CN114746700B

CN114746700B - 旋转爆震燃烧和热交换器系统

Info

Publication number: CN114746700B
Application number: CN202080083783.8A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·厄尔·戴森; 托马斯·迈克尔·拉维尔图; 莎拉·玛丽·莫纳汉; 卡皮尔·库马尔·辛; 文卡特·埃斯沃鲁·坦吉拉拉; 约耳·迈耶·海恩斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: US20210164660A1; WO2021113465A1; CN114746700A; US11255544B2

Abstract

提供了一种旋转爆震燃烧(RDC)系统(100)。RDC包括各自围绕中心线轴线(117)延伸的第一外壁(118)和第二外壁(119)，以及形成在第二外壁(119)的径向内侧的爆震室(122)。燃料通道(105)在第一外壁(118)和第二外壁(119)之间延伸，燃料通道(105)包括靠近后端(99)的第一入口开口(115)，燃料流(192)通过第一入口开口被接收到燃料通道(105)中。燃料流(192)通过燃料通道(105)从RDC系统(100)的后端(99)提供到前端(98)，并提供到爆震室(122)。

Description

旋转爆震燃烧和热交换器系统

优先权信息

本申请要求于2019年12月3日提交的美国专利申请序列号16/701,521的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本主题大体涉及推进系统中的连续爆震系统。

背景技术

许多推进系统(例如燃气涡轮发动机)是基于布雷顿循环，其中空气被绝热压缩，热量在恒定压力下添加，产生的热气体在涡轮中膨胀，并且热量在恒定压力下被排出。高于驱动压缩系统所需的能量然后可用于推进或其他工作。这种推进系统通常依靠爆燃燃烧来燃烧燃料/空气混合物，并产生在燃烧室内以相对缓慢的速率和恒定压力行进的燃烧气体产物。虽然基于布雷顿循环的发动机通过部件效率的稳步提高以及压力比和峰值温度的增加而达到高水平的热力学效率，但仍欢迎进一步的改进。

因此，已通过修改发动机架构来寻求发动机效率的改进，使得燃烧以连续模式作为爆震发生。高能点火引爆燃料/空气混合物，其转变为爆震波(即与反应区紧密耦合的快速移动冲击波)。相对于反应物的声速，爆震波在大于声速的马赫数范围内传播。燃烧产物以相对于爆震波的声速和显著升高的压力跟随爆震波。这样的燃烧产物然后可以通过喷嘴排出以产生推力或旋转涡轮。

然而，爆震燃烧相对于爆燃燃烧产生极高的热负载。此外，相对于爆燃燃烧，爆震燃烧通常需要更高的燃料温度来进行爆震。因此，与爆燃燃烧系统相比，需要衰减高热负载在爆震燃烧系统中的有害影响的系统。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。

本公开的方面涉及一种旋转爆震燃烧(RDC)系统，该系统限定后端和前端，爆震气体在后端处离开，氧化剂流在前端处进入，RDC系统包括：第一外壁和第二外壁，第一外壁和第二外壁各自围绕中心线轴线延伸；爆震室，爆震室形成在第二外壁的径向内侧；以及燃料通道，燃料通道在第一外壁和第二外壁之间延伸。燃料通道包括靠近后端的第一入口开口，燃料流通过第一入口开口被接收到燃料通道中，并且燃料流通过燃料通道从RDC系统的后端提供到前端。

本公开的另一方面涉及一种热发动机，该热发动机包括压缩机区段，压缩机区段被构造为向旋转爆震燃烧(RDC)系统提供氧化剂流，其中RDC系统包括后端和前端，爆震气体在后端处离开爆震室，氧化剂流在前端处进入爆震室。RDC系统包括各自围绕中心线轴线延伸的第一外壁和第二外壁。爆震室形成在第二外壁的径向内侧。燃料通道在第一外壁和第二外壁之间延伸。燃料通道包括靠近后端的第一入口开口，燃料流通过第一入口开口被接收到燃料通道中。燃料流通过燃料通道从RDC系统的后端提供到前端。燃料注入器定位在RDC系统的前端，与燃料通道和爆震室流体连通。

通过参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：

图1是根据本公开的示例性实施例的包括旋转爆震燃烧系统的热发动机的示意图；

图2是根据本公开的方面的旋转爆震燃烧系统的示例性实施例的示意图；

图3是根据本公开的方面的旋转爆震燃烧系统的另一个示例性实施例的示意图；

图4是根据本公开的方面的示例性旋转爆震燃烧系统的爆震室的立体图；

图5是根据本公开的方面的旋转爆震燃烧系统的示例性实施例的立体图；

图6是根据本公开的方面的旋转爆震燃烧组件和热交换器的示例性实施例的一部分的示例性实施例；

图7是根据本公开的方面的旋转爆震燃烧组件和热交换器的另一个示例性实施例的一部分的示例性实施例。

在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的这些修改和变化。

如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。

术语“前”和“后”是指推进系统或运载器内的相对位置，并且是指推进系统或运载器的正常操作姿态。例如，对于推进系统，前是指更靠近推进系统入口的位置，而后是指更靠近推进系统喷嘴或排气口的位置。

术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。

在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被标识并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以彼此独立地组合。

