CN114001374A - 一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，主要由液态燃料供给腔、气态燃料供给腔、旋转爆震燃烧环腔和气膜冷却孔组成。为了解决液态燃料旋转爆震波的起爆特性差和稳定传播特性差的问题，起爆阶段通过在旋转爆震燃烧中喷注可爆性较好的气体燃料，先实现基于气体燃料旋转爆震波的稳定传播，然后再实现基于液态燃料旋转爆震波的稳定传播。本发明在在未明显增加燃烧室结构复杂程度的条件下，通过增加气体燃料喷注结构，有利于提高液态燃料旋转爆震波起爆的成功率，改善旋转爆震波的稳定传播特性，对旋转爆震燃烧室的工程应用非常重要。

Description

一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室。

背景技术

自然界中根据燃烧反应的剧烈程度，可以分为缓燃燃烧和爆震燃烧。现有的航空发动机和火箭发动机等动力装置，大部分均采用基于等压燃烧的循环方式，其技术水平趋于成熟，进一步提高热循环效率非常困难。与等压燃烧相比，爆震燃烧在其化学反应区之前存在一道正激波，未反应气体受到激波的压缩作用，其反应压力更高，反应速率更快，对应的热循环效率更高。因此，将爆震燃料应用于现有的航空航天动力装置中，有利于提高动力装置的热循环效率，减小动力装置的体积。基于爆震燃烧的优势，国内外研究人员提出了基于爆震燃烧的旋转爆震燃烧室，并基于氢气和乙烯等气态燃料实现了旋转爆震燃烧室的稳定工作。

航空航天飞行器受体积、重量和安全性的要求，通常需携带能量密度更高，储存更加安全的液态燃料。但对于爆震燃烧，液态燃料需要的反应能量更高，对液态燃料反应前的雾化效果，与氧化剂的掺混效果要求更高。因此，与气态燃料相比，基于液态燃料旋转爆震波的起爆难度更大，液态燃料旋转爆震波稳定传播特性更差。为了解决基于液态燃料旋转爆震波起爆难度大，稳定性差的问题，本发明提出了一种基于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，先利用气体燃料进行起爆，实现旋转爆震波的稳定传播后，将液态燃料喷注到燃烧室再实现基于液态燃料旋转爆震波的稳定传播。综上所述，实现基于液态燃料旋转爆震波的稳定传播，对于旋转爆震燃烧室的工程应用非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，拟解决基于液态燃料旋转爆震波起爆特性差，稳定传播特性差的问题，同时能使用多种气态和液态燃料，本发明可以应用于航空发动机和燃气轮机等领域。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，包括液态燃料供给环腔、气态燃料供给腔、燃烧室环腔和气膜冷却孔；

所述的液态燃料供给环腔位于旋转爆震燃烧室最左端，其出口与液态燃料供给弯管连接，若干个液态燃料供给弯管安装孔位于供给环腔内环处，沿周向均布，为弯管结构，靠近入口一侧为弯折的圆管结构，靠近出口一侧为直圆管结构，圆管内部为圆形的液态燃料流动通道；液态燃料供给弯管的出口为沿周向均布的若干个液态燃料喷嘴，圆孔的轴线方向与燃烧室轴向相同；

所述的气态燃料供给腔位于液态燃料供给环腔的中心处，为圆柱形空腔结构，其最左端预留了安装孔，与气态燃料气源连接；靠近右端出口处的圆柱形空腔直径增加，出口为沿周向均匀分布的若干个气态燃料喷嘴；

所述的燃烧室环腔位于燃料喷嘴和气态燃料喷注孔出口右侧，是由燃烧室外环和燃烧室内柱组成的圆环形空腔结构，燃烧室外环为圆环形结构；

所述的气膜冷却孔分别位于燃烧室外环的内壁面和燃烧室内环的外壁面，气膜冷却孔在燃烧室内柱的分布数量与外环相同，气膜冷却孔的出口一侧与燃烧室环腔连通，入口一侧则与冷却空气供给环腔连通，冷却空气供给环腔为圆环形空腔结构，分别位于燃烧室外环和内柱的内部。

本发明进一步的改进在于，液态燃料环腔为环形空腔结构，其截面为长方形，由储油箱供给的高压液态燃料供给至环形空腔结构中，在环形空腔的4个角进行倒圆处理，增大环腔结构的耐压和结构强度。

本发明进一步的改进在于，液态燃料供给弯管为弯折90°的圆管结构，内部为燃油的供给通道，入口一侧为沿径向的直圆管结构，出口一侧为沿轴向的直圆管结构，相互之间通过弯管过渡，沿轴向的直圆管长度大于8倍的圆管内径，能够减小供给环管对空气流动的影响，减小空气的流动损失。

