CN116044606A - 一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法，采用一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，包括冲压燃烧室、煤油冷却通道和等离子体发生器，其中：煤油冷却通道，设置于冲压燃烧室的壳体内，各组的进口用于与液态煤油管路连接，出口端与设置于冲压燃烧室外的连接管相连接；连接管的出口并行分为多个流通管路，各流通管路的出口端均与冲压燃烧室相连通，各流通管路上均设置有等离子体发生器，用于将气液混合态的煤油裂解为煤油裂解气，煤油裂解气喷射至冲压燃烧室内腔，与氧化剂在冲压燃烧室内腔燃烧。采用该方法实现了在利用燃烧室壁面废热的前提下，提高RBCC发动机在冲压模态下的燃烧性能，提高推力和比冲。

Description

一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法

技术领域

本发明属于火箭基组合循环发动机技术领域，具体涉及一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法。

背景技术

火箭基组合循环(Rocket-Based Combined Cycle，缩写为RBCC)发动机具有飞行包线宽、加速/高速巡航兼顾以及经济性好的特点，在高超飞行器以及多任务导弹上的应用具有极大的潜力。在RBCC发动机工作的冲压模态中，利用自身携带的液态煤油和大气空气进行燃烧反应，可以实现Ma3～8的宽域高速巡航。相比于火箭发动机，冲压模态下发动机具有燃烧室结构简单、加速/巡航下推力可控性高的优点，由于发动机不用自身携带氧化剂，充分利用空气组织燃烧，使得发动机比冲远高于火箭发动机。但冲压燃烧室通常较长，燃烧室壁面冷却需求大，且液态煤油在冲压燃烧室雾化燃烧较困难，使得煤油能量无法在燃烧室中充分释放，进而发动机推力和比冲性能有所损失。

考虑结构、安全性以及经济性的因素，目前火箭组合发动机通常以液态煤油作为燃料，而发动机壳体通常采用被动冷却和主动冷却方式，被动冷却通常采用吸热涂层等方式，主动冷却以液态煤油作为工质进行壁面冷却。

具体为先将煤油引入冷却通道，再将热煤油喷注入冲压燃烧室组织燃烧，利用了燃烧室壁面废热，降低了煤油在燃烧室中的雾化蒸发时间，同时提高燃烧室燃烧温度。而在飞行马赫数大于6的条件下，煤油的物理热沉无法满足冷却需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法，实现了在充分利用燃烧室壁面废热的前提下，提高RBCC发动机在冲压模态下的燃烧性能，提高推力和比冲，进而提高RBCC发动机整机性能。

本发明采用以下技术方案：一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，包括冲压燃烧室、煤油冷却通道和等离子体发生器，其中：

冲压燃烧室，为壳体围成的腔体结构，其前端为燃烧室入口端，作为冲压燃烧室内氧化剂的进入端；

煤油冷却通道，设置于冲压燃烧室的壳体内，前后设置有两组，各组的进口端用于与液态煤油管路连接，出口端与设置于冲压燃烧室外的连接管相连接；

连接管的出口并行分为多个流通管路，各流通管路的出口端均与冲压燃烧室的内腔相连通，各流通管路上均设置有一等离子体发生器，用于将由煤油冷却通道出口端流出的气液混合态的煤油裂解为煤油裂解气，煤油裂解气喷射至冲压燃烧室内腔，与氧化剂在冲压燃烧室内腔燃烧。

进一步地，在各流通管路上，且位于等离子体发生器和煤油冷却通道出口端间均设置有混合气/液供给阀门组件，用于调整各流通管路中气液混合态的煤油的流量。

进一步地，多个流通管路的出口端汇集裂解气积气腔中，且裂解气积气腔设置于冲压燃烧室外，且环绕于冲压燃烧室外一周，其连通于流通管路和冲压燃烧室。

进一步地，在冲压燃烧室内，且环绕于内腔一周设置有多个裂解气喷注支板，多个裂解气喷注支板位于冲压燃烧室的裂解气积气腔同一截面，且位于裂解气积气腔所在的区域，各裂解气喷注支板均为板状的腔体结构，且板体上开设有多个喷注孔；其近端与裂解气积气腔相连通，远端朝向冲压燃烧室后端倾斜，裂解气喷注支板用于将煤油裂解气喷注入冲压燃烧室内。

进一步地，各煤油冷却通道的入口与液态煤油储箱，液态煤油储箱的个数与煤油冷却通道入口的个数相同，一个液态煤油储箱对应连接一个煤油冷却通道入口。

本发明还公开了一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法，采用上述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，该方法如下：