本文提供了用于旋转爆震燃烧的系统的实施例。本文提供的实施例可以衰减由于在爆震室中的爆震燃烧而导致的高热负载所产生的热应力。本文提供的系统包括爆震室衬里，该衬里包括限定穿过其中的燃料流动通道的外壁，该燃料流动通道提供与在爆震室处产生的高热负载热连通的燃料流。燃料流通过衬里壁与爆震室中的爆震气体流体隔离。然后将加热的燃料流提供给燃料注入器，其中加热的燃料与压缩的氧化剂(在本文中可互换地称为空气或氧化剂)混合。加热的燃料流进一步调节燃料以在爆震室处提供改进的爆震波。

本文提供的系统的实施例还可以包括被构造为基于爆震室处的期望热传递和/或操作条件来期望地控制一种或多种燃料流的燃料特性(例如，燃料流率、压力、温度、粘度、密度等)的控制器、计算机系统、计算机实施的方法、传感器、阀或热交换器。因此，本文提供的系统的实施例可以提供用于衰减旋转爆震燃烧结构(例如限定爆震室的外壁)处的热应力的系统，以及用于改进爆震燃烧质量(例如爆震胞格尺寸和/或数量)的系统，以便在爆震室处提供期望的持续爆震波。

现在参考图1，提供了包括旋转爆震燃烧(RDC)系统100的实施例的热发动机102的示例性实施例的示意图。热发动机102通常被构造为推进系统、发电系统或涡轮机。更具体地，热发动机102通常包括入口或压缩机区段104和出口或涡轮区段106。在各种实施例中，RDC系统100定位在压缩机区段104的下游。在一些实施例中，例如关于图1所描绘的，RDC系统100定位在涡轮区段106的上游。在操作期间，气流91可以被提供到压缩机区段104的入口108，其中这样的气流91通过一个或多个压缩机被压缩，每个压缩机可以包括压缩机转子叶片和压缩机定子轮叶的一个或多个交替级。然而，在各种实施例中，压缩机区段104可限定喷嘴，气流91在流向RDC系统100时通过该喷嘴被压缩。这样的实施例可以包括冲压发动机或超燃冲压发动机应用，使得气流91的压缩可以至少部分地基于进入发动机102的入口或压缩机区段104的气流91的速度。

如以下将更详细讨论的，来自压缩机区段104的压缩空气92然后可提供给RDC系统100，其中压缩空气92可与液体和/或气体燃料93混合并在爆震室122中引爆，以产生燃烧产物132(图2-3)。燃烧产物132然后可以流到出口或涡轮区段106，其中一个或多个涡轮可以从燃烧产物中提取动能/旋转能。与压缩机区段104内的压缩机一样，涡轮区段106内的每个涡轮可以包括涡轮转子叶片和涡轮定子轮叶的一个或多个交替级。然而，在各种实施例中，涡轮区段106可以限定膨胀区段，爆震气体132通过该膨胀区段膨胀并提供来自RDC系统100的推进推力。这样的实施例可以包括冲压发动机或超燃冲压发动机应用。在仍然各种实施例中，燃烧气体或产物132然后可以从涡轮区段106流过例如排气喷嘴，以产生用于热发动机102的推力。

如将理解的，在限定涡轮机的发动机102的某些实施例中，由燃烧产物132产生的涡轮区段106内的涡轮的旋转通过一个或多个轴或线轴110传递，以驱动压缩机区段104内的压缩机。在各种实施例中，压缩机区段104可以进一步限定例如用于涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机或桨扇发动机构造的螺旋桨或风扇区段112，以便推动空气穿过RDC系统100和涡轮区段106外部的旁通流动路径。

应当理解，图1中示意性地描绘的热发动机102仅作为示例提供。在某些示例性实施例中，热发动机102可以包括压缩机区段104内的任何合适数量的压缩机、涡轮区段106内的任何合适数量的涡轮，并且还可以包括适合用于机械连结压缩机、涡轮和/或风扇的任何数量的轴或线轴110。类似地，在其他示例性实施例中，热发动机102可以包括任何合适的风扇区段，其风扇由涡轮区段106以任何合适的方式驱动。例如，在某些实施例中，风扇可以直接连结到涡轮区段106内的涡轮，或者替代地，可以由涡轮区段106内的涡轮跨动力齿轮箱驱动。此外，螺旋桨或风扇区段112可以是可变螺距风扇、固定螺距风扇、管道式风扇(即，热发动机102可包括围绕风扇区段的外机舱)、非管道式风扇或螺旋桨风扇，或可以具有任何其他合适的构造。

此外，还应当理解，RDC系统100可以进一步结合到任何其他合适的航空推进系统中，例如超音速推进系统、高超音速推进系统、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、冲压发动机、超燃冲压发动机等，或其组合，例如联合循环推进系统。此外，在某些实施例中，RDC系统100可结合到非航空发电系统，例如陆基发电推进系统、航改推进系统、辅助动力单元等。此外，在某些实施例中，RDC系统100还可以结合到任何其他合适的发电系统、推进系统或运载器，例如有人驾驶或无人驾驶飞行器、火箭、导弹、运载火箭等。对于后面实施例中的一个或多个，推进系统可以不包括压缩机区段104或涡轮区段106，而是可以简单地包括分别通往和离开RDC系统100的会聚和/或发散流动路径。例如，涡轮区段106通常可以限定流过其中的燃烧产物132通过其产生推力的喷嘴。

仍然参考图1，发动机102包括燃料系统170，燃料系统170被构造为向RDC系统100的爆震室122提供液体和/或气体燃料流191。燃料系统170通常包括燃料储存单元。燃料系统170的实施例还可包括热交换器、减氧单元或脱氧装置、用于调节燃料流动速率的阀或其他控制机构、或阻尼器。发动机102还包括燃料歧管140。例如关于图2-3进一步示出和描述的，燃料歧管140被构造成将燃料流(经由箭头192示意性地示出)从燃料系统170提供到RDC系统100。