本发明进一步的改进在于，液态燃料环腔靠内环一侧预留了16个沿周向均布的液态燃料供给环管安装孔，液态燃料环腔通过预留的安装孔与16个液态燃料供给环管进行连接。

本发明进一步的改进在于，液态燃料供给环管出口处设置有空气喷注环缝，液态燃料供给弯管的出口采用凸台结构，其沿轴向的型面采用了收敛扩张型结构，通过与喷注环缝安装孔配合，组成了喷注环缝过渡段，通过调节空气喷注环缝过渡段的最小间隙宽度，改变空气的供给流量，凸台结构沿轴向的外轮廓采用了圆弧型面，能够减小空气通过喷注环缝的流动损失。

本发明进一步的改进在于，气态燃料供给腔为呈阶梯型的圆形空腔结构，左端为气态燃料入口，圆形空腔的直径最小，中间段的圆形空腔直径次之，右端为气态燃料出口，圆形空腔的直径最大；在气体燃料腔半径变化端面连接处，内侧和外侧均采用倒圆角的方式。

本发明进一步的改进在于，气态燃料喷嘴为直圆孔结构，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为60°，为保证气体燃料供给到燃烧室环腔的均匀性，120个气体燃料喷嘴沿燃烧室周向均匀分布，为了保证气体燃料喷嘴的加工精度，其轴向长度与喷孔直径的比值为3～5之间。

本发明进一步的改进在于，燃烧室外环预留有1个预爆管安装孔和1个高频压力传感器安装孔，相互之间间隔90°，预爆管安装孔的轴线方向与燃烧室环腔的周向相切，预爆管安装在预爆管安装孔，通过预爆管产生的爆震波对环形燃烧腔进行点火起爆，预爆管的射流方向与环形燃烧腔相切；高频压力传感器安装孔中安装了高频压力传感器，为了监测环腔形燃烧室内的旋转爆震波，其轴线方向与燃烧室的径向相同。

本发明进一步的改进在于，燃烧室外环的内壁面和燃烧室内柱的外壁面均开设有340个气膜冷却孔，沿燃烧腔轴向分布17行，沿周向分布20列，均匀直圆孔结构，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°，通过气膜冷却孔流出的冷却气体与环形燃烧腔内的已燃气体共同排出燃烧室。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种适用于气液两相态双燃料旋转爆震燃烧室，通过设计的液态燃料喷嘴和气态燃料喷嘴，能够同时将液态燃料和气态燃料供给到旋转爆震燃烧腔参与爆震燃烧。一方面该燃烧室能够适用于液态或气态燃料工作，也能够同时实现基于液态或气态两种燃料同时工作；另一方面有利于基于液态燃料的稳定工作，工作过程中首先基于气态燃料更易产生稳定传播的旋转爆震波，随后供给液态燃料实现基于液态燃料旋转爆震波的稳定工作。相较于传统旋转爆震燃烧室，本发明优化了燃烧室的喷注方式，能够适用于多种相态的燃料，同时更易实现基于液态燃料的稳定工作。

附图说明

图1为旋转爆震燃烧室结构示意图；

图2为旋转爆震燃烧室结构截面图；

图3为液态燃料供给环腔示意图，其中图3(b)为图3(a)的截面图；

图4为液态燃料喷注孔示意图；

图5为喷注结构A-A处放大图。

附图标记说明：

1为气态燃料供给腔，2为液态燃料供给环腔，3为液态燃料喷嘴，4为空气喷注环缝，5为气态燃料喷嘴，6为燃烧室环腔，7为燃烧室外环，8为燃烧室内柱，9为液态燃料供给弯管，10为喷注环缝过渡段，11为冷却空气供给环腔，12为气膜冷却孔，13为预爆管安装孔，14为预爆管，15为高频压力传感器安装孔，16为扩压器，17为喷注环缝安装孔，18为液态燃料供给弯管安装孔。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1和图2所示，本发明提供的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，由气态燃料供给腔1、液态燃料供给环腔2、燃烧室环腔6、气膜冷却孔12组成。气态燃料供给腔1位于燃烧室的最左端，为变直径的圆形空腔结构。其作用是储存燃烧室环腔6燃烧所需的气态燃料，左端为气态燃料的入口，圆形空腔的直径最小，中间气态燃料供给腔的直径次之，右端为气态燃料的出口，圆形空腔的直径最大，三部分圆形空腔之间通过圆弧过渡，能够减小气体的流动损失。气态燃料供给腔1的出口为沿周向均匀分布的120个气态燃料喷嘴5，为直圆孔结构，圆孔的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为60°，其作用是将气体燃料供给腔1中的气体燃料均匀喷注到燃烧室环腔6中。扩压器16位于气体燃料供给腔1的外侧，其作用是供给燃烧室环腔6燃烧所需的空气。

