CN114459056A - 一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室，包括尾轴斜锥、内筒体、外筒体、喷油腔、V型稳定器、溅油环、分流板、可调节尾喷管；尾轴斜锥外壁与外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；内筒体外壁与外筒体内壁之间形成第二间隙，作为旋转爆震加力燃烧室，内筒体内部作为常规加力燃烧室；喷油腔内部中空，与外部油路连接，侧壁上设有燃油喷孔，同时起到分流作用；V型火焰稳定器，布设在常规加力燃烧室前端；溅油环，布设在尾轴斜锥坡底；分流板，与喷油腔顶部相铰链；可调节尾喷管，与外筒体尾端相铰链。本发明具有结构可调、灵活应对主燃烧室各个工况、机构简单、合理利用涡轮出口处的环腔结构、减轻发动机总重量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域，涉及一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室。
背景技术
目前针对旋转爆震燃烧室应用于传统涡轮动力系统的研究主要集中在旋转爆震燃烧室作为发动机的主燃烧室方面，而采用旋转爆震燃烧室作为加力燃烧室的研究则相对较少。加力燃烧室是航空发动机不可缺少的基本部件，是短时间内产生更大推力的主要手段。加力燃烧室主要是在保持发动机工作状态不变的情况下，将部分燃油喷入涡轮后的燃气流中利用燃气中未燃烧的氧气再次燃烧进一步提高燃气温度，增大喷气速度，从而增加推力。
由于传统加力燃烧室的燃油在压力较低的燃气中，加力燃烧室的循环热效率较低，燃烧效率不高，耗油率急剧增加。一般来说，在不增加发动机迎风面积的前提下，加力燃烧室为保证空气的充分燃烧，会适当的保持相对较长的尺寸。而采用爆震燃烧室代替传统加力燃烧室时，首先可以有效地的改善加力燃烧室的循环热效率低的问题；其次，由于旋转爆震燃烧室结构较为简单，新鲜混气进气进入燃烧室的速度要求较高，燃烧室内不在需要混合器、扩压器等部件；第三，旋转爆震燃烧室的点火装置较为简单，爆震波通过单次点火后就可以在燃烧室内持续传播，并且火焰在燃烧室内以激波的形式进行传播，火焰不在需要传统燃烧室内的火焰稳定器就可以保持稳定；第四，燃烧产物可以在环形加力燃烧室内膨胀加速到马赫数Ma＝1，如果过长的燃烧室长度会增大旋转爆震燃烧室的损失，所以爆震加力燃烧室的长度远小于传统加力燃烧室的长度，这有利于减轻发动机的总重量；最后，采用旋转爆震燃烧室作为加力燃烧室可以合理利用涡轮出口处的环腔结构，使发动机更为紧凑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室的方案，以解决现有技术中存在的加力室机构复杂、循环热效率低、尺寸较长、无法灵活应对主燃烧室各个工况的技术问题；该方案还可以有效改善环腔高度过大带来的爆震不稳定，降低低活性燃料旋转爆震起爆和爆震维持的难度，使液体煤油等低活性燃料与氧化剂形成的混合流能够在爆震燃烧环道内进行连续旋转爆震。
本发明提供一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室，包括：
外筒体，所述外筒体两端连通且用于定位以及连接其他部件；
尾轴斜锥，所述尾轴斜锥为非中空的涡轮主轴末端，并设置一定斜度便于与喷油腔形成闭合；
喷油腔，所述喷油腔内部中空，且与外部油路连接，侧壁上设有燃油喷孔，同时也起到分流的作用；
内筒体，所述内筒体前端与喷油腔尾端连接，内部设有V型火焰稳定器和射流点火装置，分别用于建立稳定热源和热射流点火起爆；
尾喷管，所述尾喷管可根据旋转爆震加力燃烧室的具体工作状态进行调节，以减少推力损失，提高加力燃烧室的增推性能；
所述喷油腔和内筒体可根据主燃烧室的燃烧程度进行左右滑动，处于旋转爆震加力状态时喷油腔与尾轴斜锥形成闭合，处于常规加力状态时喷油腔与外筒体形成闭合；
进一步的，所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，所述尾轴斜锥外壁与所述外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；所述内筒体外壁与所述外筒体内壁之间形成第二间隙，作为旋转爆震加力燃烧室，所述内筒体内部为第三间隙，作为常规加力燃烧室；所述尾轴斜锥与所述喷油腔之间的最窄间隙作为常规加力燃烧室的喉道；所述外筒体与所述喷油腔之间的最窄间隙作为旋转爆震加力燃烧室的喉道。
