CN113819491A - 一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其包括与旋转爆震燃烧室连通且设置在旋转爆震燃烧室入口的特斯拉阀，所述特斯拉阀包括壳体及流道，所述壳体与旋转爆震燃烧室外壁同轴连接，所述流道设置在所述壳体内，所述流道入口端用于通入空气，所述流道出口端与所述旋转爆震燃烧室的环形通道连通。本申请利用特斯拉阀单向流通的特性，将空气与燃料进入旋转爆震燃烧室的正向通道与压力回传的反向通道分隔开，有效地减小压力回传对正向进入的空气与燃料的阻碍，使得爆震增压能弥补上进气产生的总压损失，从而提高旋转爆震燃烧室的总压增益。

Description

一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构
技术领域
本申请涉及航空发动机的领域，尤其是涉及一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构。
背景技术
爆震燃烧是通过前导基波对可爆混合物压缩使其发生高速化学反应来实现；因爆震燃烧具有单位时间放热强度大、自增压、燃烧效率高、污染物排放低等优点，基于爆震燃烧的推进技术是未来空间技术的重要发展趋势。旋转爆震燃烧室是一种利用爆震燃烧方式的环形燃烧室，燃料由燃烧室头部的多个喷嘴共同供给。
如图1所示，相关技术中，旋转爆震燃烧室进气结构包括用于与燃烧室本体1连通且设置在燃烧室本体1入口的进气端2，所述进气端2包括同轴套设的内壁21及外壁22，所述内壁21及外壁22之间留有供燃料及空气进入燃烧室本体1内的进气道23，所述进气道23包括连通设置的直流道231及扩张流道232，所述直流道231一端与空气进气端连通另一端与扩张流道232连通，所述扩张流道232另一端与燃烧室本体1连通，即收敛-扩张进气方案。
针对上述中的相关技术，发明人认为现有的旋转爆震燃烧室存在压力回传，导致燃烧室的总压损失大。
发明内容
为改善压力回传造成燃烧室总压损失大的问题，本申请提供一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构。
本申请提供的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构采用如下的技术方案：一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，包括与旋转爆震燃烧室连通且设置在旋转爆震燃烧室入口的特斯拉阀，所述特斯拉阀包括壳体及流道，所述壳体与旋转爆震燃烧室外壁同轴连接，所述流道设置在所述壳体内，所述流道入口端用于通入空气，所述流道出口端与所述旋转爆震燃烧室的环形通道连通。
通过采用上述技术方案，利用特斯拉阀单向流通的特性，将空气与燃料进入旋转爆震燃烧室的正向通道与压力回传和燃烧产物回传的反向通道分隔开，有效地减小压力回传和燃烧产物回传对正向进入的空气与燃料的阻碍，使得爆震增压能弥补上进气产生的总压损失，从而提高旋转爆震燃烧室的总压增益，同时避免燃烧产物回传的高温提前点燃反应物，进而减小燃烧产物回传对旋转爆震燃烧室性能的影响；且采用特斯拉阀无任何活动部件，也无需输入能量就能实现气流的单向流通，其正向流与反向流差别大，不需要内部进行机械运动，仅利用空间结构推动气体流动，通过物理结构加速气体。
可选的，所述流道包括进气通道、连接通道、弧形回流通道及扩张通道；所述进气通道一端用于通入空气，另一端与连接通道连通，所述弧形回流通道包括弧形道及直道，所述直道与所述连接通道直线连通设置，所述弧形道用于连通所述直道与所述进气通道，所述进气通道与所述直道的夹角为锐角，所述扩张通道与所述连接通道直线连通，且所述扩张通道的较小端与连接通道远离进气通道的一端连接，所述扩张通道的较大端与所述旋转爆震燃烧室的环形通道连通。
通过采用上述技术方案，空气与燃料正向进入旋转爆震燃烧室的环形通道的过程中，空气与燃料依次经过进气通道、连接通道及扩张通道进入旋转爆震燃烧室，当旋转爆震燃烧室内产生的压力波和/或燃烧产物回传时，压力波和/或燃烧产物依次通过扩张通道、连接通道、直道及弧形道，直道及弧形道构成弧形回流通道，压力波和/或燃烧产物走弧形回流通道回传，并通过弧形回流通道对回传的压力波和/或燃烧产物进行削弱，由于压力波和燃烧产物回传通道与空气和燃料正向进入通道为两条通道，使得压力波和/或燃烧产物回传对空气和燃料正向进入的影响很小，从而减小进气总压损失，提高旋转爆震燃烧室的总压增益。