现在参考图2-3，提供了RDC系统100的实施例的侧视示意图，该RDC系统100可以结合到关于图1所示和描述的热发动机102的示例性实施例中。如图所示，RDC系统100大致限定热发动机102可共有的纵向中心线轴线116、相对于纵向中心线轴线116的径向方向R、相对于纵向中心线轴线116的周向方向C(见例如图4)、以及纵向方向L。RDC系统100相对于通过RDC系统100的爆震气体132流限定前端98和后端99。更具体地，RDC系统100可以相对于随着爆震气体132流向发动机102的膨胀或涡轮区段106而增加的爆震气体132的热负载限定前端98和后端99。前端98仍可以具体限定为靠近其压缩空气92进入RDC系统100的第一端，并且后端99仍可以具体限定为远离第一端或靠近其爆震气体132离开RDC系统100的第二端。

在各种实施例中，RDC系统100包括各自沿与RDC中心线轴线117同向的轴向方向A延伸的第一外壁118、第二外壁119和内壁120。壁118、119、120各自围绕RDC系统100的中心线轴线117周向延伸。应当理解，在某些实施例中，中心线轴线117与关于图1所描绘的发动机102的中心线轴线116同轴。在其他实施例中，中心线轴线117限定RDC系统100相对于发动机102的中心线轴线116的锐角，或例如限定一个或多个爆震罐或燃烧罐，多个爆震罐或燃烧罐可定位成至少部分地周向围绕中心线轴线116。附加地或替代地，关于图2-3描绘的轴向方向A可以与关于图1描绘的纵向方向L同向。此外，虽然壁118、119、120被描绘为基本上沿轴向方向A延伸，但应当理解，壁118、119、120中的一个或多个可以相对于中心线轴线117至少部分地径向延伸或弯曲。

爆震室122限定在第二外壁119和内壁120之间，在爆震室122处提供燃料93和压缩空气92并使其引爆，例如本文进一步描述的。燃料通道105在RDC系统100的前端98和后端99之间在第一外壁118和第二外壁119之间延伸。在某些实施例中，燃料通道105例如沿轴向方向A至少部分地与第一外壁118和第二外壁119同向延伸。燃料通道105包括外壁118、119的后端99处或附近的第一入口开口115。在某些实施例中，燃料通道105包括第一外壁118的后端99处的第一入口开口115，其可操作地联接到燃料歧管140以接收从燃料系统170进入燃料通道105的第一燃料流192。第一燃料流192通过燃料通道105从RDC系统100的后端99提供到前端98。

仍然参考图2-3，第一外壁118和第二外壁119一起将第一燃料流192与爆震室122流体分离。在RDC系统100的前端98处(即，在相对于进入RDC系统100的压缩空气92流的上游端处，如箭头124所示)，包括燃料注入器开口128的燃料注入器152定位成与燃料通道105流体连通。燃料注入器152可操作地联接在燃料通道105的前端98处或附近，以通过燃料注入器开口128将燃料流192的至少一部分提供到爆震室122，例如经由箭头93示意性地示出。在一个实施例中，例如关于图2所描绘的，燃料注入器152作为一个或多个支柱或轮叶沿径向方向R延伸并且连接到内壁120。在另一个实施例中，例如关于图3所描绘的，燃料注入器152作为沿径向方向R部分地延伸的一个或多个支柱延伸。关于图2-3，燃料注入器开口128可以被构造成向爆震室122提供基本上轴向的燃料93流。然而，应当理解，在仍然各种实施例中，燃料注入器开口128可以被构造成例如通过外壁119至少部分地沿径向方向R提供燃料93流。

简要地参考图4，图4提供了爆震室122(没有燃料注入器开口128)的立体图，应当理解，RDC系统100在操作期间产生爆震波130。爆震波130在RDC系统100的周向方向C上传播，消耗进入的燃料/氧化剂混合物132并在燃烧的膨胀区域136内提供高压区域134。燃烧的燃料/氧化剂混合物138(即，爆震气体)离开爆震室122并被排出。

更具体地，应当理解，RDC系统100是爆震型燃烧器，从爆震的连续波130中获得能量。对于爆震燃烧器，例如本文公开的RDC系统100，与燃烧相比，燃料/氧化剂混合物132的燃烧实际上是爆震，燃烧在传统的爆燃型燃烧器中是典型的。因此，爆燃和爆震之间的主要区别与火焰传播机制有关。在爆燃中，火焰传播是通常通过传导从反应区到新鲜混合物的热传递的函数。相比之下，对于爆震燃烧器，爆震是冲击诱发的火焰，这导致反应区和冲击波的耦合。冲击波压缩并加热新鲜混合物132，使这种混合物132增加到高于自燃点。另一方面，爆震释放的能量有助于爆震冲击波130的传播。此外，在连续爆震的情况下，爆震波130以连续方式围绕爆震室122传播，以相对高的频率操作。此外，爆震波130可以使得爆震室122内的平均压力高于典型燃烧系统(即，爆燃燃烧系统)内的平均压力。

因此，爆震波130后面的区域134具有非常高的压力。如将从以下讨论中理解的，RDC系统100的燃料注入器152被设计成防止爆震波130后面的区域134内的高压在上游方向上流动，即流到进入的燃料/氧化剂混合物132流中。