进一步的，所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，当涡轮出口燃气的氧含量过低达不到爆震条件时，喷油腔可滑至与外筒体闭合的状态，此时只有常规加力燃烧室工作；当涡轮出口燃气的氧含量达到起爆条件后，喷油腔不与尾轴斜锥和外筒体闭合，并调节分流板的角度将一定的外涵气流引进旋转爆震加力燃烧室，此时旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室同时工作；当涡轮出口燃气的氧含量可以使爆震波稳定自持时，喷油腔可滑至与尾轴斜锥闭合的状态，此时只有旋转爆震加力燃烧室工作。
进一步的，所述的喷油腔包括沿所述内筒体径向布设的后壁、与所述后壁相交且沿所述内筒体长度方向延伸的底壁、与所述底壁相交并与内筒体长度方向成30度角的下侧壁和上侧壁、与所述上侧壁和后壁分别相交的上壁、与所述上壁和后壁分别相交的右侧壁。所述右侧壁和下侧壁上设有喷油孔，用于向旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室供给燃油。
进一步的，所述V型稳定器分别沿周向和径向布设在常规加力燃烧室前端，其目的为建立稳定高温热源，使得火焰在加力燃烧室中稳定传播。
进一步的，所述的射流点火装置设置在内筒体前端壁面上，热射流造成的诱导流动可以强化爆震管内湍流流动，有利于爆震管内的火焰加速，从而形成旋转爆震波以完成快速起爆。
进一步的，所述溅油环布设在尾轴斜锥坡底，与喷油腔形成扩压通道对燃气进行增压减速的同时，用于加速煤油雾化破碎；所述分流板与喷油腔前端相铰链，用于调整进入爆震加力燃烧室的外涵进气量；
进一步的，所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，自所述外筒径向的方向，所述旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室的高度始终不变，且为了满足加力燃烧室性能要求，外筒体最大内径始终保持在250mm。
有益效果：
本发明是一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室，该加力室具有机构简单、循环热效率高、合理利用涡轮出口处的环腔结构、减轻发动机总重量、可灵活应对不同的主燃烧室工作状态等优点。该方案还可以有效改善环腔高度过大带来的爆震不稳定，降低低活性燃料旋转爆震起爆和爆震维持的难度，使液体煤油等低活性燃料与氧化剂形成的混合流能够在旋转爆震加力燃烧室内进行连续旋转爆震。
附图说明
1.图1为本发明实际案例提供的旋转爆震加力与常规加力组合状态的示意图；
2.图2为本发明实际案例提供的旋转爆震加力状态的示意图；
3.图3为本发明实际案例提供的常规加力状态的示意图；
4.图4为本发明实际案例提供的喷油腔的立体剖视图；
5.图5为本发明实际案例提供的V型火焰稳定器的立体剖视图；
附图标记：
1-尾轴斜锥；2-外筒体；3-喷油腔；4-内筒体；5-射流点；6-V型火焰稳定器；7-可调节式尾喷管；8-分流板；9-溅油环；10-引流环腔；11-旋转爆震加力燃烧室；12-常规加力燃烧室；13-旋转爆震加力燃烧室进气喉道；14-常规加力燃烧室进气喉道。
具体实施方式
参考图1-图3，本发明为一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室，包括：尾轴斜锥1，所述尾轴斜锥1为非中空的涡轮主轴末端，并设置一定斜度便于与喷油腔形成闭合；外筒体2，所述外筒体2由具有轴向贯通中空腔且两端连通，用于定位以及连接其他部件；喷油腔3，所述喷油腔3具有周向贯通的中空腔，位于引流环腔10中间，与外部油路连接，侧壁上设有喷孔用于喷注燃油，同时也起到分流的作用；内筒体4，所述内筒体4前端与喷油腔3连接，且长度与二级外筒体相当，内部设有V型火焰稳定器6和射流点5，分别用于稳定火焰传播和射流点火起爆；可调节尾喷管7，所述尾喷管7与二级外筒体相连，位于旋转爆震加力燃烧室11出口，可根据旋转爆震加力燃烧室的具体工作状态进行角度调节，以减少推力损失，提高加力燃烧室的推力利用率；分流板8，所述分流板8与喷油腔3前端相铰链，用于调整进入爆震加力燃烧室11的外涵进气量；溅油环9，所述溅油环9布设在尾轴斜锥1坡底，与喷油腔3形成扩压通道对燃气进行增压减速的同时，用于加速煤油的雾化破碎。
