CN115478958A - 一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机 - Google Patents

一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，设置了煤油喷注孔和煤油喷嘴两处煤油流道，两股煤油在凹腔段上游进行对撞，加强煤油液滴的破碎与雾化；煤油流道衬套外侧可包裹加热电阻丝，加热煤油流道中的煤油，使其进入燃烧室后发生闪急沸腾效应，加强雾化、蒸发效果；有利于煤油后续与氧化剂的瞬时均匀掺混，从而大大提高了掺混均匀性，形成可爆轰的燃气，实现连续爆轰发动机的稳定运行；设置了凹腔结构，会产生回流区以起到稳定火焰的作用，有利于提高爆轰成功率和稳定性；本发明采用近似等容燃烧的爆轰组织燃烧方式，具有熵增小、热效率高和自增压优势，为未来高性能航空航天推进系统提供了重要的技术支撑。

Description

一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机
技术领域
本发明属于航空航天发动机结构设计技术领域，具体涉及一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机。
背景技术
传统的化学喷气推进动力系统都是采用缓燃实现化学能向热能的转换。缓燃是由热扩散、质量扩散现象主导的化学反应放热过程，其传播速度比较低，一般是米每秒的量级，并且这种等压放热过程熵增大，热效率不高。而爆轰波是前导激波与波后化学反应放热耦合形成的一种超声速燃烧波，前导激波压缩可燃混合物，使其温度和压强升高，在较高的压强和温度下快速完成化学反应放热，爆轰燃烧这种新的能量释放方式将有望大幅度提高传统喷气推进系统的推进性能。
连续爆轰发动机凭借其单次点火可稳定运行，结构简单，自增压等优势，成为最有望实现工程应用的基于爆轰的发动机。由于爆轰的传播速度比爆燃快大约三个数量级，所以喷射、蒸发以及掺混几乎需要瞬时完成，这对于基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机来说是一项巨大的挑战。煤油作为一种低活性的液态碳氢燃料，其雾化困难，掺混均匀性差，难以成功起爆并形成稳定自持爆轰波。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，可加强煤油液滴的破碎与雾化效果，提高爆轰成功率和稳定性。
一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，包括端盖(1)、煤油流道(3)、燃烧室内壁(4)、燃烧室外壁(5)及尾椎；
燃烧室外壁(5)为两端开口的圆柱形腔体，燃烧室内壁(4)为前端开口，后端封闭的圆柱形腔体；燃烧室内壁(4)与燃烧室外壁(5)同轴安装在其内部，两者的前端通过端盖(1)进行封闭；尾椎同轴设置在燃烧室外壁(5)内，并连接在燃烧室内壁(4)的后端端部；燃烧室外壁(5)与燃烧室内壁(4)之间形成环腔，作为氧化剂集气腔；燃烧室外壁(5)与尾椎之间形成环腔，作为爆轰环腔(14)；对应于燃烧室内壁(4)后端部分，燃烧室外壁(5)具有锥形凸起，与燃烧室内壁(4)外表面之间形成Laval流道(9)；
燃烧室内壁(4)的后端为向内收缩的锥台结构，则与燃烧室外壁(5)锥形凸起后端的凹陷形成凹腔(6)；
燃烧室内壁(4)的后端的结构本体中设置有多个煤油喷注歧管(10)，一端与煤油流道(3)连通，另一端与所述凹腔(6)连通，其开口位置对应于Laval流道(9)的后端出口位置；
Laval流道(9)前端的燃烧室外壁(5)上设置有多个氧化剂进气孔(12)，从外部连通到氧化剂集气腔；Laval流道(9)后端的燃烧室外壁(5)上设置有多个煤油喷嘴(13)，从外部连通到凹腔(6)。
进一步的，煤油流道(3)上设置煤油流道衬套(2)，其外侧包裹加热电阻丝。
进一步的，煤油喷注歧管(10)的端口处加工有直径为1mm的煤油喷注孔(11)。
较佳的，煤油喷注歧管(10)与燃烧室内壁(4)的中心轴具有设定大小的倾角。
较佳的，煤油喷注歧管(10)相对于燃烧室内壁(4)的中心轴对称分布。
较佳的，所述端盖(1)与燃烧室外壁(5)通过螺栓固定。
较佳的，所述端盖(1)与燃烧室内壁(4)通过焊接固定。
较佳的，所述尾锥与燃烧室内壁(4)通过螺栓密封连接。
