CN114811654B - 一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机 - Google Patents

一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，属于航空发动机技术领域，包括燃烧室进气腔、燃烧室外环组件以及燃烧室内锥，燃烧室外环组件包括焊接在一起的燃烧室底板、燃烧室外围边、燃烧室外管、燃烧室外环内壁和燃烧室挡板，燃烧室外环内壁上设有均布的多个喷注孔，多个喷注孔用于将循环空腔中的燃料喷注至燃烧室内锥形成的燃烧区域内。该冲压发动机将燃料的进给方向改为径向，使得燃料和氧化剂在燃烧室内发生径向对冲，实现了良好的掺混；并且燃料在燃烧室外环组件中的稳定循环同时可以对燃烧室内壁面进行自冷却，实现了爆震燃烧室长时间爆震状态的稳定工作，解决了爆震冲压发动机的长时间可靠工作的问题。

Description

一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机。
背景技术
航空航天领域竞争越来越激烈，对于空天领域关键革新技术的研究越来越引起各个国家的重视。近年来，伴随着对高超音速飞行器及单级入轨动力系统的研究的不断深入，新型连续旋转爆震发动机技术得到了快速的发展。研究表明，基于爆震燃烧的推进技术能够极大的减低燃油消耗，大幅度提高动力装置的比冲特性，对拓宽吸气式飞行器工作包线、提升现有武器装备经济性和作战性能具有重要的意义。作为一种可以弯道超车的领先技术，对其全面深入的研究显得更加的迫切。
连续旋转爆震发动机是一种利用爆震燃烧的动力技术，其特点及优势在于：(1)只需要一次成功起爆，爆震波即可沿燃烧室圆周方向连续传播；(2)燃烧速率快，放热强度大，燃烧室结构紧凑，可以缩短发动机长度；(3)具有增压特性，可以减少涡轮发动机压气机级数或降低冲压发动机进气道总压损失，有利于简化推进系统设计，提高发动机推重比；(4)可用吸气式模态或火箭式模态工作，工作范围可从亚声速到高马赫数的超声速变化。因此，连续旋转爆震发动机的研究逐渐引起了科技界的广泛关注。其中爆震燃烧室是爆震研究的重点对象。为了能够实现工程化，对其喷注形式进行了大量的研究，目前较多采用轴向进给燃料、氧化剂的形式，但是其掺混效果一般，多次试验过后也未见有明显提升，因此目前的研发思路已经向径向有角度进给燃料的方向进行。同时也对其燃烧室高温涂层研究、气膜冷却研究、水冷研究都进行了大量的验证工作。但是不论是气膜冷却还是水冷却，都需要额外的增加冷却介质和管路及其附件，与前沿技术要求的发动机紧凑布置和轻量化设计相违背。
当前对于连续旋转爆震发动机的研究取得了较多的成果和积累了比较多的经验，但是当前爆震燃烧室的燃料喷注孔孔径不可调，压力不稳定、单纯靠压力压注、爆震燃烧室工作温度过高，超过1500K，一般不锈钢材料无法进行长时间工作，并且燃料喷注孔径不可调，不同尺寸喷注孔需求场景需要对应加工多件不同零件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，所述冲压发动机包括用于氧化剂流入的燃烧室进气腔、用于燃料稳定循环的燃烧室外环组件以及用于形成燃烧区域的燃烧室内锥，所述燃烧室外环组件包括焊接在一起的燃烧室底板、燃烧室外围边、燃烧室外管、燃烧室外环内壁和燃烧室挡板，焊接在一起的燃烧室底板、燃烧室外围边、燃烧室外管、燃烧室外环内壁和燃烧室挡板形成用于燃料稳定循环的循环空腔，燃烧室外环内壁包裹在所述燃烧区域外侧，所述燃烧室外管设在所述燃烧室外环内壁外侧，所述燃烧室外围边和所述燃烧室挡板分别设置在循环空腔两端，所述燃烧室外围边固定在所述燃烧室底板上，所述燃烧室进气腔与所述燃烧室内锥分别固定在所述燃烧室底板的两侧，所述燃烧室底板与所述燃烧室进气腔形成用于氧化剂稳压的稳压腔，所述燃烧室底板上设有用于氧化剂进入燃烧区域的多个圆孔，所述燃烧室外围边上设有用于燃料的进入的燃料管，所述燃烧室外环内壁上设有均布的多个喷注孔，所述多个喷注孔用于将循环空腔中的燃料喷注至燃烧室内锥形成的燃烧区域内。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述燃烧室外环内壁位于所述循环空腔内的壁面上设有贯穿的沟槽。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述喷注孔设置在所述沟槽的底部。