简要地参考图5，大体提供了RDC系统100的实施例的立体图。关于图5描述的实施例的构造与关于图1-4所示和描述的基本类似。在图5中，燃料通道105沿轴向方向A并围绕中心线轴线117(例如围绕爆震室122)周向地和轴向地(即，螺旋地)延伸。在各种实施例中，例如关于图1-4所描述的，燃料通道105的至少一部分被构造为相对于通过爆震室122的爆震气体132流沿轴向方向A以逆流布置来提供燃料流192。因此，燃料流192通过燃料通道105朝向第一轴向方向提供，与沿第二轴向方向通过爆震室122的爆震气体132流相对。

简要地参考图6-7，大体提供了RDC系统100的部分的实施例。在某些实施例中，燃料通道105可以沿轴向方向A向前和向后延伸。在图6中，燃料通道105可以相对于轴向方向A以锐角(例如螺旋地(例如，例如关于图5所描绘的))延伸。在图7中，燃料通道105可以在前端98和后端99之间来回延伸，以便提供蛇形结构。在各种实施例中，RDC系统100包括在第一外壁118和第二外壁119之间延伸的内壁121，以便在朝向前端98和后端99延伸的部分之间分离流体通道105，或将流体通道105分成两个或更多个通道。

参考图1-5，在RDC系统100的操作期间，液体和/或气体燃料通过燃料通道105从燃料系统170提供到RDC系统100的后端或下游端126(即，相对于通过爆震室122的爆震气体132流的下游)。燃料流192是散热器，在该散热器处，热能通过外壁118、119从爆震室122中的爆震气体132传递到燃料通道105中的燃料流192。特别地，燃料流192被引到外壁118、119的经受比外壁118、119的其他部分更高的热负载的部分。随着燃料流192流向RDC系统100的前端或上游端124(即，相对于通过爆震室122的爆震气体132流的上游)，减小量值的热能被传递到燃料流192，因为与下游端126相比，外壁118、119处的热负载通常朝向上游端124较小。

应当理解，燃料流192可以提供优于其他散热器流体的益处。在一些情况下，燃料可以比空气、氧化剂或惰性气体具有更好的保温能力，从而燃料可以改进外壁118、119处的冷却。在又一些情况下，可通过在与压缩空气93混合并引爆以形成爆震气体132之前在燃料中具有更高量值的热能或热量来改进爆震燃烧。在一些情况下，加热的燃料可能需要较少的输入能量来激发爆震室122处的爆震。在又一些情况下，加热的燃料可以提高爆震质量，以便提供期望的爆震胞格宽度或数量，这可以提高跨爆震室122的容积的爆震的可持续性。在各种实施例中，燃料系统170向燃料通道105提供脱氧燃料流，以便在燃料192被外壁118、119加热时减轻燃料通道105或燃料注入器152内的焦化。

返回参考图2-5，在某些实施例中，RDC系统100还可以包括燃料旁通回路144，燃料旁通回路144被构造为从燃料通道105排出至少一部分燃料流，例如经由箭头193示意性地示出。在仍然某些实施例中，燃料旁通回路144包括排出阀145，排出阀145被构造为选择性地允许一部分燃料流192排出燃料通道105并绕过燃料注入器开口128(例如经由箭头193所示)，而不是进入燃料注入器152并从其中排出到爆震室122(例如经由箭头93所示)。排出阀145可以允许选择性地控制进入爆震室122的燃料93的温度。在一些实施例中，排出阀145控制通过燃料通道105的燃料的压力和/或流率，以便期望地改变燃料流192与外壁118、119热连通的时间量。

参考图1-2，燃料系统170包括热交换器，该热交换器被构造成接收从燃料通道105排出或绕过的该部分燃料流193。燃料系统170处的热交换器提供与散热器流体182热连通的燃料流193，以便从从外壁118、119接收的燃料流193中去除至少一部分热能。在某些实施例中，发动机102包括燃料旁通回路144，燃料旁通回路144被构造成提供从燃料系统170到RDC系统100的前端或上游端124处的燃料通道105的流体连通。例如，燃料旁通回路144可以被构造成使最初绕过燃料注入器开口128(经由箭头193示意性地描绘)，并引导至与散热器流体182热连通的燃料系统170处的热交换器的至少一部分燃料流返回。经温度调节的燃料流(经由箭头195示意性地描绘)从燃料系统170处的热交换器排出，并且返回到靠近前端124的燃料通道105。

应当理解，燃料系统170的各种实施例包括阀或其他压力或流动控制装置。在某些实施例中，例如关于图1所描绘的，发动机102包括排出阀145，该排出阀145定位成控制在前端124处返回到燃料通道105的燃料流195的量、压力、流率或温度。

在其他实施例中，例如关于图1、3和5所描绘的，RDC系统100包括定位在旁通供应导管142处的旁通供应阀143。旁通供应导管142定位成与靠近RDC系统100的前端124的燃料通道105流体连通。旁通供应阀143流体地定位在燃料系统170和燃料通道105之间，以便提供至少部分地或基本上绕过燃料通道105的燃料流，例如经由箭头196示意性地描绘。