可选的，所述进气通道与所述直道的夹角为30°-45°。
通过采用上述技术方案，当进气通道与所述直道的夹角为30°-45°时，随夹角的增大，特斯拉阀的反向阻塞性能提升，且当夹角为45°时，特斯拉阀的单向流通性能最好。
可选的，所述壳体包括第一连接筒、第二连接筒及导流块，所述第一连接筒与所述第二连接筒同轴套设，所述导流块同轴设置在所述第一连接筒与所述第二连接筒之间；所述第一连接筒包括依次连接的第一连接段、第二连接段及第三连接段，所述第二连接筒包括依次连接的第四连接段、第五连接段及第六连接段，所述导流块包括依次连接的第一直导流面、弧形导流面及第二直导流面，且所述第一直导流面远离所述弧形导流面的一端与所述第二直导流面远离所述弧形导流面的一端连接，所述第二连接段与所述第五连接段平行，所述连接通道位于所述第二连接段与所述第五连接段之间，所述第一连接段与第三连接段位于第二连接段两端且朝向远离第五连接段的一侧倾斜，所述第六连接段与所述第三连接段对称，所述扩张通道位于所述第三连接段与所述第六连接段之间，所述第四连接段设置在第五连接段靠近所述第一连接段一侧，且位于第五连接段远离第六连接段一端，所述进气通道位于所述第一连接段与所述第一直导流面之间，所述弧形道位于所述第四连接段与所述弧形导流面之间，所述直道位于所述第二直导流面与所述第五连接段之间。
通过采用上述技术方案，第一连接段、第二连接段及第三连接段构成第一连接筒，第四连接段、第五连接段及第六连接段构成第二连接筒，第一直导流面、弧形导流面及第二直导流面构成导流块，从而形成流道，结构简单，方便批量生产。
可选的，所述第一连接筒远离所述第二连接筒一侧设置有外壳，所述外壳与所述第一连接筒之间形成用于容纳燃料的容纳腔，所述容纳腔与所述进气通道之间设置有多个喷油孔。
通过采用上述技术方案，通过容纳腔承装燃料，通过喷油孔将容纳腔内的燃料喷入进气通道内。
可选的，所述喷油孔周向间隔开设在所述第一连接段上，且位于所述第一连接段靠近所述第二连接段一侧。
通过采用上述技术方案，喷油孔喷出的燃料随空气进入第二连接段内，通过通入的空气为燃料的流动提供动力。
可选的，所述第一直导流面靠近所述第一连接段一侧周向设置有多个第一连接柱，所述第一连接柱另一端与所述第一连接段连接，所述第二直导流面靠近所述第五连接段一侧周向间隔设有多个第二连接柱，所述第二连接柱与所述第五连接段连接。
通过采用上述技术方案，通过第一连接柱实现第一连接段与第一直导流面之间的连接，通过第二连接柱实现第五连接段与第二直导流面的连接，方便连接固定导流块。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.利用特斯拉阀单向流通的特性，将空气与燃料进入旋转爆震燃烧室的正向通道与压力回传和燃烧产物回传的反向通道分隔开，有效地减小压力回传和燃烧产物回传对正向进入的空气与燃料的阻碍，使得爆震增压能弥补上进气产生的总压损失，从而提高旋转爆震燃烧室的总压增益，同时避免燃烧产物回传的高温提前点燃反应物，进而减小燃烧产物回传对旋转爆震燃烧室性能的影响；
2.采用特斯拉阀无任何活动部件，也无需输入能量就能实现气流的单向流通，其正向流与反向流差别大，不需要内部进行机械运动，仅利用空间结构推动气体流动，通过物理结构加速气体；
3.空气与燃料正向进入旋转爆震燃烧室的环形通道的过程中，空气与燃料依次经过进气通道、连接通道及扩张通道进入旋转爆震燃烧室，当旋转爆震燃烧室内产生的压力波和/或燃烧产物回传时，压力波和/或燃烧产物依次通过扩张通道、连接通道、直道及弧形道，直道及弧形道构成弧形回流通道，压力波和/或燃烧产物走弧形回流通道回传，并通过弧形回流通道对回传的压力波和/或燃烧产物进行削弱，由于压力波和燃烧产物回传通道与空气和燃料正向进入通道为两条通道，使得压力波和/或燃烧产物回传对空气和燃料正向进入的影响很小，从而减小进气总压损失，提高旋转爆震燃烧室的总压增益。
附图说明
图1是相关技术中旋转爆震燃烧室进气结构的使用状态截面图；
图2是本申请实施例1的旋转爆震燃烧室防回传进气结构的使用状态截面图；
图3是图2的部分结构示意图；
图4是图2中的特斯拉阀的整体结构示意图；
图5是图4的立体剖视图；
图6是图5的部分结构示意图；
图7是图4沿轴向的爆炸图；
图8是本申请实施例2的旋转爆震燃烧室防回传进气结构的使用状态截面图；
图9是图8的部分结构示意图。