较佳的，所述煤油喷嘴(13)有12个，在燃烧室外壁(5)中周向均布。
较佳的，所述氧化剂进气孔(12)为4个，在燃烧室外壁(5)中周向均布。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，设置了煤油喷注孔和煤油喷嘴两处煤油流道，两股煤油在凹腔段上游进行对撞，加强煤油液滴的破碎与雾化；
煤油流道衬套外侧可包裹加热电阻丝，加热煤油流道中的煤油，使其进入燃烧室后发生闪急沸腾效应，加强雾化、蒸发效果；这些设置有利于煤油后续与氧化剂的瞬时均匀掺混，从而大大提高了掺混均匀性，形成可爆轰的燃气，实现连续爆轰发动机的稳定运行，突破基于液态燃料连续爆轰发动机的瓶颈。
设置了凹腔结构，该结构会产生回流区以起到稳定火焰的作用，有利于提高爆轰成功率和稳定性。
采用近似等容燃烧的爆轰组织燃烧方式，具有熵增小、热效率高和自增压优势，为未来具有高加速性、强机动性、长巡航性、宽速域/空域的高性能航空航天推进系统提供了重要的技术支撑。
附图说明
图1(a)为本发明的爆轰发动机的结构示意图，图1(b)和图1(c)分别为图1(a)中细节A和细节B处的放大图；
其中，1-端盖；2-煤油流道衬套；3-煤油流道；4-燃烧室内壁；5-燃烧室外壁；6-凹腔；7-第一尾锥段；8-第二尾锥段；9-Laval流道；10-煤油喷注歧管；11-煤油喷注孔；12-氧化剂进气孔；13-煤油喷嘴；14-爆轰环腔；a，b-螺栓连接。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，如图1所示，主要包括端盖1、煤油流道3、燃烧室内壁4、燃烧室外壁5及尾椎。
燃烧室外壁5为两端开口的圆柱形腔体，燃烧室内壁4为前端开口，后端封闭的圆柱形腔体；燃烧室内壁4与燃烧室外壁5同轴安装在其内部，两者的前端通过端盖1进行封闭；尾椎同轴设置在燃烧室外壁5内，并连接在燃烧室4的后端端部；燃烧室外壁5与燃烧室内壁4之间形成环腔，作为氧化剂集气腔，起到稳压室的作用，提供维持稳定爆轰波所需的氧化剂。燃烧室外壁5与尾椎之间形成环腔，作为爆轰环腔14；其中，对应于燃烧室内壁4后端部分，燃烧室外壁5具有锥形凸起，与燃烧室内壁4外表面之间形成Laval流道9；Laval流道9为一段收敛-扩张通道。
尾锥由第一尾锥段7和第二尾锥段8组成，其与燃烧室外壁构成了爆轰环腔14。通过改变尾锥形状可以发挥不同种类塞式喷管的作用，从而使爆轰燃烧室室压发生改变并提高发动机性能。
燃烧室内壁4的后端为向内收缩的锥台结构，则与燃烧室外壁5锥形凸起后端的凹陷形成凹腔6，其后端为爆轰环腔14，两者形成爆轰燃烧室。
煤油流道3从端盖1的开口伸入到燃烧室内壁4的空腔，并进入到燃烧室内壁4的后端；煤油流道3上设置煤油流道衬套2，外侧可包裹加热电阻丝，加热煤油流道中的煤油。
燃烧室内壁4的后端的结构本体上设置有多个煤油喷注歧管10，一端与煤油流道3连通，另一端与所述凹腔6连通，其开口位置对应于Laval流道9的后端出口位置；煤油喷注歧管10与圆柱的中心轴具有一定的倾角，并相对于中心轴对称。煤油喷注歧管10的端口处加工有多个微小的煤油喷注孔11。
Laval流道9前端的燃烧室外壁5上设置有多个氧化剂进气孔12，从外部连通到氧化剂集气腔；Laval流道9后端的燃烧室外壁5上设置有多个煤油喷嘴13，从外部连通到凹腔6。
本发明的爆轰发动机的工作原理为：
液态燃料的一路液态煤油经过煤油流道3、煤油喷注歧管10后由煤油喷注孔11进入燃烧室的凹腔6，煤油流道衬套2外侧可包裹加热电阻丝，加热煤油流道中的煤油，从而使其进入燃烧室时发生闪急沸腾，加强煤油的雾化蒸发效果；另一路煤油通过煤油喷嘴13进入燃烧室的的凹腔6。两股煤油在凹腔6上游段进行对撞，进一步加强煤油液滴的破碎与雾化，有利于后续与气相氧化剂掺混以形成可爆轰预混气。
气相氧化剂通过进气孔12注入到氧化剂集气腔后，通过Laval流道9进入燃烧室的凹腔6。氧化剂在Laval流道9的环缝喉口处达到壅塞状态，并以超声速流形式进入燃烧室，将爆轰前沿与上游的扰动隔离开来，避免了爆轰燃烧受到上游集气腔扰动的影响，有利于形成高效、稳定的爆轰波。氧化剂与两股液态煤油进行对撞掺混，形成可爆轰的预混气进入爆轰环腔14，由预爆管引爆形成稳定的连续旋转爆轰波。
由于连续爆轰组织燃烧方式为超声速燃烧，容易出现火焰熄灭的情况，凹腔6结构会产生回流区以起到稳定火焰的作用，有利于提高爆轰成功率和稳定性。这种结构简单有效，造成的总压损失小。