在某些实施例中，RDC系统100包括在RDC系统100的前端124处或附近与燃料通道105流体连通的前气室150。简要参考图5，在各种实施例中，前气室150至少部分地或基本上围绕中心线轴线117周向延伸。在又一些实施例中，RDC系统100包括在RDC系统100的后端126处或附近与燃料通道105流体连通的后气室160。在各种实施例中，后气室160至少部分地或基本上围绕中心线轴线117(例如围绕爆震室122)周向延伸。参考图1-3和图5，在各种实施例中，前气室150被构造为收集来自燃料通道105的燃料流192，以便在通过燃料注入器开口128排出燃料流93之前提供燃料流192的基本均匀的压力或温度分布。在各种实施例中，后气室160被构造为收集来自燃料系统170的燃料流191，以便将燃料分配到一个或多个燃料通道105，或在进入燃料通道105之前提供燃料流191的基本均匀的压力或温度分布。燃料流191的基本均匀的周向压力或温度分布可以允许燃料通道105处的燃料流192基本均匀地接收来自外壁118、119的热负载或热传递，以便减轻外壁118、119处的温度的周向变化。

特别返回参考图3和5，在某些实施例中，旁通供应导管142被构造成提供燃料系统170和前气室150之间的流体连通。旁通供应阀143定位在在燃料系统170和前气室150之间流体连通的旁通供应导管142处。燃料系统170，或特别是旁通供应阀143，选择性地控制进入前气室150的燃料流196的压力或流率，该燃料流196绕过燃料通道105并与来自燃料通道105的燃料流192混合，使得排出到爆震室122的燃料流93具有期望的温度。

在某些实施例中，允许通过燃料通道105的燃料流192从外壁118、119接收与外壁118、119处的热衰减所需的一样多的热能，以便减轻外壁118、119处的结构劣化、磨损或热应力。另外，绕过燃料通道105的燃料流196通常限定比从外壁118、119接收热能的燃料流192更低的温度。燃料系统170，或特别是旁通供应阀143，选择性地允许绕过燃料通道105的较冷燃料流196在前气室150处与来自燃料通道105的燃料流192混合，以便期望地调节在爆震室122处与压缩空气92混合的燃料流93的温度。燃料流93的温度的期望调节是至少部分地基于RDC系统100或发动机102的期望操作条件(例如，进入RDC系统100的压缩空气92的压力、流率和/或温度，来自爆震气体132的期望输出推力或能量，至少基于在爆震室122处维持期望爆震的期望的爆震胞格尺寸或数量，或其组合)。

返回参考图1，结合图2-7，RDC系统100还包括控制器，该控制器被构造为单独地或与两个或更多个燃料喷嘴结合地调节、调整或以其他方式期望地提供通过燃料喷嘴的燃料或燃料/氧化剂混合物。通常，控制器210可以对应于任何合适的基于处理器的装置，包括一个或多个计算装置。例如，图1示出了可以包括在控制器210内的合适部件的一个实施例。如图1所示，控制器210可以包括被构造为执行各种计算机实施的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)的处理器212和相关联的存储器214。如本文所用，术语“处理器”不仅指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他可编程电路。另外，存储器214通常可以包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件或其组合。在各种实施例中，控制器210可以限定全权限数字发动机控制器(FADEC)、螺旋桨控制单元(PCU)、发动机控制单元(ECU)或电子发动机控制(EEC)中的一个或多个。

如图所示，控制器210可以包括存储在存储器214中的控制逻辑216。控制逻辑216可以包括指令，该指令在由一个或多个处理器212执行时，使一个或多个处理器212进行操作，例如用于操作RDC系统100以减轻RDC系统100处(例如，外壁118、119处)的热应力并在爆震室处提供旋转爆震燃烧的步骤。

另外，如图1所示，控制器210还可以包括通信接口模块230。在若干实施例中，通信接口模块230可以包括用于发送和接收数据的相关联电子电路。因此，控制器210的通信接口模块230可用于向发动机102和RDC系统100发送数据和/或从发动机102和RDC系统100接收数据。此外，通信接口模块230还可以用于与发动机102的任何其他合适的部件通信，该部件包括被构造成确定、计算、修改、替换、表达、调节或以其他方式提供到爆震室122的期望燃料特性和/或氧化剂特性(包括但不限于流体流率、流体压力、流体温度、流体密度、流体雾化等)的任何数量的传感器(例如，传感器221、222、223)、阀或流动控制装置(例如，阀142、143、145)、孔口等。应当理解，通信接口模块230可以是合适的有线和/或无线通信接口的任何组合，并因此可以经由有线和/或无线连接通信地联接到RDC系统100和发动机102的一个或多个部件。因此，控制器210可以获得、确定、存储、生成、传输或操作用于操作诸如本文所述的RDC系统100，或系统101，发动机102或发动机102附接到其上的设备(例如，飞行器)，或与RDC系统100、系统101和/或热发动机102通信的基于地面、空中或卫星的设备(例如，分布式网络)的方法的任何一个或多个步骤。

返回参考图1，在某些实施例中，RDC系统100被包括作为用于操作旋转爆震燃烧系统的系统101。系统101可以在限定爆震室的一个或多个壁处提供热衰减，例如关于图1-7示出和描述的。系统101可以进一步向与氧化剂混合的燃料流提供期望的燃料特性，以在爆震室处提供爆震波。如本文所述，期望的燃料特性可包括通过RDC系统的燃料流(例如，进入爆震室122的燃料流93)的燃料温度、压力、蒸汽压力、流率、粘度、密度、雾化或期望物理特性中的一个或多个。应当理解，系统101的各种实施例包括计算机系统或计算机实施的方法，例如包括控制器210，阀143、145或诸如本文进一步描述的传感器221、222、223中的一个或多个。

