CN114001375B - 一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，主要由预燃燃烧室、直射式煤油喷嘴、煤油冷却腔和旋转爆震燃烧腔组成。为了解决基于煤油旋转爆震燃烧室中，极短时间内煤油雾化蒸发困难，旋转爆震波的起爆和传播稳定性差的问题，通过在预燃燃烧室中部分煤油和氧气提前进行燃烧，随后高温的已燃产物和氧气供给到旋转爆震燃烧腔，通过提高燃烧腔内未燃烧的煤油和氧气温度，加快了煤油的雾化蒸发速度，促进了煤油与氧气的快速掺混，混合更加均匀的煤油和氧气更有利于旋转爆震波的快速起爆和稳定传播。相较于传统结构的旋转爆震燃烧室，本发明通过增加预燃燃烧室的方式，改善基于煤油旋转爆震波的起爆和稳定传播特性，对旋转爆震燃烧室的工程应用非常重要。

Description

一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室。

背景技术

随着科学技术的高速发展，探索宇宙的活动越来越频繁，全世界每年发射的火箭数量也越来越多。现有的火箭发动机均采用基于等压燃烧的缓燃燃烧方式，技术水平较为成熟，进一步提高燃烧室的燃烧效率和发动机的热循环效率非常困难。自然界中存在一种比缓燃燃烧更加剧烈的燃烧方式——爆震燃烧，与缓燃燃烧相比，爆震燃烧由于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，燃烧速率更快，对应的热循环效率更高。将爆震燃烧应用到现有的火箭发动机中，由于爆震燃烧的燃烧速率明显高于缓燃燃烧，相同供给流量条件下，基于爆震燃烧的燃烧室体积更小；同时，由于爆震燃烧的自增压作用，能够提高动力装置的热循环效率。

另一方面，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，基于煤油旋转爆震波的起爆难度更大，稳定传播特性更差。为了解决基于煤油旋转爆震波起爆难度大，稳定性差的问题，本发明提出了一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，先利用预燃发生器中的氧气与少量煤油进行贫燃燃烧，随后喷射到旋转爆震燃烧腔中与氧气和煤油进行混合，由于预燃发生器排出的混合气体温度较高，有利于煤油的快速雾化蒸发，大大减小基于煤油旋转爆震波起爆和稳定自持传播较为困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，通过带预燃燃烧室的方式，拟解决基于煤油旋转爆震波起爆特性差，稳定传播特性差的问题，本发明可以应用于火箭发动机等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，包括预燃燃烧室、直射式煤油喷嘴、煤油冷却腔和空桶型燃烧室；

所述的预燃燃烧室位于旋转爆震燃烧室最左端；左侧预燃燃烧室盖板的中心为氧气供给孔，外侧为沿周向均匀分布的若干煤油喷注孔；圆环形外壁靠近右侧，预留了多排，每排若干沿周向均布的氧气供给孔；右端为预燃燃烧室的出口，中心为锥形结构，锥形结构外侧为沿氧气供给环缝；

所述的空桶型燃烧室位于预燃燃烧室出口一侧，是由燃烧室外环和燃烧室端盖组成的圆形空腔结构；空桶型燃烧室和预燃燃烧室的轴向位置相同，相互之间通过燃烧室端盖分隔；燃烧室外环靠近空桶型燃烧室头部一侧预留了两个圆形通孔，分别为预爆管安装孔和高频压力传感器安装孔；

所述的煤油冷却腔位于燃烧室外环内部，为环形空腔结构，在靠近燃烧室外环右侧，预留了两个圆形通孔，为煤油的供给孔；

所述的直射式煤油喷嘴位于燃烧室外环，且靠近燃烧腔的左侧，为圆形通孔结构，数量为180个；直射式煤油喷嘴沿轴向分布了三排，沿周向均匀分布了60列；空桶型燃烧室和煤油冷却腔之间通过直射式煤油喷嘴进行连接。

本发明进一步的改进在于，预燃燃烧室左侧端盖的中心为氧气供给孔，氧气供给孔的外侧预留了8个沿周向均匀分布的煤油离心喷嘴，氧气和煤油分别通过氧气供给孔和煤油离心喷嘴供给到预燃燃烧室参与燃烧。

本发明进一步的改进在于，预留了30个煤油喷注孔，煤油喷注孔沿径向分布了3排，沿周向分布了10列，煤油喷注孔的左侧为煤油供给腔，中心为氧气供给孔，在左侧为预燃燃烧室的端盖。

本发明进一步的改进在于，所述的预燃燃烧室由预燃燃烧室盖板和圆环形外壁组成的圆形空腔结构；左侧预燃燃烧室盖板的外侧为沿周向均匀分布的8个煤油喷注孔；圆环形外壁靠近右侧，预留了3排，每排4个沿周向均布的氧气供给孔。

