CN114963239A - 一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利为一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，包括喷注装置、隔离环、中心内柱、燃烧室外环、尾锥。隔离环将燃烧室分为多个爆震燃烧腔，燃料与氧化剂经喷注装置进入燃烧室，充分掺混后，在多个爆震燃烧腔内爆震燃烧，有利于增大室压，提升推进性能。若以涡轮取代喷管，则可将高温高压燃气携带的能量提取后转化为轴功，可用于发电或驱动航空发动机或燃气轮机中的压气机对来流进行增压。此外，在爆震波稳定的临界工况附近，多个爆震燃烧腔交替工作，及时弥补某个爆震燃烧腔内爆震波熄灭造成的推力下降，稳定推力输出，保证旋转爆震燃烧装置工作的可靠性。本发明可用于喷气推进技术领域及发电领域。
Description
技术领域
本发明属于喷气推进技术领域及发电领域，具体为一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置。
背景技术
以旋转爆震燃烧为基础的燃烧装置称为旋转爆震燃烧装置，该燃烧装置具有热效率高、结构简单等潜在优点，近年来成为航空航天推进领域的研究热点。当前，国内外相关研究常在环型或空桶型的燃烧室中组织旋转爆震燃烧，在燃烧室头部形成一个或多个爆震波，并沿周向旋转传播，高温高压的燃烧产物从开口端排出，产生推力。
然而，旋转爆震燃烧的应用尚面临诸多挑战。例如，燃烧室通道曲率过大或高温高压燃烧产物回流会导致爆震波结构异常，爆震波径向膨胀影响较大，进而产生熄爆或燃烧不稳定现象，使得推力输出不稳定，装置运行不可控。此外，旋转爆震燃烧装置燃烧室的空间利用率低、室压不足等问题同样制约着旋转爆震燃烧的工程应用。
因此，针对上述面临的问题，设计一种可以有效利用燃烧室内部空间，同时能够稳定推力输出的装置就显得非常关键，本发明提出了一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，恰能满足要求，对旋转爆震燃烧方式的实际应用具有重要价值。
发明内容
要解决的技术问题
针对旋转爆震燃烧装置中时常发生熄爆或工作不稳定现象，且燃烧室内部空间利用率低、室压不足的问题，本发明提出了一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，通过燃烧室分级设计，优化燃烧室的空间利用，在环形燃烧室内形成多个爆震燃烧腔。两个或多个爆震燃烧腔可以一同起爆产生推力，增大室压，大幅提升推进性能；也可以一个爆震燃烧腔先起爆，当侧向膨胀影响过大、燃料供给不足等不利因素出现时，产生熄爆或爆震减弱现象，爆震波熄灭后会发生连续的缓燃燃烧，若要再次形成爆震，则需先停止燃料、氧化剂供给，待缓燃熄灭后再进行供给并点火，造成推力输出间断；而利用本发明，压力传感器可以及时响应，通过控制系统起爆另一爆震燃烧腔，及时弥补某个爆震燃烧腔内爆震波熄灭造成的推力下降，稳定推力输出，保证旋转爆震燃烧装置工作的可靠性。本发明可用于喷气推进技术领域及发电领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，包括喷注装置、隔离环、中心内柱、燃烧室外环、尾锥。
所述隔离环与中心内柱连接在喷注装置后部，将燃烧室分为多个部分(以两个部分为例进行说明)，形成爆震燃烧腔①和爆震燃烧腔②，实现分级分区爆震燃烧。
所述喷注装置包括多组周向均布的孔缝式喷注单元，一组喷注单元对应供给一个爆震燃烧腔，喷注单元①包括喷注孔①与环缝①，喷注单元②包括喷注孔②与环缝②，喷注孔出口位于环缝后部，可强化掺混；喷注孔在内圈，环缝在外圈，喷注孔的周向节距为喷注孔孔径的5～6倍。喷注单元①通向爆震燃烧腔①，在径向紧贴隔离环内壁面；喷注单元②通向爆震燃烧腔②，在径向紧贴燃烧室外环内壁面；因此，喷注出口在爆震燃烧腔进口壁面为偏置设计，确保燃料、氧化剂进入爆震燃烧腔后形成回流区，强化掺混过程，有利于爆震燃烧组织。所述喷注单元为环缝喷孔组合形式，在实际工作中，应当根据燃料、氧化剂的物性、供给流量等实际需求选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射等多种掺混方式。