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机结构，发动机总长约300mm、外径160mm；端盖1与燃烧室外壁5为同一轴心密封连接，并通过8个周向均布的螺栓a固定；端盖1与燃烧室内壁4为同一轴心密封连接，并通过焊接固定；第一尾锥段7与燃烧室内壁4通过螺栓b密封连接；
煤油流道3的管径为3mm，管长94mm；煤油喷注歧管10端口处有12个周向均布、倾角60°、直径1mm的煤油喷注孔11；煤油喷嘴13有12个，在燃烧室外壁5周向均布，其喷孔直径为1mm，可以将煤油在凹腔6处高压喷射进入燃烧室。
气相氧化剂通过4个周向均布、孔径15mm的进气孔12流入氧化剂集气腔。集气腔外径140mm，内径80mm，长度约70mm。Laval流道9为一段收敛-扩张通道，其中收敛段角度约为35°，扩张段角度约为45°，厚道宽度为2mm。
凹腔6的深度为13mm，由长40mm、倾角45°的倾斜段和长60mm的平直段组成。第一尾锥段7长度约90mm、外径80mm、厚度为10mm；第二尾锥段8长度约130mm、外径80mm、厚度约为14mm，尾部为锥角30°的圆锥段。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，包括端盖(1)、煤油流道(3)、燃烧室内壁(4)、燃烧室外壁(5)及尾椎；
燃烧室外壁(5)为两端开口的圆柱形腔体，燃烧室内壁(4)为前端开口，后端封闭的圆柱形腔体；燃烧室内壁(4)与燃烧室外壁(5)同轴安装在其内部，两者的前端通过端盖(1)进行封闭；尾椎同轴设置在燃烧室外壁(5)内，并连接在燃烧室内壁(4)的后端端部；燃烧室外壁(5)与燃烧室内壁(4)之间形成环腔，作为氧化剂集气腔；燃烧室外壁(5)与尾椎之间形成环腔，作为爆轰环腔(14)；对应于燃烧室内壁(4)后端部分，燃烧室外壁(5)具有锥形凸起，与燃烧室内壁(4)外表面之间形成Laval流道(9)；
燃烧室内壁(4)的后端为向内收缩的锥台结构，则与燃烧室外壁(5)锥形凸起后端的凹陷形成凹腔(6)；
燃烧室内壁(4)的后端的结构本体中设置有多个煤油喷注歧管(10)，一端与煤油流道(3)连通，另一端与所述凹腔(6)连通，其开口位置对应于Laval流道(9)的后端出口位置；
Laval流道(9)前端的燃烧室外壁(5)上设置有多个氧化剂进气孔(12)，从外部连通到氧化剂集气腔；Laval流道(9)后端的燃烧室外壁(5)上设置有多个煤油喷嘴(13)，从外部连通到凹腔(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，煤油流道(3)上设置煤油流道衬套(2)，其外侧包裹加热电阻丝。
3.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，煤油喷注歧管(10)的端口处加工有直径为1mm的煤油喷注孔(11)。
4.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，煤油喷注歧管(10)与燃烧室内壁(4)的中心轴具有设定大小的倾角。
5.如权利要求4所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，煤油喷注歧管(10)相对于燃烧室内壁(4)的中心轴对称分布。
6.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，所述端盖(1)与燃烧室外壁(5)通过螺栓固定。
7.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，所述端盖(1)与燃烧室内壁(4)通过焊接固定。
8.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，所述尾锥与燃烧室内壁(4)通过螺栓密封连接。
9.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，所述煤油喷嘴(13)有12个，在燃烧室外壁(5)中周向均布。
10.如权利要求1所述的一种基于液态煤油燃料的连续爆轰发动机，其特征在于，所述氧化剂进气孔(12)为4个，在燃烧室外壁(5)中周向均布。
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