本发明进一步的改进在于，预燃燃烧室的圆环形外壁左侧，预留了两个高能点火器安装孔，相互之间间隔180°，其中分别安装了高能点火器，对预燃燃烧室进行点火，通过氧气供给孔将参与爆震燃烧的氧气供给到预燃燃烧室，与预燃燃烧室左侧的已燃气体进行混合。

本发明进一步的改进在于，预燃燃烧室通过中心锥形结构能够将气体沿圆锥型面导出预燃燃烧室，避免在右侧端盖中心形成回流区，减小了气体的流动损失。

本发明进一步的改进在于，预燃燃烧室右端盖中心锥形结构的外侧为气体环形通道，型面采用了收敛段和平直段结构，收敛段的入口处面积大，能够增加气体的流通面积；平直段结构中间设计了10个沿预燃燃烧室周向均匀分布的加强肋结构，加强肋的两端采用了平滑的圆弧过渡，能够减小气体的流动损失，加强肋的安装方向与燃烧室轴向夹角为45°，当气体流动至环形通道时，能够改变环形通道内气体的流动方向，在环形通道出口产生旋流效应，有利于气体和煤油在旋转爆震燃烧腔中的均匀混合。

本发明进一步的改进在于，在燃烧室外环的预爆管安装孔和高频压力传感器安装孔的轴向位置相同，周向间隔180°；预爆管安装孔的轴线方向与燃烧室环腔的周向相切，预爆管沿燃烧室外环的切向安装在预爆管安装孔内，通过预爆管产生的爆震波对旋转爆震燃烧腔进行点火起爆，预爆管的射流方向与旋转爆震燃烧腔相切，高频压力传感器安装孔的轴线方向与燃烧室径向相同，能够安装高频压力传感器，通过高频压力传感器能够监测燃烧室内的旋转爆震波传播状态。

本发明进一步的改进在于，燃烧室外环的内部设置有环腔形结构的煤油冷却腔；靠近燃烧室出口一侧，预留了2个轴向位置相同的煤油入口孔，相互之间间隔180°；冷态煤油通过煤油入口孔供给到煤油冷却腔内，与燃烧室壁面进行换热，同时也对燃烧室壁面进行冷却；煤油冷却腔靠近燃烧室进口一侧，采用直射式煤油喷嘴，与壁面换热后的煤油，通过直射式煤油喷嘴从冷却通道供给到旋转爆震燃烧腔中。

本发明进一步的改进在于，通过直射式煤油喷嘴将换热后温度较高的煤油，从煤油冷却腔供给到燃烧腔中参与爆震燃烧；直射式煤油喷嘴的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°，沿周向均匀分布，将煤油均匀地供给到旋转爆震燃烧腔中，为了保证气体燃料喷嘴的加工精度，直射式煤油喷嘴的轴向长度与喷孔直径的比值为3～5之间。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，部分煤油和氧气通过在预燃燃烧室中提前燃烧，随后将温度较高的已燃气体和氧气供给到旋转爆震燃烧腔，高温已燃气体促进了液态煤油的快速雾化蒸发，更易实现煤油与氧气快速均匀掺混，有利于煤油旋转爆震波的快速起爆和稳定传播。相较于传统旋转爆震燃烧室，本发明通过增加预燃燃烧室的方式，解决了煤油雾化蒸发、以及与氧化剂混合效果差的问题，提高了基于煤油旋转爆震波起爆和传播的稳定性，对旋转爆震燃烧室的工程应用非常重要。

附图说明

图1为带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室示意图；

图2为带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室截面图；

图3为预燃燃烧室的燃料喷嘴(A-A放大图)；

图4为氧化剂喷注环缝(B-B放大图)；

图5为煤油直射式喷注孔(C-C放大图)。

附图标记说明：

1为预燃燃烧室，2为旋转爆震燃烧腔，3为煤油冷却腔，4为预燃燃烧室端盖，5为煤油喷嘴，6为煤油喷嘴安装孔，7为预燃燃烧室氧气供给孔，8为预燃燃烧室外环，9为预燃燃烧室点火器，10为预燃燃烧室点火器安装孔，11为氧气主供给孔，12为过渡段球形凸台，13为旋转爆震燃烧腔端盖，14为氧气喷注环缝，15为煤油直射式喷注孔，16为旋转爆震燃烧腔外环，17为高频压力传感器安装孔，18为预爆管，19为煤油供给孔。

