CN114738117B - 一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机 - Google Patents

Abstract

一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，包括依次同轴设置的底座、配气外环、配气内环、氧化剂配气盘、燃料配气盘、燃烧室外壳、燃烧室内柱；底座的中心设有氧化剂进气通道，外周有燃料进气通道；配气内环设于配气外环内，内环通道输送氧化剂，外环通道输送燃料；氧化剂配气盘的内周上设有氧化剂阵列孔，外周设有燃料阵列孔；燃料配气盘上设有燃料喷射孔；燃烧室内柱设于燃烧室外壳内部且二者之间形成环形燃烧室，燃料喷射孔连通环形燃烧室；燃烧室内柱的底部与燃料配气盘配合形成有特斯拉阀喷注结构，特斯拉阀喷注结构包括氧化剂集气腔和氧化剂供给环缝，氧化剂供给环缝连通环形燃烧室和氧化剂集气腔，氧化剂集气腔连通氧化剂阵列孔。

Description

一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，尤其涉及一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机。

背景技术

总压增益是衡量旋转爆震发动机性能的关键性指标，同时也是制约其发展应用的难点。旋转爆震燃烧可以近似看作等容燃烧，其本身具有自增压特性，热效率较传统的等压燃烧方式高。国际上提出了许多评估旋转爆震压力增益的理论方法。但是由于燃烧室进气结构和气流掺混的不足，在实验中获取的压力增益往往是负值，无法体现其自增压优势。

国外方面，普渡大学对旋转爆震发动机进行了两种喷油器构型的试验，探讨了喷油器设计和燃烧室工作方式对发动机性能的影响。多指标分析表明，在燃烧室中交替产生单个爆震波或两个反传播波的相似操作条件下，其性能几乎相同。在测试条件范围内，测量到的最大压力增益仅为-42％。柏林工业大学探究了RDC中几何参数的变化对发动机运行和性能的影响，以空气/氢气为反应物，实验中获取的最大压力增益为-8％。国内方面，北京大学通过煤油/空气的仿真获取的总压增益为-2.31％。关于总压增益性能提升的技术途径急需探究。

常规旋转爆震燃烧室进气端通常由环形进气通道和燃料喷注孔组成。燃料和氧化剂通常通过非预混模式持续供给，并被周向传播的爆震波消耗。爆震波传播的速度在千米量级，当爆震波在燃烧室环腔内传播时，引起的压力突增会使爆震波扫过的区域反应物攻击中断，甚至可能导致暂时的逆流。使用喉道进气速度为依据，供气方案有两种方式。若使用音速进气方式，当爆震燃烧室进气喉道上游为亚音速气流时，在下游扩张通道易形成正激波，虽然可以有效抑制压力和反应产物的回传，但是激波造成的总压损失是难以接受的。若使用传统的亚音速进气方式，虽然进气速度小，损失较小，但又失去了抑制压力和反应物回传的能力。

旋转爆震燃烧室采用超音速进气方案可在喉道下游形成一道正激波，对起爆阶段预爆管形成的压力突增起到有效的隔离作用，保证空气正常填充；在爆震波传播过程中，前导激波的高压作用会使激波前移，燃料喷注孔将暴露于亚音速流场内，导致燃料喷注受到堵塞，但超音速进气方案所具备的高填充马赫数可在爆震波旋转一定角向距离后快速将激波推至设计位置，使得燃料喷注快速恢复，以确保充足的可爆新鲜混合层高度，使得爆震波可以自持传播。考虑到航发应用，其面临着进气总压损失大、整体增压性能急剧下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，采用环缝/阵列孔进行非预混进气，燃料配气盘与燃烧室内柱形成特斯拉阀喷注结构，一方面能够以环缝射流的方式为燃烧室提供燃料，另一方面能够实现压力回传的抑制，同时防止燃烧产物回流。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，包括依次同轴设置的底座、配气外环、配气内环、氧化剂配气盘、燃料配气盘、燃烧室外壳、燃烧室内柱；

