CN115355543B - 一种复合型旋转爆震燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复合型旋转爆震燃烧装置，包括外环喷注装置、外环点火装置、外环流道、外环出口、中心喷注装置、中心点火装置、中心流道、中心出口、混合室和环形导流锥。该燃烧装置工作时，分别在外环流道与中心流道形成旋转爆震波，沿周向传播，燃烧产物分别沿径向向内侧和外侧膨胀。在燃烧装置外径的1/4～3/4处，布置有环形导流锥，燃烧产物通过环形导流锥改变流动方向，向燃烧装置下游流动，直接排出产生推力或驱动涡轮输出轴功，该轴功可用于发电或驱动高压涡轮带动压气机转动等。本发明通过分区组织爆震燃烧，可大幅提高旋转爆震燃烧装置的空间利用率，有利于室压建立，提升做功能力，增强燃烧装置工作可靠性。本发明可用于爆震燃烧及航空航天推进技术领域。

Description

一种复合型旋转爆震燃烧装置

技术领域

本发明涉及爆震燃烧及航空航天推进技术领域，具体为一种复合型旋转爆震燃烧装置。

背景技术

相比常规推进装置采用的缓燃燃烧，爆震燃烧具有能量释放速率快、熵增低和自增压等潜在优势，旋转爆震燃烧不需要反复点火，具有连续工作和推力输出稳定等优点。因此，采用旋转爆震燃烧的燃烧装置成为近年来航空航天领域的研究热点。

旋转爆震燃烧装置燃烧室主要分为环形燃烧室、空筒形燃烧室及盘式燃烧室。对于盘式燃烧室，燃料和氧化剂由燃烧装置外围布置的喷注器沿径向供给，旋转爆震波沿周向传播，波后已燃气体通过流道沿轴向排出产生推力；相比于环形燃烧室和空筒形燃烧室，盘式燃烧室轴向长度更短，并且与离心压气机和涡轮的匹配性更好。

然而，采用盘式燃烧室的燃烧装置的工程应用还面临许多挑战。传统盘式燃烧装置中旋转爆震波仅在外环处沿周向传播，已燃气体沿径向至中心处向开口端排出，燃烧装置中心附近区域并未组织燃烧，不利于室压的建立；仅在燃烧装置外围喷注，喷注范围小，无法组织全域燃烧，燃烧装置空间利用率低，不能充分利用燃烧装置头部端面，难以满足高推重比发动机较高的推力需求。此外，盘式旋转爆震燃烧装置中爆震波在弯曲通道内传播会降低爆震波强度，径向膨胀使爆震波传播不稳定甚至熄爆，燃烧装置稳定工作范围窄。因此，针对上述问题，本发明提出一种复合型旋转爆震燃烧装置。

发明内容

要解决的技术问题：

针对盘式燃烧装置内经常出现的工作不稳定和熄爆现象以及燃烧装置内部空间利用率低、室压较低的问题，本发明提出了一种复合型旋转爆震燃烧装置，对盘式旋转爆震燃烧装置进行优化改进。通过对燃烧装置进行分区燃烧设计，提高燃烧装置空间利用率，在盘式旋转爆震燃烧装置形成两个旋转爆震区。在两个旋转爆震区内同时组织旋转爆震燃烧，可以增大推力、提高室压，大幅提升推进性能。另外，旋转爆震区可交替工作，当爆震波径向膨胀损失较为严重时，爆震波强度减弱不足以维持自持传播，从而出现熄爆现象，燃烧装置内未燃混气就会发生缓燃。当缓燃结束后再重新进行供给并点火，才能重新形成爆震波，使燃烧装置工作不连续。本发明可通过压力传感器实时监测燃烧装置中爆震波强度，当出现上述情况时可直接起爆另一旋转爆震区，及时稳定推力输出，提高盘式旋转爆震燃烧装置工作可靠性。本发明可用于爆震燃烧及航空航天推进技术领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合型旋转爆震燃烧装置，包括外环喷注装置、外环点火装置、外环流道、外环出口、中心喷注装置、中心点火装置、中心流道、中心出口、混合室和环形导流锥。