如图2～4所示，液态燃料供给环腔2位于气态燃料供给腔1的外侧，为环形空腔结构，其作用是储存燃烧所需的液态燃料。液态燃料供给环腔2靠近内环一侧，预留了沿周向均布的12个液态燃料供给弯管安装孔，其作用是与沿周向均布的12个液态燃料供给弯管9进行连接。

液态燃料供给弯管9为弯折90°的圆管结构，其作用是将液态燃料从液态燃料环腔2供给到燃烧室环腔6中。入口一端为沿径向的直圆管结构，出口一侧为沿轴向的直圆管结构，相互之间通过90°的弯管过渡。为了减小液态燃料供给环管对供给空气流动的影响，出口直圆管段的长度大于8倍的圆管内径。

液态燃料供给弯管9的出口为圆形端盖结构，其中心为沿周向均布的4个液态燃料喷嘴3，为直圆孔结构，其作用是将液态燃料沿周向均匀的供给到燃烧室环腔6中参与燃烧。

参阅图2和图5所示，空气喷注环缝4位于液态燃料供给弯管9的外环，且靠近出口一侧，由液态燃料供给弯管9出口的凸台结构与喷注环缝安装孔17组成，其沿轴向的型面为收敛扩张型结构，且收敛段和扩张段型面均采用平滑圆弧过渡，能够有效减小空气的流动损失。

参阅图1和图2所示，燃烧室环腔6位于空气喷注环缝4的出口一侧，由沿同轴分布的燃烧室外环7和燃烧室内柱8组成。其中，燃烧室外环7为圆环形结构，在靠近左侧一端预留了1个预爆管安装孔13和1个高频压力传感器安装孔15，均为圆形通孔结构，两个安装孔的轴向位置相同，周向之间相隔90°。预爆管14沿环形燃烧腔的周向安装在预爆管安装孔中，其作用是初始时刻在预爆管14中产生稳定传播的爆震波，然后沿周向射入燃烧室环腔6进行点火起爆，使环形燃烧腔中产生稳定传播旋转爆震波。高频压力传感器安装孔15中可以安装高频压力传感器，能够实时监测旋转爆震波产生的压力脉动，进而分析旋转爆震波的传播状态。

燃烧室外环7的内壁面和燃烧室内柱8的外壁面均布了340个气膜冷却孔12，其为直圆孔结构，轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°。气膜冷却孔12沿燃烧腔轴向分布了17行，沿周向分布了20列。燃烧室外环7和燃烧室内柱8内部，设计了环腔形结构的冷却空气供给环腔11，其作用是储存冷却燃烧室环腔6的冷却空气。通过气膜冷却孔12能够将冷却空气供给环腔11的冷却空气供给到燃烧室环腔6中，对燃烧腔的壁面进行冷却。

本发明的工作循环过程如下：

旋转爆震燃烧室基于气态和液态两种相态燃料工作。燃烧室环腔6点火前，打开气态燃料放气阀，气态燃料从气源供给到气态燃料供给腔1，然后通过气态燃料喷嘴5供给到燃烧室环腔6。空气从扩压器16沿空气喷注环缝4供给至燃烧室环腔6。同时，预爆管14中填充燃料和氧化剂；冷却空气供给环腔11中填充冷却空气，通过气膜冷却孔12供给到燃烧室环腔6中。当燃烧室环腔6和预爆管14中填充足量的燃料和氧化剂后，预爆管14中的点火装置进行点火，火焰在预爆管14中进行扰动加速后，在其出口形成稳定传播的爆震波，随后爆震波在环形燃烧腔头部，沿切向进入燃烧腔，该阶段为起爆阶段。

由于燃烧室环腔6中填充了混合较好的气体燃料和空气，能够维持爆震波沿周向继续传播，燃烧腔中产生了稳定传播的气态燃料旋转爆震波。打开液态燃料储存罐的截止阀，液态燃料从液态燃料供给环腔2供给到液态燃料供给弯管9，然后从液态燃料供给弯管9出口的液态燃料喷嘴3，供给到燃烧室环腔6中。由于燃烧室环腔6内的温度较高，有利于液态燃料的快速雾化蒸发，改善了燃油与空气的混合效果，能够继续保证旋转爆震波的稳定传播。此时切断气态燃料的供给，只供给液态燃料，基于液态燃料的旋转爆震波继续稳定传播，该阶段为燃烧室的稳定工作阶段。

