设有若干个燃料二喷孔，且每个燃料二喷孔的喷射方向均指向外凸环下游的氧化剂喷注通道。
2.根据权利要求1所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：燃烧室壳体前端的外侧壁设置有环状的燃料二集腔，燃料二集腔与每个燃料二喷孔均相连通。
3.根据权利要求1所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：每个燃料一喷孔和每个燃料二喷孔均倾斜布设。
4.根据权利要求3所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：每个燃料一喷孔与燃烧室中轴线的夹角与每个燃料二喷孔与中轴线的夹角之和为180°。
5.根据权利要求1所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：燃料一喷孔的数量与燃料二喷孔的数量相等，且周向位置一一对应。
6.根据权利要求1所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：每个燃料一喷孔的喷出口均位于外凸环的末尾处。
7.根据权利要求1所述的双或三组元连续旋转爆震发动机，其特征在于：燃烧室壳体的尾部内侧壁设置有内凸环，从而形成拉瓦尔喷管。
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