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，本发明提供的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，预燃燃烧室1、旋转爆震燃烧腔2、煤油冷却腔3、直射式煤油喷嘴15组成。预燃燃烧室1位于旋转爆震燃烧室的最左端，由预燃燃烧室端盖4、预燃燃烧室外环8和旋转爆震燃烧腔端盖13组成的圆柱形空腔结构；其作用是部分氧气和煤油提前进行燃烧，已燃高温气体与部分氧气混合后，供给到旋转爆震燃烧腔。预燃燃烧室端盖4位于预燃燃烧室的左端，其中心为圆形通孔结构的预燃燃烧室氧气供给孔7，氧气通过供给孔供给到预燃燃烧室；在氧气供给孔7的外侧为4个沿周向均匀分布的煤油喷嘴安装孔6，为圆形通孔结构，4个煤油喷嘴5分别安装在其中，煤油喷嘴为离心式喷嘴；通过离心式煤油喷嘴5将煤油供给到预燃燃烧室1中。预燃燃烧室外环8为圆环形结构，中心为预燃燃烧室1。预燃燃烧室外环8的左侧设计了4个沿周向均匀分布的预燃燃烧室点火器安装孔10，4个预燃燃烧室点火器9分别安装在其中，4个预燃燃烧室点火器9与4个煤油喷嘴5的周向位置相同，其作用是对预燃燃烧室1进行点火。预燃燃烧室外环8的右侧设计了2个氧气主供给孔，为直圆孔结构，2个氧气主供给孔之间相隔180°，其作用是供给参与爆震燃烧所需的氧气。预燃燃烧室1的右侧端面为旋转爆震燃烧腔端盖13，为圆柱形结构，其中心为过渡段球形凸台12；外环为氧气喷注环缝14，结构为收敛扩张型面，预燃燃烧室1头部的氧气和煤油燃烧后产生的高温已燃气体，以及氧气主供给孔11供给到预燃燃烧室氧气，通过氧气喷注环缝14供给到旋转爆震燃烧腔2。

旋转爆震燃烧腔2是由旋转爆震燃烧腔端盖13和旋转爆震燃烧腔外环16组成的空桶形燃烧腔结构。旋转爆震燃烧腔外环16为圆环形结构，旋转爆震燃烧腔外环左侧预留了高频压力传感器安装孔17和预爆管18的安装孔，为圆形通孔结构，2个安装孔相互之间间隔90°，高频压力传感器能够监测旋转爆震波的传播状态，预爆管18能够对旋转爆震燃烧腔2进行点火起爆。旋转爆震燃烧腔外环16内部预留了煤油冷却腔3，为圆环形空腔结构，其作用是将低温煤油供给到煤油冷却腔3，通过低温煤油与燃烧腔壁面进行冷却，同时低温煤油换热后温度升高，有利于提升煤油的雾化蒸发效果，使得煤油更易于氧气快速均匀混合。煤油冷却腔3的右侧预留了2个煤油供给孔19，为圆形通孔结构，相互之间间隔180°，其作用是将低温煤油供给到煤油冷却腔3。煤油冷却腔3和旋转爆震燃烧腔2之间通过煤油直射式喷注孔进行连接，90个煤油直射式喷注孔沿周向均匀分布，其作用是将煤油冷却腔内与壁面换热后的煤油，通过煤油直射式喷注孔均匀喷注到旋转爆震燃烧腔内。

本发明的工作循环过程如下：

首先，打开电磁阀，将煤油和氧气分别通过煤油喷嘴5和预燃燃烧室氧气供给孔7供给至预燃燃烧室1；预燃燃烧室内填充了足量的氧气和煤油后，控制4个预燃燃烧室点火器9开始点火，将已经填充至预燃燃烧室的氧气和煤油进行点燃，预燃燃烧室内产生稳定的缓燃燃烧。通过预燃燃烧室1右侧的氧气主供给孔11，将参与爆震燃烧的氧气供给至预燃燃烧室，随后供给的氧气与预燃燃烧室头部产生的高温已燃气体通过氧气喷注环缝14，供给至旋转爆震燃烧腔2；通过煤油供给孔19将参与爆震燃烧的煤油供给至煤油冷却腔3，当煤油冷却腔3内填充满后，煤油通过煤油直射式喷注孔15，从煤油冷却腔3供给至旋转爆震燃烧腔2；同时，预爆管18中填充燃料和氧化剂。当旋转爆震燃烧腔2和预爆管18中填充足量的燃料和氧化剂后，切断预爆管18内的燃料和氧化剂供给，打开预爆管18的点火装置进行点火，预爆管18的出口形成爆震波，随后沿旋转爆震燃烧腔2的切向进入燃烧腔。