返回参考图1，发动机102可包括第一传感器221，第一传感器221定位在燃料通道105处的RDC系统100的后端126处或附近。第一传感器221被构造为获得、测量、计算或以其他方式接收和提供基本上在燃料通道105上游的燃料流(例如，燃料流192)的第一燃料特性。例如，第一传感器221可以定位在后气室160处、燃料系统170处或燃料歧管140处。

发动机102还可以包括第二传感器222，第二传感器222定位在RDC系统100的前端124处或附近，或以其他方式位于燃料通道105的远端处。第二传感器222与第一传感器221类似地构造，以接收和提供基本在燃料通道105下游的燃料流的第二燃料特性。例如，第二传感器222可以定位在前气室150处或燃料注入器152处。

传感器221、222通信地且可操作地联接到控制器210，阀143、145和燃料系统170，以便提供输入从而期望地控制进入爆震室122的燃料流93的燃料特性。在RDC系统100的操作期间，第一传感器221被构造为接收燃料流192的第一参数中的一个或多个，其中第一参数是第一燃料特性。第二传感器222被构造为接收燃料流192的第二参数中的一个或多个，其中第二参数是第二燃料特性。

在发动机102和RDC系统100的某些实施例中，控制器210被构造为接收第一参数和第二参数，并确定来自燃料系统170的燃料流191的输出燃料特性(例如，燃料流率、燃料压力、燃料温度等)。控制器210命令来自燃料系统170的燃料特性的改变，使得至少基于爆震室122处的操作条件来调节测量的第一参数。爆震室122处的操作条件包括例如基于在爆震室122处引爆的压缩空气92和燃料93产生的热负载。附加地或替代地，控制器210命令来自燃料系统170的燃料特性的改变，使得基于进入爆震室122的燃料流93的期望燃料特性来调节测量的第二参数。第二参数的期望变化是至少部分地基于爆震室122处的爆震波130的期望爆震胞格数量、尺寸或其他性能因素。

在又一些实施例中，控制器210被构造为改变旁通供应阀143的操作位置，以便允许或限制与来自燃料通道105的加热的燃料流192混合的燃料195的量。旁通供应阀143期望地在0％和100％的范围之间打开或关闭，以便期望地改变来自第二传感器222的测量的第二参数。此外，旁通供应阀143可以基本上独立于改变第一参数来期望地改变第二参数。例如，燃料系统170可以以第一特性提供燃料流191，以便最大化向燃料通道105内的燃料流192的热传递。此外，旁通供应阀143可以联结以提供燃料流195，限定燃料流192通过燃料通道105的较低温度，以便期望地改变排出燃料通道105和燃料注入器开口128的燃料流的第二特性。

在各种实施例中，RDC系统100包括第三传感器223，第三传感器223被构造为接收和提供绕过燃料通道105的燃料流195的第三特性。在各种实施例中，第三传感器223定位在旁通供应管道142处，以便接收包括要至少部分地与来自燃料通道105的燃料流192混合的燃料流195的第三特性的第三参数。第三传感器223还可以与旁通供应阀143可操作地连通，以便期望地改变包括排出燃料注入开口128的燃料流93的第二特性的第二参数。

在另一个实施例中，排出阀145被构造为基于燃料流93的期望第二特性将加热的燃料流192的至少一部分从燃料通道105旁通到燃料系统170处的热交换器，如本文所述。这样，传感器221、222、223中的一个或多个可操作地构造为接收和提供燃料特性，以便至少部分地确定应该期望地从燃料注入器152旁通到燃料系统170的加热的燃料流192的量，以在返回前气室150(例如经由箭头195所示)之前将至少一些热能传递到散热器流体182。

在一个实施例中，传感器221、222、223与控制器210可操作地通信。控制器210被构造为提供信号以调节、表达、变化、改变或以其他方式调节一个或多个控制装置或阀143、145的位置，从而期望地改变如本文所述的一个或多个燃料特性。在另一实施例中，传感器221、222、223直接连接成经由控制电路225与一个或多个控制装置或阀143、145或燃料系统170可操作地通信，以便提供信号来调节如本文所述的燃料特性。

在各种实施例中，系统101或RDC系统100或发动机102被构造为选择性地打开旁通供应阀143，以将第二燃料流(例如燃料流195)与第一燃料流(例如，燃料流192)混合，从而产生包括离开燃料注入器开口128的燃料流93的第二特性的期望的第二参数。在某些实施例中，系统被构造成选择性地打开旁通供应阀143，以在第一燃料流高于第一阈值时将第二燃料流与第一燃料流混合。在各种实施例中，第一阈值对应于燃料流192的蒸汽压力、最大期望温度或其他燃料特性。

在仍然某些实施例中，系统被构造为选择性地关闭旁通供应阀143，以在第一燃料流低于第二阈值时仅从燃料注入器开口128排出第一燃料流(例如，燃料流192)。在各种实施例中，第二阈值对应于燃料流的最小期望温度。最小期望温度可以对应于爆震室处的爆震燃烧或期望的爆震燃烧质量所必需的最低条件。最大期望温度可以对应于燃料通道105处的最大允许热负载或向燃料流192的热传递。最大期望温度可以对应于燃料焦化温度或其他燃料特性。