附图标记说明：1、燃烧室本体；2、进气端；21、内壁；22、外壁；23、进气道；231、直流道；232、扩张流道；3、特斯拉阀；31、壳体；311、第一连接筒；3111、第一连接段；3112、第二连接段；3113、第三连接段；312、第二连接筒；3121、第四连接段；3122、第五连接段；3123、第六连接段；313、导流块；3131、第一直导流面；3132、弧形导流面；3133、第二直导流面；3134、第一连接柱；3135、第二连接柱；32、流道；321、进气通道；322、连接通道；323、弧形回流通道；3231、弧形道；3232、直道；324、扩张通道；4、旋转爆震燃烧室；41、环形通道；5、外壳；6、容纳腔；7、喷油孔。
具体实施方式
以下结合附图1-9对本申请作进一步详细说明。
如图1所示，相关技术中的旋转爆震燃烧室进气结构包括用于与燃烧室本体1连通且固定装配在燃烧室本体1入口的进气端2，进气端2包括同轴套设的内壁21及外壁22，内壁21及外壁22之间留有供燃料及空气进入燃烧室本体1内的进气道23，进气道23包括连通的直流道231及扩张流道232，直流道231一端与外界空气连通另一端与扩张流道232连通，扩张流道232另一端与燃烧室本体1连通，即收敛-扩张进气方案。
爆震波是一道激波引起的化学反应区在绕着燃烧室本体1周向高速旋转，爆震波所在位置的压力非常高，爆震波每转到一个位置，就会产生压力回传，而压力回传会导致进气端2进气堵塞，进气堵塞后压力衰减比较慢，导致进气恢复时间比较长，当爆震波再次转回原来的位置时，新鲜的空气和反应所需的燃料还没有来得及补充进燃烧室本体1，导致爆震波熄灭。
而收敛-扩张进气方案实质是一个超音速进气方案，在扩张流道232会形成一道正激波，这道正激波能阻挡爆震波的压力回传，且超音速进气的马赫数很高，能很快的补充新鲜的空气和反应所需的燃料，解决了进气恢复时间慢的问题，但是正激波前后发动机总压损失较大，而旋转爆震波无法将总压损失弥补上来，导致整个发动机的总压增益为负值。
燃烧产物即已经被燃烧后的高温废气，当燃烧室本体1内的高温废气聚积在进气道23上游时，会把上游本来要爆震燃烧的反应物提前消耗掉，且燃烧方式为常规发动机的等压燃烧，有效的燃料被等压燃烧消耗，不能实现增压。
本申请实施例公开一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构。
实施例1
如图2所示，一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构包括与旋转爆震燃烧室4连通且卡接装配在旋转爆震燃烧室4入口的特斯拉阀3。特斯拉阀3包括壳体31及流道32，壳体31与旋转爆震燃烧室4外壁同轴卡接，流道32开设在壳体31内，流道32入口端用于通入空气，流道32出口端与旋转爆震燃烧室4的环形通道41连通。
如图2、图3所示，流道32包括进气通道321、连接通道322、弧形回流通道323及扩张通道324；进气通道321一端用于通入空气，另一端与连接通道322连通，弧形回流通道323包括弧形道3231及直道3232，直道3232与连接通道322直线连通设置，弧形道3231用于连通直道3232与进气通道321，进气通道321与直道3232的夹角为锐角，扩张通道324与连接通道322直线连通，且扩张通道324的较小端与连接通道322远离进气通道321的一端连接，扩张通道324的较大端与旋转爆震燃烧室4的环形通道41连通。
如图2、图3所示，利用特斯拉阀3单向流通的特性，将空气与燃料进入旋转爆震燃烧室的正向通道与压力回传和燃烧产物回传的反向通道分隔开，有效地减小压力回传和燃烧产物回传对正向进入的空气与燃料的阻碍，使得爆震增压能弥补上进气产生的总压损失，从而提高旋转爆震燃烧室的总压增益；同时避免燃烧产物回传的高温提前点燃反应物，进而减小燃烧产物回传对旋转爆震燃烧室4的影响。
并且采用特斯拉阀3无任何活动部件，也无需输入能量就能实现气流的单向流通，其正向流与反向流差别大，不需要内部进行机械运动，仅利用空间结构推动气体流动，通过物理结构加速气体。
使用本申请的旋转爆震燃烧室防回传结构，当空气与燃料正向进入旋转爆震燃烧室4的过程中，空气与燃料依次经过进气通道321、连接通道322及扩张通道324进入旋转爆震燃烧室4，旋转爆震燃烧室4内产生的压力波和/或燃烧产物从依次经扩张通道324、连接通道322后通过弧形回流通道323分流。当旋转爆震燃烧室4内产生的压力波回传时，在压力波依次经过扩张通道324与连接通道322，到达进气通道321与直道3232的分岔口后，压力波会直行，依次经过直道3232及弧形道3231，空气与燃料流动的正向通道与压力波回传通道为两条路，有效地减小压力回传对正向进入的空气与燃料的阻碍，使得爆震增压能弥补上总压的损失；当旋转爆震燃烧室4内产生的燃烧产物回传时，燃烧产物依次经过扩张通道324、连接通道322、直道3232及弧形道3231回传，有效地减少了燃烧产物回传的高温提前消耗燃料的情况，同时通过弧形回流通道323及进气通道321入口通入的新鲜空气对燃烧产物降温、稀释，减少其再次进入进气通道321后对燃料的消耗。