液态煤油注入煤油冷却通道内，吸收冲压燃烧室壁面的热量，变为气/液混合物流出，汇聚至未完全裂解煤油积液腔中，再经混合气/液供给阀门组件控制流通管路，进入等离子体发生器，气/液混合物裂解为煤油裂解气，经输油管汇集于裂解气积气腔中，输入裂解气喷注支板注入冲压燃烧室，与由冲压燃烧室入口进入的氧化剂在冲压燃烧室内燃烧。

本发明的有益效果是：1.利用液态煤油进行发动机壳体全域冷却，形成不同程度的煤油裂解气，最大限度利用了壳体废热，能将更多的能量注入冲压燃烧室。煤油冷却通道上游压力高达数兆帕，依托煤油储箱的压力，可维持煤油在各通道的正常流动，冷却通道换热裂解后的裂解气同样能以较高压力注入冲压流道，获得较高的裂解气掺混效率，一般而言冲压燃烧室压力低于0.5MPa，因此仅靠煤油储箱压力便能满足流动需求，而不需要泵等额外做功部件，同时以裂解气的形式喷注具有更好的点火和燃烧性能。2.利用等离子体发生器促进煤油裂解，形成煤油完全裂解气，进而注入冲压燃烧室燃烧释热，裂解气将极大缩短点火延迟时间、促进燃气掺混、提高燃烧室温度和压力、提高燃烧效率进而提高发动机推力和比冲。3.利用自引煤油裂解混合气等离子体形成煤油完全裂解气，充分利用废热的同时弥补裂解率不足的问题，极大程度提高燃烧室能量注入；且等离子体以冷却通道出口的混合物为工质，不需要携带额外工质，系统结构简单。

附图说明

图1为一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机结构示意图；

图2为不同煤油裂解率下、等离子体作用下的发动机理论比冲性能图。

其中：1.冲压燃烧室，2.未完全裂解煤油积液腔，3.等离子体电源，4.混合气/液供给阀门，5.等离子体发生器，6.火箭燃烧室，7.煤油冷却通道，8.液态煤油储箱，9.裂解气积气腔，10.裂解气喷注支板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，如图1所示，包括冲压燃烧室1、煤油冷却通道7和等离子体发生器5，其中：

冲压燃烧室1，为壳体围成的腔体结构，其前端为燃烧室入口端，作为冲压燃烧室1内氧化剂的进入端；冲压燃烧室1的后端连接有喷管。

煤油冷却通道7，设置于冲压燃烧室1的壳体内，前后设置有两组，各组的进口端用于与液态煤油管路连接，出口端与设置于冲压燃烧室1外的连接管相连接；

连接管的出口并行分为多个流通管路，各流通管路的出口端均与冲压燃烧室1的内腔相连通，各流通管路上均设置有一等离子体发生器5，用于将由煤油冷却通道7出口端流出的气液混合态的煤油裂解为煤油裂解气，煤油裂解气喷射至冲压燃烧室1内腔，与氧化剂在冲压燃烧室1内腔燃烧。各煤油冷却通道7的入口与液态煤油储箱8，液态煤油储箱8的个数与煤油冷却通道入口的个数相同，一个液态煤油储箱8对应连接一个煤油冷却通道入口。

在冲压燃烧室本体1的前端的侧壁连接有火箭燃烧室6，且与火箭燃烧室6的腔室相连通。

在各流通管路上，且位于等离子体发生器5和煤油冷却通道7出口端间均设置有混合气/液供给阀门组件4，用于调整各流通管路中气液混合态的煤油的流量。

多个流通管路的出口端汇集裂解气积气腔9中，且裂解气积气腔9设置于冲压燃烧室1外，且环绕于冲压燃烧室1外一周，其连通于流通管路和冲压燃烧室1。

在冲压燃烧室1内，且环绕于内腔一周设置有多个裂解气喷注支板10，多个裂解气喷注支板10位于冲压燃烧室1的裂解气积气腔9同一截面，且位于裂解气积气腔9所在的区域，各裂解气喷注支板10均为板状的腔体结构，且板体上开设有多个喷注孔；其近端与裂解气积气腔9相连通，远端朝向冲压燃烧室1后端倾斜，裂解气喷注支板10用于将煤油裂解气喷注入冲压燃烧室1内。

本发明还公开了一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法，采用上述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，该方法如下：

液态煤油注入煤油冷却通道7内，吸收冲压燃烧室1壁面的热量，变为气/液混合物流出，汇聚至未完全裂解煤油积液腔2中，再经混合气/液供给阀门组件4控制流通管路，进入等离子体发生器5，气/液混合物裂解为煤油裂解气，经输油管汇集于裂解气积气腔9中，输入裂解气喷注支板10注入冲压燃烧室1，与由冲压燃烧室1入口进入的氧化剂在冲压燃烧室1内燃烧。