所述底座的中心设有氧化剂进气通道，底座中心的外周周向分布有燃料进气通道；

所述配气内环设于配气外环内，配气内环的内环通道输送氧化剂，配气内环和配气外环之间形成的外环通道输送燃料；

所述氧化剂配气盘的内圆周上设有对应内环通道的氧化剂阵列孔，外圆周设有对应外环通道的燃料阵列孔；

所述燃料配气盘上设有与燃料阵列孔对应的燃料喷射孔；

所述燃烧室外壳连接点火装置，所述燃烧室内柱设于燃烧室外壳内部且二者之间形成环形燃烧室，所述燃料喷射孔连通环形燃烧室；所述燃烧室内柱的底部与燃料配气盘配合形成有特斯拉阀喷注结构，所述特斯拉阀喷注结构包括氧化剂集气腔和氧化剂供给环缝，所述氧化剂供给环缝连通环形燃烧室和氧化剂集气腔，所述氧化剂集气腔连通氧化剂阵列孔。

所述燃烧室内柱的底部向下延伸设有螺接座，所述燃料配气盘的中央为通孔，氧化剂配气盘的中央设有与螺接座对应的螺孔，螺接座穿过燃料配气盘中央的通孔与氧化剂配气盘通过螺纹连接。

所述氧化剂配气盘的中央设有向上凸出的连接部，所述氧化剂阵列孔和燃料阵列孔布设于该连接部上；所述燃料配气盘的中央设有向上凸出的连接座，所述燃料喷射孔设于该连接座上，且连接座的底部内凹以与氧化剂配气盘上凸出的连接部连接。

所述燃烧室内柱的底部中央设有固定柱，所述固定柱与底部边缘之间设有向内凹的弧形环面；所述燃料配气盘上设有与弧形环面适配的且与弧形环面有间隙的限位环，所述限位环的侧面设有向内凹的环形槽，所述环形槽内设有一与环形槽有间隙的固定环，所述限位环与弧形环面之间、以及环形槽与固定环之间共同形成所述氧化剂供给环缝；所述固定柱与燃料配气盘的中央通孔之间形成有氧化剂集气腔。

本发明还包括固定环，所述限位环的侧面设有向内凹的环形槽，所述固定环设于环形槽内。

所述底座、配气外环、氧化剂配气盘、燃料配气盘和燃烧室外壳的外周均设有对应的大螺孔，以将上述部件组装。

所述底座、配气内环和氧化剂配气盘上均设有对应的小螺孔，以将底座、配气内环和氧化剂配气盘组装。

所述燃烧室外壳设有用于安装压力传感器的固定座。

本发明各部件连接处均设有密封圈。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、氧化剂由氧化剂集气腔沿氧化剂供给环缝与燃烧室头部平面呈30°角射流，并与燃料配气盘圆周上的90个环向阵列的燃料喷射孔喷射的燃料进行高效掺混，高效的掺混对爆震波的稳定传播以及发动机的整体性能至关重要。

2、本发明在进气方式上采用了特斯拉阀喷注结构，此进气结构的分流通道断面为开放式端面，且逆向流动在出口处汇入正向流。将特斯拉阀气动构型应用于旋转爆震燃烧室进气部件，能够有效实现压力回传抑制的同时防止燃烧产物回流，从而降低反应物供应恢复的时间，进行持续稳定供应，提高发动机性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的分解结构示意图之一；

图3为本发明的分解结构示意图之二；

图4为本发明的剖面结构示意图；

图5为图4的局部放大图。

附图标记：底座1，配气外环2，配气内环3，氧化剂配气盘4，燃料配气盘5，燃烧室外壳6，燃烧室内柱7，氧化剂集气腔8，氧化剂供给环缝9，环形燃烧室10，氧化剂进气通道11，燃料进气通道12，内环通道31，外环通道32，氧化剂阵列孔41，燃料阵列孔42，通孔51，燃料喷射孔52，限位环53，固定环54，螺接座71，固定柱72，弧形环面73。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～5所示，本实施例一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，包括依次同轴设置的底座1、配气外环2、配气内环3、氧化剂配气盘4、燃料配气盘5、燃烧室外壳6、燃烧室内柱7；