如图3所示，进气通道321与直道3232的夹角为30°-45°；随夹角的增大，特斯拉阀3的反向阻塞性能提升，且当夹角为45°时，特斯拉阀3的单向流通性能最好，当夹角为30°-45°时，特斯拉阀3的正向导通性能变化不大，但当夹角大于60°时，特斯拉阀3的正向导通性能急剧下降。
如图4、图5所示，壳体31包括第一连接筒311、第二连接筒312及导流块313，第一连接筒311同轴套设在第二连接筒312外部，导流块313同轴固定在第一连接筒311与第二连接筒312之间。
如图5、图6所示，第一连接筒311包括依次连接的第一连接段3111、第二连接段3112及第三连接段3113，且第一连接段3111、第二连接段3112及第三连接段3113一体成型；第二连接筒312包括依次连接的第四连接段3121、第五连接段3122及第六连接段3123，且第四连接段3121、第五连接段3122及第六连接段3123一体成型；导流块313包括依次连接的第一直导流面3131、弧形导流面3132及第二直导流面3133，且第一直导流面3131远离弧形导流面3132的一端与第二直导流面3133远离弧形导流面3132的一端连接。第二连接段3112与第五连接段3122平行，连接通道322位于第二连接段3112与第五连接段3122之间，第一连接段3111与第三连接段3113位于第二连接段3112两端且朝向远离第五连接段3122的一侧倾斜，第六连接段3123与第三连接段3113对称，扩张通道324位于第三连接段3113与第六连接段3123之间，第四连接段3121设置在第五连接段3122靠近第一连接段3111一侧，且位于第五连接段3122远离第六连接段3123一端，进气通道321位于第一连接段3111与第一直导流面3131之间，弧形道3231位于第四连接段3121与弧形导流面3132之间，直道3232位于第二直导流面3133与第五连接段3122之间。
如图6所示，第一连接筒311远离第二连接筒312一侧设置有外壳5，外壳5与第一连接筒311一体成型，外壳5与第一连接筒311之间形成用于容纳燃料的容纳腔6，容纳腔6与进气通道321之间周向间隔设置有多个喷油孔7，喷油孔7周向等间隔开设在第一连接段3111上，且位于第一连接段3111靠近第二连接段3112一侧；通过容纳腔6承装燃料，通过喷油孔7将容纳腔6内的燃料喷入进气通道321内，喷油孔7比进气通道321通入空气的入口更靠近连接通道322，即喷油孔7喷出的燃料随空气进入第二连接段3112内，通过通入的空气为燃料的流动提供动力。
如图6、图7所示，第一直导流面3131靠近第一连接段3111一侧周向等间隔安装有多个第一连接柱3134，第一连接柱3134另一端与第一连接段3111连接，第二直导流面3133靠近第五连接段3122一侧周向等间隔安装有多个第二连接柱3135，第二连接柱3135与第五连接段3122连接。
本申请实施例1的实施原理为：当空气与燃料正向进入旋转爆震燃烧室4的过程中，空气与燃料依次经过进气通道321、连接通道322及扩张通道324进入旋转爆震燃烧室4；
当旋转爆震燃烧室4内产生的压力波回传时，压力波会依次经过扩张通道324与连接通道322，到达进气通道321与直道3232的分岔口后，压力波会直行，依次经过直道3232及弧形道3231回传；
当旋转爆震燃烧室4内产生的燃烧产物回传时，燃烧产物依次经过扩张通道324、连接通道322、直道3232及弧形道3231回传。
实施例2
如图8、图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：壳体31包括第一连接筒311、第二连接筒312及导流块313，第一连接筒311同轴套设在第二连接筒312内部，导流块313同轴固定在第一连接筒311与第二连接筒312之间。
实施例2与实施例1的实施原理相同，在此不再赘述。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：包括与旋转爆震燃烧室（4）连通且设置在旋转爆震燃烧室（4）入口的特斯拉阀（3），所述特斯拉阀（3）包括壳体（31）及流道（32），所述壳体（31）与旋转爆震燃烧室（4）外壁同轴连接，所述流道（32）设置在所述壳体（31）内，所述流道（32）入口端用于通入空气，所述流道（32）出口端与所述旋转爆震燃烧室（4）的环形通道（41）连通。