关于图1-7示出和描述的实施例可以包括关于一个附图示出或描述的并且不一定关于另一附图示出或描述的元件、特征、参考数字、细节或操作方法。还应理解，为了清楚起见，一个或多个附图可以省略某些特征。此外，为了清楚起见，元件、特征、参考数字、细节或操作方法的描述或描绘可以分布在两个或更多个附图中。应当理解，除非另有说明，否则关于一个附图示出或描述的元件、特征、参考数字、细节或方法适用于本文提供的任何或所有其他附图。因此，本文关于两个或更多个附图示出或描述的元件、特征、参考数字、细节或方法的组合可以构成本公开范围内的实施例，如同在单个附图中一起描绘一样。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：

1.一种旋转爆震燃烧系统，所述系统限定后端和前端，爆震气体在所述后端处离开，氧化剂流在所述前端处进入，所述RDC系统包括：第一外壁和第二外壁，所述第一外壁和所述第二外壁各自围绕中心线轴线延伸；爆震室，所述爆震室形成在所述第二外壁的径向内侧；燃料通道，所述燃料通道在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸，其中所述燃料通道包括靠近所述后端的第一入口开口，燃料流通过所述第一入口开口被接收到所述燃料通道中，并且其中所述燃料流通过所述燃料通道从所述RDC系统的所述后端提供到所述前端。

2.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述第一外壁和所述第二外壁一起将所述燃料流与所述爆震室流体分离。

3.根据本文中任何条项所述的RDC系统，包括：燃料注入器，所述燃料注入器与所述燃料通道流体连通，其中所述燃料流的至少一部分排出所述燃料注入器到所述爆震室中。

4.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述燃料注入器定位在所述系统的所述前端处。

5.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述燃料通道围绕所述中心线轴线至少部分地周向延伸。

6.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述燃料通道围绕所述中心线轴线螺旋地延伸。

7.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述燃料通道的至少一部分被构造为相对于所述爆震室中的爆震气体流以逆流布置来提供所述燃料流。

8.根据本文中任何条项所述的RDC系统，包括：旁通供应阀，所述旁通供应阀定位在所述RDC系统的所述前端处，其中，所述旁通供应阀被构造为选择性地向所述燃料注入器提供第二燃料流。

10.根据本文中任何条项所述的RDC系统，包括：前气室，所述前气室以串行流动布置定位在所述燃料通道和所述燃料注入器之间，所述前气室相对于所述中心线轴线至少部分地周向延伸。

11.根据本文中任何条项所述的RDC系统，包括：燃料旁通回路，所述燃料旁通回路与所述前气室流体连通，其中所述燃料旁通回路被构造为将所述燃料流的至少一部分从燃料注入器开口排出到所述爆震室中。

12.根据本文中任何条项所述的RDC系统，进一步包括：排出阀，所述排出阀定位在所述燃料旁通回路处，其中所述排出阀被构造为通过所述燃料旁通回路从所述前气室选择性地排出所述燃料流。

13.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述第一外壁和所述第二外壁一起限定靠近所述后端的与所述第一入口开口流体连通的后气室，其中所述气室在所述第一外壁和所述第二外壁之间环形延伸。

14.根据本文中任何条项所述的RDC系统，进一步包括在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸的内壁，其中所述内壁进一步至少部分地沿所述轴向方向延伸，并且其中所述内壁将所述燃料通道分离成两个或更多个燃料通道。

15.根据本文中任何条项所述的RDC系统，其中，所述第一外壁限定通过其中的所述第一入口开口，所述第一入口开口与所述燃料通道流体连通。

16.一种包括根据本文中任何条项所述的RDC的热发动机，所述热发动机包括：压缩机区段，所述压缩机区段被构造为向旋转爆震燃烧(RDC)系统提供氧化剂流；所述旋转爆震燃烧(RDC)系统，所述旋转爆震燃烧(RDC)系统限定后端和前端，爆震气体在所述后端处离开爆震室，所述氧化剂流在所述前端处进入所述爆震室，所述RDC系统包括各自围绕中心线轴线延伸的第一外壁和第二外壁；其中所述爆震室形成在所述第二外壁的径向内侧；其中燃料通道在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸，所述燃料通道包括靠近所述后端的第一入口开口，燃料流通过所述第一入口开口被接收到所述燃料通道中，并且其中所述燃料流通过所述燃料通道从所述RDC系统的所述后端提供到所述前端；以及燃料注入器，所述燃料注入器定位在所述RDC系统的所述前端处，与所述燃料通道和所述爆震室流体连通。

17.根据本文中任何条项所述的热发动机，包括：旁通供应阀，所述旁通供应阀定位在所述RDC系统的所述前端处；以及控制电路，所述控制电路包括：第一传感器，所述第一传感器被构造为接收所述第一燃料流的第一参数中的一个或多个；以及第二传感器，所述第二传感器被构造为接收所述第二燃料流的第二参数中的一个或多个，其中所述控制电路将所述第一参数和所述第二参数提供给所述旁通供应阀，所述旁通供应阀被构造为至少基于所述第一参数和所述第二参数选择性地向所述燃料注入器提供所述第二燃料流。

18.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述第一参数和所述第二参数各自对应于相应燃料流的温度。

19.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述控制电路被构造为选择性地打开所述旁通供应阀，以将所述第二燃料流与所述第一燃料流混合，从而产生对应于从所述燃料注入器排出的燃料流的第三参数。

20.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述控制电路被构造为在所述第一燃料流高于第一阈值时，选择性地打开所述旁通供应阀，以将所述第二燃料流与所述第一燃料流混合。