所述底座1的中心设有一个氧化剂进气通道11，底座1中心的外周周向分布有四个燃料进气通道12，其余孔道为螺孔；

所述配气内环3设于配气外环2内，配气内环3的内环通道31输送氧化剂，配气内环3和配气外环2之间形成的外环通道32输送燃料；

所述氧化剂配气盘4的内圆周上设有对应内环通道31的氧化剂阵列孔41，外圆周设有对应外环通道32的燃料阵列孔42；

所述燃料配气盘5上设有与燃料阵列孔42对应的燃料喷射孔52；

所述燃烧室外壳6连接点火装置，且燃烧室外壳6设有用于安装压力传感器的固定座；

所述燃烧室内柱7设于燃烧室外壳6内部且二者之间形成环形燃烧室10，所述燃料喷射孔52连通环形燃烧室10；所述燃烧室内柱7的底部与燃料配气盘5配合形成有特斯拉阀喷注结构；

所述特斯拉阀喷注结构包括氧化剂集气腔8和氧化剂供给环缝9，所述氧化剂供给环缝9连通环形燃烧室10和氧化剂集气腔8，所述氧化剂集气腔8连通氧化剂阵列孔41；

本发明将特斯拉阀气动构型引入旋转爆震发动机结构设计，将反向流通能力弱的特斯拉阀气动构型作为进气部件，应用于旋转爆震燃烧组织部位，能够有效的抑制压力和燃烧产物的回传。

具体地，所述燃烧室内柱7的底部向下延伸设有螺接座71，所述燃料配气盘5的中央为通孔51，氧化剂配气盘4的中央设有与螺接座71对应的螺孔，螺接座71穿过燃料配气盘5中央的通孔51与氧化剂配气盘4通过螺纹连接。

所述氧化剂配气盘4的中央设有向上凸出的连接部，所述氧化剂阵列孔41和燃料阵列孔42布设于该连接部上；所述燃料配气盘5的中央设有向上凸出的连接座，所述燃料喷射孔52设于该连接座上，且连接座的底部内凹以与氧化剂配气盘4上凸出的连接部连接。

所述燃烧室内柱7的底部中央设有固定柱72，所述固定柱72与底部边缘之间设有向内凹的弧形环面73；所述燃料配气盘5的连接座上设有与弧形环面73适配的且与弧形环面73有间隙的限位环53，所述限位环53的侧面设有向内凹的环形槽，所述环形槽内设有一与环形槽有间隙的固定环54，所述限位环53与弧形环面73之间、以及环形槽与固定环54之间共同形成所述氧化剂供给环缝9；所述固定柱72与燃料配气盘5的中央通孔51之间形成有所述氧化剂集气腔8。

所述底座1、配气外环2、氧化剂配气盘4、燃料配气盘5和燃烧室外壳6的外周均设有对应的大螺孔，以将上述部件组装。

所述底座1、配气内环3和氧化剂配气盘4上均设有对应的小螺孔，以将底座1、配气内环3和氧化剂配气盘4组装。

考虑到气密性问题，每个部件相接的地方设计安装有密封圈。

燃料通过底座1上周向分布的燃料进气通道12进入配气内环3和配气外环2之间形成的外环通道32，氧化剂通过底座1中心的氧化剂进气通道11进入配气内环3的内环通道31后，再进入氧化剂集气腔8。具体地，本实施例中，氧化剂配气盘4内圆周上设有的40个氧化剂阵列孔41将配气内环3的氧化剂均匀送入氧化剂集气腔8，再从氧化剂集气腔8输送到氧化剂供给环缝9中；氧化剂配气盘4外圆周上设有90个燃料阵列孔42，燃料配气盘5也设有相对应的90个燃料喷射孔52，以将外环通道32的燃料通过这些孔均匀喷射到环形燃烧室10中，并与氧化剂充分混合。