所述隔离环为一圆柱环形结构，连接在喷注装置后部，中径为燃烧室外环内径的2/3，长度为燃烧室外环轴向长度的1/2～1/3，确保起到隔离爆震波的作用，且不影响燃烧室后部已燃气体的排出；中心内柱为一圆柱环形结构，连接在喷注装置后部，中径为燃烧室外环内径的1/3，长度为燃烧室外环轴向长度的1/2～1/3；爆震燃烧腔①为内环腔，爆震燃烧腔②为外环腔；在中心内柱距离其前端1/4轴向长度位置上，布置点火装置①；在中心内柱上，与点火装置①沿周向逆时针(或顺时针)相距60°处，布置传感器①，用于实时监测爆震波的强弱。
所述燃烧室外环的内径沿轴向在前1/2轴向长度范围内保持不变，在中后部逐渐减小，形成燃烧室外环收缩通道；在燃烧室外环距离其前端1/6轴向长度位置上，布置点火装置②；在燃烧室外环上，与点火装置②沿周向逆时针(或顺时针)相距45°处，布置传感器②，用于实时监测爆震波的强弱。
所述尾锥连接在中心内柱后部，其径向截面的半径沿轴向在前中部逐渐增大而后减小，在中后部收缩为一尖端；尾锥与燃烧室外环收缩段共同形成燃烧装置的喷管流道。
有益效果：
采用本发明提供的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，通过燃烧室分级分区设计，提高燃烧室的空间利用率，两个或多个爆震燃烧腔可一同产生推力，增大室压，大幅提升推进性能。若以涡轮取代喷管，则可将高温高压燃气携带的能量提取后转化为轴功，可用于发电或驱动航空发动机或燃气轮机中的压气机对来流进行增压。此外，在爆震波稳定的临界工况附近，两个或多个爆震燃烧腔交替工作，及时弥补某个爆震燃烧腔内爆震波熄灭造成的推力下降，稳定推力输出，保证旋转爆震燃烧装置工作的可靠性。本发明可用于喷气推进技术领域及发电领域。
附图说明
图1为本发明分级燃烧的旋转爆震燃烧装置总体结构示意图；
图2为本发明分级燃烧的旋转爆震燃烧装置主视图及其轴向半剖视图；
其中，1为点火装置②，2为压力传感器②，3为压力传感器①，4为点火装置①，5为喷注孔①，6为环缝①，7为喷注孔②，8为环缝②，9为爆震燃烧腔②，10为隔离环，11为爆震燃烧腔①，12为中心内柱，13为燃烧室外环，14为尾锥。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
参照图1～2，本发明为一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，包括喷注装置、隔离环10、中心内柱12、燃烧室外环13、尾锥14。其特征在于隔离环10与中心内柱12连接在喷注装置后部，将燃烧室分为多个部分(以两个部分为例进行说明)，形成爆震燃烧腔①11和爆震燃烧腔②9；尾锥14位于中心内柱12后，其与燃烧室外环13后部的收缩段共同形成喷管流道。
参照图2，燃料和氧化剂通过孔缝式喷注单元进入爆震燃烧腔内部，燃料喷注孔出口位于氧化剂环缝后部，有利于掺混；喷注出口在爆震燃烧腔进口壁面为偏置设计，确保燃料、氧化剂进入爆震燃烧腔后形成回流区，强化掺混过程，有利于爆震燃烧组织。所述喷注单元为环缝喷孔组合形式，在实际工作中，应当根据燃料、氧化剂的物性、供给流量等实际需求选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射等多种掺混方式。
实施例1：结合图2，工作时，位于中心内柱12上的点火装置①4和燃烧室外环13上的点火装置②1同时启动，在爆震燃烧腔①11与爆震燃烧腔②9中分别形成爆震波沿周向旋转传播，燃烧产物向下游排出；在装置的下游部分，尾锥14与燃烧室外环13收缩段共同形成喷管流道，已燃气体流动加速，在出口处实现完全膨胀。两个或多个爆震燃烧腔同时工作，提升推力，若以涡轮取代喷管，则可将高温高压燃气携带的能量提取后转化为轴功，可用于发电或驱动航空发动机或燃气轮机中的压气机对来流进行增压。
实施例2：结合图2，在中心内柱12与燃烧室外环13上设置有压力传感器①3与压力传感器②2，实时监测爆震燃烧腔内的压力变化，压力传感器与控制系统相连。工作时，燃料与氧化剂进入爆震燃烧腔内，位于中心内柱12上的点火装置①4或燃烧室外环13上的点火装置②1启动，仅一处爆震燃烧腔内产生沿周向旋转的爆震波，当侧向膨胀影响过大、燃料供给不足等不利因素出现时，爆震波处于其稳定的临界工况，可能产生熄爆或爆震减弱的现象，爆震波熄灭后会发生连续的缓燃燃烧，若要再次形成爆震，则需先停止燃料、氧化剂供给，待缓燃熄灭后再进行供给并点火，造成推力输出间断；而利用本发明，旋转爆震燃烧装置在遇到上述情况时，压力传感器及时响应，控制系统收到信号后，发出另一爆震燃烧腔点火装置启动的命令，新的爆震燃烧腔起爆，产生沿周向旋转的爆震波，及时弥补某个爆震燃烧腔内爆震波熄灭造成的推力下降，调控推力输出，保证旋转爆震燃烧装置工作的可靠性。