本发明的组合式旋转爆震加力燃烧室工作时，涡轮出口燃气和外涵道的空气分别被引入引流环腔10，由喷油腔3和分流板8分别对两股进气进行分流，形成内涵和外涵两股气流，外涵流进入旋转爆震加力燃烧室11，喷油孔设置于其进气喉道13的下游，沿周向将燃油喷入引流环腔10内，两者混合形成混合流并在通过射流点5时起爆，起爆成功后进入旋转爆震加力燃烧室11进行旋转爆震燃烧；内涵流进入常规加力燃烧室12，喷油孔设置于其进气喉道14的上游，沿周向喷入引流环腔10内，所述溅油环9与喷油腔3形成的扩压通道对燃气进行增压减速的同时，煤油经过溅油环9也会加速其雾化破碎，两者混合形成混合流并通过V型火焰稳定器6进行常规加力燃烧。旋转爆震加力燃烧室11的出口端连接有可调节式尾喷管7，旋转爆震燃烧产生的混合气喷入尾喷管，最后由尾喷管膨胀加速排出推动飞行器前行。
根据上述结构可知，所述尾轴斜锥1外壁与所述外筒体2内壁之间形成第一间隙，该间隙作为引流环腔10可以使得涡轮出口产生的高温高压气体分别引入两个加力燃烧室。所述内筒体4外壁与所述外筒体3内壁之间形成第二间隙，作为旋转爆震加力燃烧室11，所述内筒体4内部作为常规加力燃烧室12。特别地，其中混合流沿轴向进入所述旋转爆震加力燃烧室11后，经过射流点5点火后即可产生连续的周向旋转的爆震波。由于旋转爆震波的高度和强度等特性受到燃烧室结构、煤油掺混效果、进气流量等参数的影响，旋转爆震加力燃烧室11可以通过调节煤油的流量和分流板8的角度得到不同模态的旋转爆震波，进而产生不同的推力。
所述喷油腔3包括沿所述内筒体径向布设的后壁、与所述后壁相交且沿所述内筒体长度方向延伸的底壁、与所述底壁相交并与内筒体长度方向成30度角的下侧壁和上侧壁、与所述上侧壁和后壁分别相交的上壁、与所述上壁和后壁分别相交的右侧壁。所述右侧壁和下侧壁上设有喷油孔，用于向旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室供给燃油。
所述外筒体2与所述喷油腔3之间的最窄间隙作为旋转爆震加力燃烧室11的喉道13，且旋转爆震加力燃烧室的进气通道通过喷油腔3的设计构成拉瓦尔喷管的结构，喉道13在控制进气流量的同时也确保了加力室的进口总压满足性能要求，同时通过拉瓦尔喷管先收敛后扩张的几何结构使管内燃气流速发生从亚音速到超声速的转变，以降低起爆难度和获得更好的增推性能。
所述的组合式旋转爆震加力燃烧室在实际工作时可以灵活调节加力状态，当进口混气的氧含量过低达不到爆震条件时，喷油腔3可滑至与外筒体2闭合的状态，此时只有常规加力燃烧室12工作；当进口混气的氧含量达到起爆条件后，喷油腔3不与尾轴斜锥1和外筒体2闭合，此时旋转爆震加力燃烧室11和常规加力燃烧室12同时工作；当进口混气的氧含量可以使爆震波稳定自持时，喷油腔3可滑至与尾轴斜锥1闭合的状态，此时只有旋转爆震加力燃烧室11工作。
所述的旋转爆震加力燃烧室11的入口处形成了近似凹腔的结构，可对旋转爆震燃烧产生的火焰进行稳定，使凹腔内形成持续燃烧的高温火焰，提高凹腔区域及上游的混合流的温度，进而有效降低低活性燃料(液体航空煤油、煤油裂解气、乙烯、甲烷等)旋转爆震的起爆和维系难度，使煤油等低活性燃料与燃气形成的混合流能够在旋转爆震加力燃烧室9内进行连续旋转爆震，从而解决采用液体煤油等低活性燃料使发动机不易实现工程应用的技术难题。
相比于传统加力室，组合式旋转爆震加力燃烧室具有机构简单、循环热效率高、合理利用涡轮出口处的环腔结构、减轻发动机总重量、可灵活应对不同的主燃烧室工作状态等优点，且可以有效改善环腔高度过大带来的爆震不稳定，降低低活性燃料旋转爆震起爆和爆震维持的难度，使液体煤油等低活性燃料与氧化剂形成的混合流能够在爆震燃烧环道内进行连续旋转爆震。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结构可调的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，采用可调节的组合式旋转爆震加力燃烧室以适应主燃烧室不同的工作状态，所述旋转爆震加力燃烧室包括：