本发明中，利用常温液态煤油主动冷却高温壁面，当温度超过870K时，煤油在煤油冷却通道7内逐渐裂解形成可燃小分子气体；当温度超过970K时，50％煤油将裂解成混合燃气。煤油裂解混合气通过导管汇集于未完全裂解煤油积液腔2；根据混合气流量和等离子体发生器工作能力，利用各路混合气/液供给阀门组件4将混合气引入不同数量的等离子体发生器5。在电弧等离子体的作用下，煤油完全裂解成高温高压裂解气。裂解气通过管道汇集于裂解气积气腔9，经裂解气喷注支板10将裂解气注入冲压燃烧室1。裂解气在冲压流道内与来流空气充分反应燃烧，进而提高冲压燃烧室1室温，提高推力和比冲。

燃料采用液态煤油JP-10经煤油冷却通道7和等离子体发生器5裂解形成的煤油裂解气，氧化剂为冲压燃烧室1入口的来流空气。

液态煤油储箱8与煤油冷却通道7连接，液态煤油储箱8压力大于10MPa。煤油经过煤油冷却通道7进行换热蒸发裂解，在煤油冷却通道7的靠前前端处，煤油温度持续升高超过870K，煤油开始裂解；随着煤油温度升高，裂解越充分，当温度超过970K时，裂解率超过50％。此时形成包含液态煤油、气态煤油和煤油裂解气的气/液混合物。

煤油未完全裂解形成的混合物在未完全裂解煤油积液腔2中汇聚，经混合气/液供给阀门组件4控制流通管路进入等离子体发生器5，在高压电极的作用下，不完全裂解混合物完全裂解成煤油裂解气，经过输油管汇集于裂解气积气腔9中，在确保煤油裂解气积气腔压力>2MPa的前提下，通过裂解气喷注支板10注入冲压燃烧室1。

等离子体发生器5在高压电极的作用下，将煤油裂解气混合物高温加热、电离形成完全裂解气，注入冲冲压燃烧室1的压流道可快速掺混燃烧，提高火箭发动机推力和比冲。

由于冲压燃烧室1内燃烧温度的提升，发动机壳体温度上升，增加了煤油冷却通道7煤油换热热流密度，进一步促进煤油裂解，从而降低了等离子体发生器5的功率，延长了等离子体正常工作的时间，使得整个热力循环系统可以长时维持正常工作。

煤油发生裂解一般在高于875K的温度下进行，且裂解率随着温度升高而升高。在875K～1050K的温度范围内，煤油裂解率能逐渐达到100％。煤油裂解率随温度的变化如下表1所示：

表1 煤油裂解率随温度的变化

温度/K	870	900	920	950	980	1050
							煤油裂解率	0	3％	5％	20％	60％	～100％

煤油是复杂的多组分混合物，其裂解产物种类更是非常多，在理论和计算过程中，通常将煤油以及煤油裂解产物进行定量简化，使得即满足理化性质相当而组分简单。以JP-10为例，其简化裂解产物如下表所示：

表2 JP-10煤油主要裂解产物及含量

该实施例中，基于气流推力函数的发动机性能分析模型对冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机性能进行理论计算。进气道压缩过程根据某宽域工作进气道的参数进行计算，具体参数如表3所示。隔离段压缩匹配过程和尾喷管膨胀过程依据建立的性能模型和气体动力学公式计算。冲压燃烧室1燃烧过程采用化学平衡反应过程进行计算，计算需要给定冲压燃烧室1的设计静压、初始状态下反应物的温度及组分。计算不同燃料体系时，燃烧室静压保持与液态煤油一致，同时依据以往发动机地面实验的燃烧室压升比经验，设置不同飞行马赫数时冲压燃烧室1静压，具体值如表4所示。

来流空气的初始温度为冲压燃烧室1入口静温，液态煤油的初始温度为298K，其他燃料体系燃料组分的初始温度根据表1所示的裂解率与温度的关系曲线进行设置，以0％、50％和100％的裂解率为例，初始温度分别为870K、975K和1050K。液态煤油燃料裂解后的产物如表2所示，不同燃料体系的反应物组分与裂解率有关，由裂解产物和液态煤油组成，裂解产物占据的总质量分数为裂解率。下面以飞行马赫数为4、6和8为例，详细列出计算过程中的关键参数和计算结果：