所述燃烧装置分为外环旋转爆震区和中心旋转爆震区，其中，外环旋转爆震区包括外环喷注装置、外环流道和外环出口，燃料和氧化剂由外环喷注装置进入外环流道组织旋转爆震燃烧，燃烧产物自外环出口进入混合室；中心旋转爆震区包括中心喷注装置、中心流道和中心出口，燃料和氧化剂由中心喷注装置进入中心流道组织旋转爆震燃烧，燃烧产物自中心出口进入混合室。两个旋转爆震区独立工作，各自的燃烧产物在混合室中混合并排出。

所述外环喷注装置和中心喷注装置分别位于燃烧装置外径的3/4和1/4处，根据燃料/氧化剂的物性、供给流量选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射中的任意一种掺混方式，燃料和氧化剂充分混合后进入外环流道与中心流道，确保旋转爆震燃烧稳定组织。

所述中心流道内径不小于23倍爆震波胞格尺寸λ，确保爆震波可以在中心流道和外环流道稳定传播，其中λ根据实际工作中燃料种类、供给压力和供给温度确定。

所述环形导流锥将燃烧装置分为外环旋转爆震区和中心旋转爆震区，其位于复合型燃烧装置外径的1/4～3/4处，任意周向位置的截面为曲边四边形结构，轴向长度与流道宽度相同，确保外环流道与中心流道的爆震波互不干扰，改变燃烧产物流动方向。

所述外环点火装置和中心点火装置布置在燃烧装置头部端面，分别位于外环流道与中心流道径向长度1/2处的某一位置，启动后，可分别点燃外环流道与中心流道中的反应物，形成旋转爆震波，沿周向传播，在每个点火装置周向逆时针相距45°～90°处设置传感器，用于实时监测爆震波强弱。

有益效果：

采用本发明提供的一种复合型旋转爆震燃烧装置，通过对燃烧装置进行分区燃烧设计，提高燃烧装置空间利用率，在盘式旋转爆震燃烧装置形成两个旋转爆震区。两个旋转爆震区同时起爆可以增大推力，提高室压，在燃烧装置后加装喷管可使气体充分膨胀，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。另外，旋转爆震区可交替工作，当单个旋转爆震区工作不稳定时，推力下降，可及时启动另一个旋转爆震区，稳定推力输出，防止燃烧装置工作间断，保证复合型旋转爆震燃烧装置工作的可靠性。本发明可用于爆震燃烧及航空航天推进技术领域。

附图说明

图1为本发明复合型旋转爆震燃烧装置轴向剖面图；

图2为本发明复合型旋转爆震燃烧装置加装喷管轴向剖面图；

其中，1为中心燃料腔，2为中心氧化剂腔，3为中心点火装置，4为中心喷注装置，5为中心流道，6为外环点火装置，7为中心出口，8为外环氧化剂腔，9为外环喷注装置，10为外环燃料腔，11为外环流道，12为外环出口，13为环形导流锥，14为混合室，15为喷管。

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，本发明为一种复合型旋转爆震燃烧装置，包括外环喷注装置9、外环流道11、外环出口12、中心喷注装置4、中心流道5、中心出口7、混合室14、点火装置3、6和环形导流锥13。其特征在于在燃烧装置外径的1/4～3/4处设有环形导流锥13，将燃烧装置分为外环旋转爆震区和中心旋转爆震区，两个旋转爆震区独立工作，燃烧装置可选择单独一个旋转爆震区工作或两个旋转爆震区同时工作，大幅提高燃烧装置工作性能和可靠性，在燃烧装置后加装喷管可使气流充分膨胀加速，提高推进性能。

参照图1，燃料和氧化剂通过中心喷注装置4和外环喷注装置9进入中心流道5和外环流道11，组织形成旋转爆震波。在实际工作中，根据燃料、氧化剂的物性、供给流量选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射中的任意一种掺混方式。

实施例1：结合图1，该型燃烧装置可用于替换燃气涡轮发动机的主燃烧装置。工作时，中心点火装置3和外环点火装置6同时启动，未燃混气在中心流道5和外环流道11分别形成爆震波沿周向传播。已燃气体沿径向流动至燃烧装置外径的1/4～3/4处，经环形导流锥改变流动方向沿轴向排出，在燃烧装置后加装涡轮，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/燃气轮机中的压气机对来流进行增压。