21.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述第一阈值对应于所述燃料流的蒸汽压力。

22.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述第一阈值对应于所述燃料流的最大期望温度。

23.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述控制电路被构造为在所述第一燃料流低于第二阈值时，选择性地关闭所述旁通供应阀，以仅从所述燃料注入器排出所述第一燃料流。

24.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述第二阈值对应于所述燃料流的最小期望温度。

25.根据本文中任何条项所述的热发动机，其中，所述控制电路包括控制器，所述控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，所述一个或多个存储器被构造为存储指令。

26.一种用于操作根据任何前述条项所述的旋转爆震燃烧系统的计算机系统。

27.一种推进系统，包括根据任何前述条项所述的RDC系统。

28.一种用于操作旋转爆震燃烧系统的方法，所述方法包括根据任何前述条项所述的控制器的一个或多个操作。

Claims

1.一种旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，所述系统限定后端和前端，爆震气体在所述后端处离开，氧化剂流在所述前端处进入，所述旋转爆震燃烧(RDC)系统包括：

第一外壁和第二外壁，所述第一外壁和所述第二外壁各自围绕中心线轴线延伸；

爆震室，所述爆震室形成在所述第二外壁的径向内侧；

燃料通道，所述燃料通道在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸，其中所述燃料通道包括靠近所述后端的第一入口开口，燃料流通过所述第一入口开口被接收到所述燃料通道中，并且其中所述燃料流通过所述燃料通道从所述旋转爆震燃烧(RDC)系统的所述后端提供到所述前端；

前气室，所述前气室以串行流动布置定位在所述燃料通道和燃料注入器之间，所述前气室相对于所述中心线轴线至少部分地周向延伸；

燃料旁通回路，所述燃料旁通回路与所述前气室流体连通，其中所述燃料旁通回路被构造为将所述燃料流的至少一部分从燃料注入器开口排出到所述爆震室中；以及

排出阀，所述排出阀定位在所述燃料旁通回路处，其中所述排出阀被构造为通过所述燃料旁通回路从所述前气室选择性地排出所述燃料流。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述第一外壁和所述第二外壁一起将所述燃料流与所述爆震室流体分离。

3.根据权利要求1或2所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，包括：

燃料注入器，所述燃料注入器与所述燃料通道流体连通，其中所述燃料流的至少一部分通过所述燃料注入器从所述燃料通道排出到所述爆震室中。

4.根据权利要求3所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述燃料注入器定位在所述系统的所述前端处。

5.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述燃料通道围绕所述中心线轴线至少部分地周向延伸，或者其中，所述燃料通道围绕所述中心线轴线螺旋地延伸。

6.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述燃料通道的至少一部分被构造为相对于所述爆震室中的爆震气体流以逆流布置来提供所述燃料流。

7.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，包括：

旁通供应阀，所述旁通供应阀定位在所述旋转爆震燃烧(RDC)系统的所述前端处，其中，所述旁通供应阀被构造为选择性地向所述燃料注入器提供第二燃料流。

8.根据权利要求1所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述第一外壁和所述第二外壁一起限定靠近所述后端的与所述第一入口开口流体连通的后气室，其中所述气室在所述第一外壁和所述第二外壁之间环形延伸。

9.根据权利要求8所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，进一步包括在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸的内壁，其中所述内壁进一步至少部分地沿轴向方向延伸，并且其中所述内壁将所述燃料通道分离成两个或更多个燃料通道。

10.根据权利要求1或2所述的旋转爆震燃烧(RDC)系统，其特征在于，其中，所述第一外壁限定通过其中的所述第一入口开口，所述第一入口开口与所述燃料通道流体连通。

11.一种热发动机，其特征在于，所述热发动机包括：

压缩机区段，所述压缩机区段被构造为向旋转爆震燃烧(RDC)系统提供氧化剂流；

所述旋转爆震燃烧(RDC)系统，所述旋转爆震燃烧(RDC)系统限定后端和前端，爆震气体在所述后端处离开爆震室，所述氧化剂流在所述前端处进入所述爆震室，所述旋转爆震燃烧(RDC)系统包括各自围绕中心线轴线延伸的第一外壁和第二外壁；

其中所述爆震室形成在所述第二外壁的径向内侧；

其中燃料通道在所述第一外壁和所述第二外壁之间延伸，所述燃料通道包括靠近所述后端的第一入口开口，燃料流通过所述第一入口开口被接收到所述燃料通道中，并且其中所述燃料流通过所述燃料通道从所述旋转爆震燃烧(RDC)系统的所述后端提供到所述前端；以及

燃料注入器，所述燃料注入器定位在所述旋转爆震燃烧(RDC)系统的所述前端处，与所述燃料通道和所述爆震室流体连通，

其中，所述旋转爆震燃烧(RDC)系统包括：

前气室，所述前气室以串行流动布置定位在所述燃料通道和所述燃料注入器之间，所述前气室相对于所述中心线轴线至少部分地周向延伸；

12.根据权利要求11所述的热发动机，其特征在于，包括：

旁通供应阀，所述旁通供应阀定位在所述旋转爆震燃烧(RDC)系统的所述前端处；以及

控制电路，所述控制电路包括：

第一传感器，所述第一传感器被构造为接收第一燃料流的第一参数中的一个或多个；以及

第二传感器，所述第二传感器被构造为接收第二燃料流的第二参数中的一个或多个，其中所述控制电路将所述第一参数和所述第二参数提供给所述旁通供应阀，所述旁通供应阀被构造为至少基于所述第一参数和所述第二参数选择性地向所述燃料注入器提供所述第二燃料流。