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述喷注孔的上部为贯穿燃烧室外环内壁的直孔，所述喷注孔的下部为喇叭孔。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述直孔和所述喇叭孔的轴线重合。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述喷注孔的轴线与所述燃烧室外环内壁的主轴线的夹角为90°-180°。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述燃料管在燃烧室外围边上切向布置。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述多个圆孔均布在所述燃烧室底板上。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述燃烧室进气腔和燃烧室底板通过焊接或法兰固定。
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，还具有这样的特征，所述燃烧室内锥和所述燃烧室底板通过焊接、螺接或增材一体成型固定。
有益效果
本发明所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机将燃料的进给方向改为径向，燃料喷注方向与氧化剂喷注方向夹角在90°-180°之间，使得燃料和氧化剂在燃烧室内发生径向对冲，实现了良好的掺混；并且燃料在燃烧室外环组件中的稳定循环同时可以对燃烧室内壁面进行自冷却，实现了爆震燃烧室长时间爆震状态的稳定工作，解决了爆震冲压发动机的长时间可靠工作的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机的剖面图；
图2为本发明实施例所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机的外形图；
图3为本发明实施例所提供的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机的立体图；
图4为本发明实施例所提供的燃烧室外环内壁剖视图；
图5为本发明实施例所提供的燃烧室外环内壁外形图；
图6为本发明实施例所提供的燃烧室外环内壁立体图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
本发明实施例提供了一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，如图1-图6所示，冲压发动机包括用于氧化剂流入的燃烧室进气腔1、用于燃料稳定循环的燃烧室外环组件以及用于形成燃烧区域的燃烧室内锥7，燃烧室外环组件包裹在燃烧室内锥7外侧，燃烧室外环组件包括焊接在一起的燃烧室底板2、燃烧室外围边3、燃烧室外管4、燃烧室外环内壁5和燃烧室挡板6，焊接在一起的燃烧室底板2、燃烧室外围边3、燃烧室外管4、燃烧室外环内壁5和燃烧室挡板6形成用于燃料稳定循环的循环空腔，燃烧室外环内壁5包裹在燃烧区域外侧，燃烧室外管4设在燃烧室外环内壁5外侧，燃烧室外围边3和燃烧室挡板6分别设置在循环空腔两端，燃烧室外围边3固定在燃烧室底板2上，燃烧室进气腔1与所述燃烧室内锥7分别固定在燃烧室底板2的两侧，燃烧室底板2与燃烧室进气腔1形成用于氧化剂稳压的稳压腔，燃烧室底板2上设有用于氧化剂进入燃烧区域的多个圆孔，燃烧室外围边3上设有用于燃料的进入的燃料管31，燃烧室外环内壁5上设有均布的多个喷注孔51，多个喷注孔51用于将循环空腔中的燃料喷注至燃烧室内锥7形成的燃烧区域内。
在上述实施例中，将燃料的进给方向改为径向，使得燃料和氧化剂在燃烧室内发生径向对冲，实现了良好的掺混；氧化剂和燃料腔均设置有稳压结构，轴向及径向均布的喷注孔也会起到均流效果。如此设计改善了传统的自流掺混方式；并且燃料在燃烧室外环组件中的稳定循环同时可以对燃烧室内壁面进行自冷却，实现了爆震燃烧室长时间爆震状态的稳定工作，解决了爆震冲压发动机的长时间可靠工作的问题。并且可以根据需求调整组合孔轴向分布的数量以及周向均布的夹角，利用此变化改变氧化剂和燃料的配比。
在部分实施例中，燃烧室底板2、燃烧室外围边3、燃烧室外管4、燃烧室外环内壁5、燃烧室挡板6这几个零件可以焊接或增材制造一体成型，因其存在的腔室结构可以使得燃料在其内部进行流动循环，一方面可以降低燃烧室工作时的极限温度，在设计燃烧室结构时可以选用更加经济的材料来进行试验，另一方面燃烧室工作产生的高温也为燃料提供了温度，使得燃料（如航空煤油）在工作时获得更好的燃烧效率。