由于旋转爆震燃烧腔2内填充了预燃燃烧室内的已燃高温气体、氧气和煤油，已燃高温气体的温度较高，有利于煤油的快速雾化蒸发过程；混合较好的煤油和氧气能够维持爆震波沿周向继续传播，旋转爆震燃烧腔2内产生了稳定传播的旋转爆震波。同时，煤油冷却腔3内供给的低温煤油对燃烧室壁面进行冷却，换热后煤油的温度升高，有利于煤油的快速雾化蒸发，能够实现与氧化剂的快速均匀混合，有利于旋转爆震波的稳定传播。

当燃烧室工作结束时，同时切断预燃燃烧室的煤油喷嘴5、预燃燃烧室氧气供给孔7、氧气主供给孔11，以及旋转爆震燃烧室外环8上的煤油供给孔19，旋转爆震燃烧腔2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)

1.一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，包括预燃燃烧室、直射式煤油喷嘴、煤油冷却腔和空桶型燃烧室；

所述的预燃燃烧室位于旋转爆震燃烧室最左端；左侧预燃燃烧室盖板的中心为氧气供给孔，外侧为沿周向均匀分布的若干煤油喷注孔；圆环形外壁靠近右侧，预留了多排，每排若干沿周向均布的氧气供给孔；右端为预燃燃烧室的出口，中心为锥形结构，锥形结构外侧为沿氧气供给环缝；预燃燃烧室通过中心锥形结构能够将气体沿圆锥型面导出预燃燃烧室，避免在右侧端盖中心形成回流区，减小了气体的流动损失；

所述的空桶型燃烧室位于预燃燃烧室出口一侧，是由燃烧室外环和燃烧室端盖组成的圆形空腔结构；空桶型燃烧室和预燃燃烧室的轴向位置相同，相互之间通过燃烧室端盖分隔；燃烧室外环靠近空桶型燃烧室头部一侧预留了两个圆形通孔，分别为预爆管安装孔和高频压力传感器安装孔；

所述的煤油冷却腔位于燃烧室外环内部，为环形空腔结构，在靠近燃烧室外环右侧，预留了两个圆形通孔，为煤油的供给孔；

所述的直射式煤油喷嘴位于燃烧室外环，且靠近燃烧腔的左侧，为圆形通孔结构，数量为180个；直射式煤油喷嘴沿轴向分布了三排，沿周向均匀分布了60列；空桶型燃烧室和煤油冷却腔之间通过直射式煤油喷嘴进行连接，通过直射式煤油喷嘴将换热后温度较高的煤油，从煤油冷却腔供给到燃烧腔中参与爆震燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，预燃燃烧室左侧端盖的中心为氧气供给孔，氧气供给孔的外侧预留了8个沿周向均匀分布的煤油离心喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，预留了30个煤油喷注孔，煤油喷注孔沿径向分布了3排，沿周向分布了10列，煤油喷注孔的左侧为煤油供给腔，中心为氧气供给孔，在左侧为预燃燃烧室的端盖。

4.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，所述的预燃燃烧室由预燃燃烧室盖板和圆环形外壁组成的圆形空腔结构；左侧预燃燃烧室盖板的外侧为沿周向均匀分布的8个煤油喷注孔；圆环形外壁靠近右侧，预留了3排，每排4个沿周向均布的氧气供给孔。

5.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，预燃燃烧室的圆环形外壁左侧，预留了两个高能点火器安装孔，相互之间间隔180°，其中分别安装了高能点火器。

6.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，预燃燃烧室右端盖中心锥形结构的外侧为气体环形通道，型面采用了收敛段和平直段结构，收敛段的入口处面积大，能够增加气体的流通面积；平直段结构中间设计了10个沿预燃燃烧室周向均匀分布的加强肋结构，加强肋的两端采用了平滑的圆弧过渡，能够减小气体的流动损失，加强肋的安装方向与燃烧室轴向夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，在燃烧室外环的预爆管安装孔和高频压力传感器安装孔的轴向位置相同，周向间隔180°；预爆管安装孔的轴线方向与燃烧室环腔的周向相切，预爆管沿燃烧室外环的切向安装在预爆管安装孔内，预爆管的射流方向与旋转爆震燃烧腔相切，高频压力传感器安装孔的轴线方向与燃烧室径向相同，能够安装高频压力传感器。

8.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃烧室外环的内部设置有环腔形结构的煤油冷却腔；靠近燃烧室出口一侧，预留了2个轴向位置相同的煤油入口孔，相互之间间隔180°；煤油冷却腔靠近燃烧室进口一侧，采用直射式煤油喷嘴。

9.根据权利要求1所述的一种带预燃燃烧室的旋转爆震燃烧室，其特征在于，直射式煤油喷嘴的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°，沿周向均匀分布，直射式煤油喷嘴的轴向长度与喷孔直径的比值为3～5之间。

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