2.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述流道（32）包括进气通道（321）、连接通道（322）、弧形回流通道（323）及扩张通道（324）；所述进气通道（321）一端用于通入空气，另一端与连接通道（322）连通，所述弧形回流通道（323）包括弧形道（3231）及直道（3232），所述直道（3232）与所述连接通道（322）直线连通设置，所述弧形道（3231）用于连通所述直道（3232）与所述进气通道（321），所述进气通道（321）与所述直道（3232）的夹角为锐角，所述扩张通道（324）与所述连接通道（322）直线连通，且所述扩张通道（324）的较小端与连接通道（322）远离进气通道（321）的一端连接，所述扩张通道（324）的较大端与所述旋转爆震燃烧室（4）的环形通道（41）连通。
3.根据权利要求2所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述进气通道（321）与所述直道（3232）的夹角为30°-45°。
4.根据权利要求3所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述壳体（31）包括第一连接筒（311）、第二连接筒（312）及导流块（313），所述第一连接筒（311）与所述第二连接筒（312）同轴套设，所述导流块（313）同轴设置在所述第一连接筒（311）与所述第二连接筒（312）之间；所述第一连接筒（311）包括依次连接的第一连接段（3111）、第二连接段（3112）及第三连接段（3113），所述第二连接筒（312）包括依次连接的第四连接段（3121）、第五连接段（3122）及第六连接段（3123），所述导流块（313）包括依次连接的第一直导流面（3131）、弧形导流面（3132）及第二直导流面（3133），且所述第一直导流面（3131）远离所述弧形导流面（3132）的一端与所述第二直导流面（3133）远离所述弧形导流面（3132）的一端连接，所述第二连接段（3112）与所述第五连接段（3122）平行，所述连接通道（322）位于所述第二连接段（3112）与所述第五连接段（3122）之间，所述第一连接段（3111）与第三连接段（3113）位于第二连接段（3112）两端且朝向远离第五连接段（3122）的一侧倾斜，所述第六连接段（3123）与所述第三连接段（3113）对称，所述扩张通道（324）位于所述第三连接段（3113）与所述第六连接段（3123）之间，所述第四连接段（3121）设置在第五连接段（3122）靠近所述第一连接段（3111）一侧，且位于第五连接段（3122）远离第六连接段（3123）一端，所述进气通道（321）位于所述第一连接段（3111）与所述第一直导流面（3131）之间，所述弧形道（3231）位于所述第四连接段（3121）与所述弧形导流面（3132）之间，所述直道（3232）位于所述第二直导流面（3133）与所述第五连接段（3122）之间。
5.根据权利要求4所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述第一连接筒（311）远离所述第二连接筒（312）一侧设置有外壳（5），所述外壳（5）与所述第一连接筒（311）之间形成用于容纳燃料的容纳腔（6），所述容纳腔（6）与所述进气通道（321）之间设置有多个喷油孔（7）。
6.根据权利要求5所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述喷油孔（7）周向间隔开设在所述第一连接段（3111）上，且位于所述第一连接段（3111）靠近所述第二连接段（3112）一侧。
7.根据权利要求4所述的一种旋转爆震燃烧室防回传进气结构，其特征在于：所述第一直导流面（3131）靠近所述第一连接段（3111）一侧周向设置有多个第一连接柱（3134），所述第一连接柱（3134）另一端与所述第一连接段（3111）连接，所述第二直导流面（3133）靠近所述第五连接段（3122）一侧周向间隔设有多个第二连接柱（3135），所述第二连接柱（3135）与所述第五连接段（3122）连接。
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