在部分实施例中，如图6所示，燃烧室外环内壁5位于循环空腔内的壁面上设有贯穿的沟槽52。沟槽52的设置使得燃料在稳压腔内的循环更加平稳均匀。
在部分实施例中，喷注孔51设置在沟槽52的底部。
在部分实施例中，喷注孔51的上部为贯穿燃烧室外环内壁5的直孔，喷注孔51的下部为喇叭孔。
在部分实施例中，直孔和喇叭孔的轴线重合。
在部分实施例中，喷注孔51的轴线与燃烧室外环内壁5的主轴线的夹角为90°-180°。该夹角可以恰好使得经过喷注孔的燃料直面氧化剂的冲击，使得燃料及氧化剂形成更好地掺混。
在部分实施例中，燃料管31在燃烧室外围边3上切向布置。切向布置的燃料管可以使得燃料在稳压腔内切向流入，更利于燃料在稳压腔内的循环。
在部分实施例中，多个圆孔均布在所述燃烧室底板2上。
在部分实施例中，燃烧室进气腔1和燃烧室底板2通过焊接或法兰固定。
在部分实施例中，燃烧室内锥7和燃烧室底板2通过焊接、螺接或增材一体成型固定。
上述实施例的工作流程：
氧化剂由燃烧室进气腔1进入，在稳压腔内使得氧化剂来流更加稳定，通过燃烧室底板2上的均布的圆孔轴向向燃烧区域注入，燃料通过燃烧室外围边3的切向布置的燃料管31进入循环空腔，在沟槽52内稳定循环后，通过均布在燃烧室外环内壁5上的喷注孔51径向由角度360°向燃烧室注入，燃料喷注方向与氧化剂喷注方向夹角在90°～180°之间，实现良好掺混。在此同时点火装置工作，使得燃烧室内形成连续旋转的爆震波，在爆震波前后有不断连续的掺混好的燃料和氧化剂为爆震提供，从而产生持续稳定的推力。完成燃烧工作状态后，先停止供给燃油，外接燃油管路的惰性气体气嘴电磁阀通电开始工作，气体吹扫燃料腔，将多余的燃油扫除干净，高压气体将残余燃料从燃烧室尾部喷口喷出，对燃烧室壁面进行短暂冷却降温，一个完整的工作循环结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述冲压发动机包括用于氧化剂流入的燃烧室进气腔、用于燃料稳定循环的燃烧室外环组件以及用于形成燃烧区域的燃烧室内锥，
所述燃烧室外环组件包括焊接在一起的燃烧室底板、燃烧室外围边、燃烧室外管、燃烧室外环内壁和燃烧室挡板，焊接在一起的燃烧室底板、燃烧室外围边、燃烧室外管、燃烧室外环内壁和燃烧室挡板形成用于燃料稳定循环的循环空腔，燃烧室外环内壁包裹在所述燃烧区域外侧，所述燃烧室外管设在所述燃烧室外环内壁外侧，所述燃烧室外围边和所述燃烧室挡板分别设置在循环空腔两端，所述燃烧室外围边固定在所述燃烧室底板上，
所述燃烧室进气腔与所述燃烧室内锥分别固定在所述燃烧室底板的两侧，所述燃烧室底板与所述燃烧室进气腔形成用于氧化剂稳压的稳压腔，所述燃烧室底板上设有用于氧化剂进入燃烧区域的多个圆孔，
所述燃烧室外围边上设有用于燃料的进入的燃料管，
所述燃烧室外环内壁上设有均布的多个喷注孔，所述多个喷注孔用于将循环空腔中的燃料喷注至燃烧室内锥形成的燃烧区域内；
所述燃烧室外环内壁位于所述循环空腔内的壁面上设有贯穿的沟槽；
所述喷注孔设置在所述沟槽的底部。
2.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述喷注孔的上部为贯穿燃烧室外环内壁的直孔，所述喷注孔的下部为喇叭孔。
3.根据权利要求2所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述直孔和所述喇叭孔的轴线重合。
4.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述喷注孔的轴线与所述燃烧室外环内壁的主轴线的夹角为90°-180°。
5.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述燃料管在燃烧室外围边上切向布置。
6.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述多个圆孔均布在所述燃烧室底板上。
7.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述燃烧室进气腔和燃烧室底板通过焊接或法兰固定。
8.根据权利要求1所述的径向供油的稳压均流自冷却连续旋转爆震冲压发动机，其特征在于，所述燃烧室内锥和所述燃烧室底板通过焊接、螺接或增材一体成型固定。
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