外筒体，所述外筒体两端连通且用于定位以及连接其他部件；
尾轴斜锥，所述尾轴斜锥为非中空的涡轮主轴末端，并设置一定斜度便于与喷油腔形成闭合；
喷油腔，所述喷油腔内部中空，且与外部油路连接，侧壁上设有燃油喷孔，同时也起到分流的作用；
内筒体，所述内筒体前端与喷油腔尾端连接，内部设有V型火焰稳定器和射流点火装置，分别用于建立稳定热源和热射流点火起爆；
尾喷管，所述尾喷管可根据旋转爆震加力燃烧室的具体工作状态进行调节，以减少推力损失，提高加力燃烧室的增推性能；
所述喷油腔和内筒体可根据主燃烧室的燃烧程度进行左右滑动，处于旋转爆震加力状态时喷油腔与尾轴斜锥形成闭合，处于常规加力状态时喷油腔与外筒体形成闭合。
2.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，所述尾轴喷油腔、内筒体和V型火焰稳定器整体与中心套筒相连，可左右滑动以实现不同加力状态之间的切换。
3.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，所述尾轴斜锥外壁与所述外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；所述内筒体外壁与所述外筒体内壁之间形成第二间隙，作为旋转爆震加力燃烧室，所述内筒体内部为第三间隙，作为常规加力燃烧室。
4.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，当涡轮出口燃气的氧含量过低达不到爆震条件时，喷油腔可滑至与外筒体闭合的状态，此时只有常规加力燃烧室工作；当涡轮出口燃气的氧含量达到起爆条件后，喷油腔不与尾轴斜锥和外筒体闭合，并调节分流板的角度将一定的外涵气流引进旋转爆震加力燃烧室，此时旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室同时工作；当涡轮出口燃气的氧含量可以使爆震波稳定自持时，喷油腔可滑至与尾轴斜锥闭合的状态，此时只有旋转爆震加力燃烧室工作。
5.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，所述喷油腔包括沿所述内筒体径向布设的后壁、与所述后壁相交且沿所述内筒体长度方向延伸的底壁、与所述底壁相交并与内筒体长度方向成30度角的下侧壁和上侧壁、与所述上侧壁和后壁分别相交的上壁、与所述上壁和后壁分别相交的右侧壁；所述右侧壁和下侧壁上均设有喷油孔，用于向旋转爆震加力燃烧室和常规加力燃烧室供给燃油。
6.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，还包括V型火焰稳定器，所述V型稳定器分别沿周向和径向布设在常规加力燃烧室前端，其目的为建立稳定高温热源，使得火焰在加力燃烧室中稳定传播。
7.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，还包括射流点火装置，所述射流点火装置设置在内筒体前端壁面上，热射流造成的诱导流动可以强化爆震管内湍流流动，有利于爆震管内的火焰加速，从而形成旋转爆震波以完成快速起爆。
8.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，还包括溅油环和分流板，所述溅油环布设在尾轴斜锥坡底，与喷油腔形成扩压通道对燃气进行增压减速的同时，用于加速煤油雾化破碎；所述分流板与喷油腔前端相铰链，用于调整进入爆震加力燃烧室的外涵进气量。
9.根据权利1所述的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，还包括可调节角度的尾喷管，所述尾喷管可根据旋转爆震加力燃烧室的具体工作状态进行调节，以减少推力损失，提高加力燃烧室的增推性能。
10.根据权利1所述的的组合式旋转爆震加力燃烧室，其特征在于，无论是何种加力状态，为了满足加力燃烧室性能要求，外筒体的最大内径始终保持在250mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220510 |