更具体地，本实施例中，氧化剂供给环缝9以30°角与周向分布的燃料喷射孔52呈对射喷射进行掺混。

本发明是一种采用特斯拉气动阀喷注结构的新型旋转爆震发动机，特斯拉阀的分流通道为开放式端面，且逆向流动在出口处汇入正向流，通过分叉和射流冲击具备突出的流体回传抑制能力，将此气动阀结构引入选择爆震燃烧，强化反应物喷注的稳定性，气流掺混均匀性，从而提高旋转爆震燃烧的增压效益。

本发明通过环缝/阵列孔喷注实现燃烧室的反应物供应，燃烧室内柱和燃料配气盘形成特斯拉阀气动构型，可将燃烧产物经反向流通道引导至与正向流方向一致的主流通道上，进而缩短回传距离，降低进气恢复时间，大幅提高旋转爆震防回传效果，充分获取旋转爆震压力增益，从而实现发动机性能的提升。

Claims (8)

1.一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：包括依次同轴设置的底座、配气外环、配气内环、氧化剂配气盘、燃料配气盘、燃烧室外壳、燃烧室内柱；

所述底座的中心设有氧化剂进气通道，底座中心的外周周向分布有燃料进气通道；

所述配气内环设于配气外环内，配气内环的内环通道输送氧化剂，配气内环和配气外环之间形成的外环通道输送燃料；

所述氧化剂配气盘的内圆周上设有对应内环通道的氧化剂阵列孔，外圆周设有对应外环通道的燃料阵列孔；

所述燃料配气盘上设有与燃料阵列孔对应的燃料喷射孔；

所述燃烧室外壳连接点火装置，所述燃烧室内柱设于燃烧室外壳内部且二者之间形成环形燃烧室，所述燃料喷射孔连通环形燃烧室；所述燃烧室内柱的底部与燃料配气盘配合形成有特斯拉阀喷注结构，所述特斯拉阀喷注结构包括氧化剂集气腔和氧化剂供给环缝，所述氧化剂供给环缝连通环形燃烧室和氧化剂集气腔，所述氧化剂集气腔连通氧化剂阵列孔。

2.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述燃烧室内柱的底部向下延伸设有螺接座，所述燃料配气盘的中央为通孔，氧化剂配气盘的中央设有与螺接座对应的螺孔，螺接座穿过燃料配气盘中央的通孔与氧化剂配气盘通过螺纹连接。

3.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述氧化剂配气盘的中央设有向上凸出的连接部，所述氧化剂阵列孔和燃料阵列孔布设于该连接部上；所述燃料配气盘的中央设有向上凸出的连接座，所述燃料喷射孔设于该连接座上，且连接座的底部内凹以与氧化剂配气盘上凸出的连接部连接。

4.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述燃烧室内柱的底部中央设有固定柱，所述固定柱与底部边缘之间设有向内凹的弧形环面；所述燃料配气盘上设有与弧形环面适配的且与弧形环面有间隙的限位环，所述限位环的侧面设有向内凹的环形槽，所述环形槽内设有一与环形槽有间隙的固定环，所述限位环与弧形环面之间、以及环形槽与固定环之间共同形成所述氧化剂供给环缝；所述固定柱与燃料配气盘的中央通孔之间形成有所述氧化剂集气腔。

5.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述底座、配气外环、氧化剂配气盘、燃料配气盘和燃烧室外壳的外周均设有对应的大螺孔，以将上述部件组装。

6.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述底座、配气内环和氧化剂配气盘上均设有对应的小螺孔，以将底座、配气内环和氧化剂配气盘组装。

7.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：所述燃烧室外壳设有用于安装压力传感器的固定座。

8.如权利要求1所述的一种基于特斯拉阀进气结构的地面旋转爆震发动机，其特征在于：各部件连接处均设有密封圈。

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