本发明对旋转爆震燃烧方式实际应用具有重要价值。在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。
Claims (6)
1.一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，包括喷注装置、隔离环、中心内柱、燃烧室外环、尾锥。其特征在于隔离环与中心内柱连接在喷注装置后部，将燃烧室分为多个部分(以两个部分为例进行说明)，形成爆震燃烧腔①和爆震燃烧腔②；尾锥位于中心内柱后，其与燃烧室外环后部的收缩段共同形成喷管流道。本发明通过分级分区爆震燃烧，增大室压，降低爆震波径向膨胀损失，可大幅提升推进性能。若以涡轮取代喷管，则可将高温高压燃气携带的能量提取后转化为轴功，可用于发电或驱动航空发动机或燃气轮机中的压气机对来流进行增压。此外，在爆震波稳定的临界工况附近，两个或多个爆震燃烧腔交替工作，及时弥补某个爆震燃烧腔内爆震波熄灭造成的推力下降，达到稳定推力输出以及保证旋转爆震燃烧装置工作可靠的目的。
2.根据权利要求1所述的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，其特征在于：喷注装置包括多组周向均布的孔缝式喷注单元，一组喷注单元对应供给一个爆震燃烧腔，喷注单元①包括喷注孔①与环缝①，喷注单元②包括喷注孔②与环缝②，喷注孔出口位于环缝后部，可强化掺混；喷注孔在内圈，环缝在外圈，喷注孔的周向节距为喷注孔孔径的5～6倍。喷注单元①通向爆震燃烧腔①，在径向紧贴隔离环内壁面；喷注单元②通向爆震燃烧腔②，在径向紧贴燃烧室外环内壁面；因此，喷注出口在爆震燃烧腔进口壁面为偏置设计，确保燃料、氧化剂进入爆震燃烧腔后形成回流区，强化掺混过程，有利于爆震燃烧组织。
3.根据权利要求2所述的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，其特征在于：喷注单元为环缝喷孔组合形式，在实际工作中，应当根据燃料、氧化剂的物性、供给流量等实际需求选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射等多种掺混方式。
4.根据权利要求1所述的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，其特征在于：隔离环为一圆柱环形结构，连接在喷注装置后部，中径为燃烧室外环内径的2/3，长度为燃烧室外环轴向长度的1/2～1/3，确保起到隔离爆震波的作用，且不影响燃烧室后部已燃气体的排出；中心内柱为一圆柱环形结构，连接在喷注装置后部，中径为燃烧室外环内径的1/3，长度为燃烧室外环轴向长度的1/2～1/3；爆震燃烧腔①为内环腔，爆震燃烧腔②为外环腔；在中心内柱距离其前端1/4轴向长度位置上，布置点火装置①；在中心内柱上，与点火装置①沿周向逆时针(或顺时针)相距60°处，布置传感器①，用于实时监测爆震波的强弱。
5.根据权利要求1所述的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，其特征在于：燃烧室外环的内径沿轴向在前1/2轴向长度范围内保持不变，在中后部逐渐减小，形成燃烧室外环收缩通道；在燃烧室外环距离其前端1/6轴向长度位置上，布置点火装置②；在燃烧室外环上，与点火装置②沿周向逆时针(或顺时针)相距45°处，布置传感器②，用于实时监测爆震波的强弱。
6.根据权利要求1所述的一种分级燃烧的旋转爆震燃烧装置，其特征在于：尾锥连接在中心内柱后部，其径向截面的半径沿轴向在前中部逐渐增大而后减小，在中后部收缩为一尖端；尾锥与燃烧室外环收缩段共同形成燃烧装置的喷管流道，实现流动加速，燃烧产物完全膨胀，达到提升推力的目的。
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