实施例2：结合图2，当该型燃烧装置直接用于推进时，在燃烧装置尾部加装喷管15，形成收缩扩张流道，已燃气体在流道内流动加速，在出口处实现完全膨胀，大幅提高推进性能。

此外，以上两个实施例均可两个旋转爆震区交替工作。在中心流道5和外环流道11分别设有压力传感器，实时监测旋转爆震区内的压力变化，可通过中心点火装置3或外环点火装置6仅启动一个旋转爆震区，产生沿周向传播的旋转爆震波。当径向膨胀对爆震波影响过大，爆震波强度减弱或者出现熄爆等不稳定工作现象时，燃烧装置会出现缓燃现象，若要重新形成爆震波则需停止燃料氧化剂供给，待缓燃熄灭后再进行供给并点火使得推力输出间断，燃烧装置工作不连续。而本发明可通过压力传感器及时响应，通过控制系统直接起爆另一旋转爆震区，及时弥补某个旋转爆震区内爆震波熄灭造成的推力下降，稳定推力输出，使燃烧装置工作更加可靠。

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和优化。

Claims (6)

1.一种复合型旋转爆震燃烧装置，包括外环喷注装置、外环点火装置、外环流道、外环出口、中心喷注装置、中心点火装置、中心流道、中心出口、混合室和环形导流锥，环形导流锥将所述复合型旋转爆震燃烧装置分为外环旋转爆震区和中心旋转爆震区，其中，外环旋转爆震区包括外环喷注装置、外环点火装置、外环流道和外环出口，燃料和氧化剂由外环喷注装置进入外环流道组织旋转爆震燃烧，燃烧产物自外环出口进入混合室；中心旋转爆震区包括中心喷注装置、中心点火装置、中心流道和中心出口，燃料和氧化剂由中心喷注装置进入中心流道组织旋转爆震燃烧，燃烧产物自中心出口进入混合室，两个旋转爆震区独立工作，各自的燃烧产物在混合室中混合并排出。

2.根据权利要求1所述的一种复合型旋转爆震燃烧装置，其特征在于：外环喷注装置和中心喷注装置分别位于燃烧装置外径的3/4和1/4处，外环喷注装置与中心喷注装置根据燃料/氧化剂的物性、供给流量选择同轴离心、环缝喷孔、孔孔撞击或高速射流引射中的任意一种掺混方式，燃料和氧化剂充分混合后进入外环流道与中心流道，确保旋转爆震燃烧稳定组织。

3.根据权利要求1所述的一种复合型旋转爆震燃烧装置，其特征在于：中心流道内径不小于23倍爆震波胞格尺寸λ，确保爆震波可以在中心流道和外环流道稳定传播，其中λ根据实际工作中燃料种类、供给压力和供给温度确定。

4.根据权利要求1所述的一种复合型旋转爆震燃烧装置，其特征在于：环形导流锥位于燃烧装置外径的1/4～3/4处，其任意周向位置的截面为曲边四边形结构，轴向长度与流道宽度相同，确保外环流道与中心流道的爆震波互不干扰，环形导流锥可改变燃烧产物流动方向，使其沿轴向排出产生推力或者驱动高压涡轮做功。

5.根据权利要求1所述的一种复合型旋转爆震燃烧装置，其特征在于：外环点火装置和中心点火装置分别布置在外环流道与中心流道径向长度1/2处某一位置，启动后，可分别点燃外环流道与中心流道中的反应物，形成旋转爆震波，沿周向传播，在点火装置周向逆时针相距45°～90°处设置传感器，用于实时监测爆震波强弱。

6.根据权利要求1所述的一种复合型旋转爆震燃烧装置，其特征在于：外环旋转爆震区与中心旋转爆震区独立工作，两个旋转爆震区交替工作时，可避免某一区域熄爆造成推力丧失，大幅提高工作可靠性；此外，同时在两个旋转爆震区组织旋转爆震燃烧，可提高燃烧装置做功能力。