当燃烧室工作结束时，切断空气和液态燃料的供给，燃烧室环腔6内由于缺少可燃混合物，旋转爆震波逐渐解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，燃烧室停止工作，单个工作循环结束。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，包括液态燃料供给环腔、气态燃料供给腔、燃烧室环腔和气膜冷却孔；

所述的液态燃料供给环腔位于旋转爆震燃烧室最左端，其出口与液态燃料供给弯管连接，若干个液态燃料供给弯管安装孔位于供给环腔内环处，沿周向均布，为弯管结构，靠近入口一侧为弯折的圆管结构，靠近出口一侧为直圆管结构，圆管内部为圆形的液态燃料流动通道；液态燃料供给弯管的出口为沿周向均布的若干个液态燃料喷嘴，圆孔的轴线方向与燃烧室轴向相同；

所述的气态燃料供给腔位于液态燃料供给环腔的中心处，为圆柱形空腔结构，其最左端预留了安装孔，与气态燃料气源连接；靠近右端出口处的圆柱形空腔直径增加，出口为沿周向均匀分布的若干个气态燃料喷嘴；

所述的燃烧室环腔位于燃料喷嘴和气态燃料喷注孔出口右侧，是由燃烧室外环和燃烧室内柱组成的圆环形空腔结构，燃烧室外环为圆环形结构；

所述的气膜冷却孔分别位于燃烧室外环的内壁面和燃烧室内环的外壁面，气膜冷却孔在燃烧室内柱的分布数量与外环相同，气膜冷却孔的出口一侧与燃烧室环腔连通，入口一侧则与冷却空气供给环腔连通，冷却空气供给环腔为圆环形空腔结构，分别位于燃烧室外环和内柱的内部。

2.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，液态燃料环腔为环形空腔结构，其截面为长方形，由储油箱供给的高压液态燃料供给至环形空腔结构中，在环形空腔的4个角进行倒圆处理，增大环腔结构的耐压和结构强度。

3.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，液态燃料供给弯管为弯折90°的圆管结构，内部为燃油的供给通道，入口一侧为沿径向的直圆管结构，出口一侧为沿轴向的直圆管结构，相互之间通过弯管过渡，沿轴向的直圆管长度大于8倍的圆管内径，能够减小供给环管对空气流动的影响，减小空气的流动损失。

4.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，液态燃料环腔靠内环一侧预留了16个沿周向均布的液态燃料供给环管安装孔，液态燃料环腔通过预留的安装孔与16个液态燃料供给环管进行连接。

5.根据权利要求4所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，液态燃料供给环管出口处设置有空气喷注环缝，液态燃料供给弯管的出口采用凸台结构，其沿轴向的型面采用了收敛扩张型结构，通过与喷注环缝安装孔配合，组成了喷注环缝过渡段，通过调节空气喷注环缝过渡段的最小间隙宽度，改变空气的供给流量，凸台结构沿轴向的外轮廓采用了圆弧型面，能够减小空气通过喷注环缝的流动损失。

6.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，气态燃料供给腔为呈阶梯型的圆形空腔结构，左端为气态燃料入口，圆形空腔的直径最小，中间段的圆形空腔直径次之，右端为气态燃料出口，圆形空腔的直径最大；在气体燃料腔半径变化端面连接处，内侧和外侧均采用倒圆角的方式。

7.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，气态燃料喷嘴为直圆孔结构，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为60°，为保证气体燃料供给到燃烧室环腔的均匀性，120个气体燃料喷嘴沿燃烧室周向均匀分布，为了保证气体燃料喷嘴的加工精度，其轴向长度与喷孔直径的比值为3～5之间。

8.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃烧室外环预留有1个预爆管安装孔和1个高频压力传感器安装孔，相互之间间隔90°，预爆管安装孔的轴线方向与燃烧室环腔的周向相切，预爆管安装在预爆管安装孔，通过预爆管产生的爆震波对环形燃烧腔进行点火起爆，预爆管的射流方向与环形燃烧腔相切；高频压力传感器安装孔中安装了高频压力传感器，为了监测环腔形燃烧室内的旋转爆震波，其轴线方向与燃烧室的径向相同。

9.根据权利要求1所述的一种适用于气液两相双燃料旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃烧室外环的内壁面和燃烧室内柱的外壁面均开设有340个气膜冷却孔，沿燃烧腔轴向分布17行，沿周向分布20列，均匀直圆孔结构，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°，通过气膜冷却孔流出的冷却气体与环形燃烧腔内的已燃气体共同排出燃烧室。

Images