表3 某宽域工作进气道的关键参数

表4 不同飞行马赫数的燃烧室设计压力

<![CDATA[飞行马赫数Ma<sub>0</sub>]]>	<![CDATA[冲压燃烧室静压p<sub>4</sub>,MPa]]>
		3	0.2
4	0.35
		5	0.45
6	0.4
		7	0.3
8	0.2

；

如图2所示，飞行马赫数为4时，进气道出口马赫数为1.97，总压恢复系数为0.72，流量系数为0.94；冲压燃烧室1入口空气静温为792.1K，冲压燃烧室1设计静压为0.35MPa。液态煤油、煤油裂解率50％以及煤油裂解率100％三个燃料体系所得冲压燃烧室1理论燃烧静温分别为2531.4K、2596.9K和2639.2K，理论比冲分别为1537.1s、1577.1s和1625.1s。由以上三个实例工况可以看出，随煤油裂解率提高，冲压燃烧室1理论燃烧静温和理论比冲明显提升。当裂解率增加到100％时，理论燃烧静温提高107.8K，理论比冲提高88s。

飞行马赫数为6时，进气道出口马赫数为2.63，总压恢复系数为0.53，流量系数为0.96；冲压燃烧室1入口空气静温为1173.5K，冲压燃烧室1设计静压为0.4MPa。液态煤油、煤油裂解率50％以及煤油裂解率100％三个燃料体系所得燃烧室理论燃烧静温分别为2684.2K、2741.9K和2778.7K，理论比冲分别为1190.1s、1224.9s和1268.8s。由以上三个实例工况可以看出，随煤油裂解率提高，冲压燃烧室1理论燃烧静温和理论比冲仍明显提升，但增加量相对马赫数4下降。当裂解率增加到100％时，理论燃烧静温提高94.5K，理论比冲提高78.8s。

飞行马赫数为8时，进气道出口马赫数为2.98，总压恢复系数为0.17，流量系数为1；冲压燃烧室1入口空气静温为1595.3K，冲压燃烧室1设计静压为0.2MPa。液态煤油、煤油裂解率50％以及煤油裂解率100％三个燃料体系所得冲压燃烧室1理论燃烧静温分别为2785.7K、2833.3K和2862.6K，理论比冲分别为723.9s、750.3s和786.1s。由以上三个实例工况可以看出，随煤油裂解率提高，冲压燃烧室1理论燃烧静温和理论比冲仍明显提升，但增加量相对马赫数6继续下降。当裂解率增加到100％时，理论燃烧静温提高76.9K，理论比冲提高62.2s。

Claims (6)

1.一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，包括冲压燃烧室(1)、煤油冷却通道(7)和等离子体发生器(5)，其中：

所述冲压燃烧室(1)，为壳体围成的腔体结构，其前端为燃烧室入口端，作为冲压燃烧室(1)内氧化剂的进入端；

煤油冷却通道(7)，设置于所述冲压燃烧室(1)的壳体内，前后设置有两组，各组的进口端用于与液态煤油管路连接，出口端与设置于所述冲压燃烧室(1)外的连接管相连接；

所述连接管的出口并行分为多个流通管路，各所述流通管路的出口端均与所述冲压燃烧室(1)的内腔相连通，各所述流通管路上均设置有一等离子体发生器(5)，用于将由煤油冷却通道(7)出口端流出的气液混合态的煤油裂解为煤油裂解气，煤油裂解气喷射至冲压燃烧室(1)内腔，与氧化剂在所述冲压燃烧室(1)内腔燃烧。

2.如权利要求1所述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，在各所述流通管路上，且位于等离子体发生器(5)和煤油冷却通道(7)出口端间均设置有混合气/液供给阀门组件(4)，用于调整各流通管路中气液混合态的煤油的流量。

3.如权利要求2所述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，多个所述流通管路的出口端汇集裂解气积气腔(9)中，且所述裂解气积气腔(9)设置于所述冲压燃烧室(1)外，且环绕于所述冲压燃烧室(1)外一周，其连通于流通管路和冲压燃烧室(1)。

4.如权利要求3所述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，在所述冲压燃烧室(1)内，且环绕于内腔一周设置有多个裂解气喷注支板(10)，多个所述裂解气喷注支板(10)位于所述冲压燃烧室(1)的裂解气积气腔(9)同一截面，且位于裂解气积气腔(9)所在的区域，各所述裂解气喷注支板(10)均为板状的腔体结构，且板体上开设有多个喷注孔；其近端与所述裂解气积气腔(9)相连通，远端朝向所述冲压燃烧室(1)后端倾斜，所述裂解气喷注支板(10)用于将煤油裂解气喷注入所述冲压燃烧室(1)内。

5.如权利要求4所述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，各所述煤油冷却通道(7)的入口与液态煤油储箱(8)，所述液态煤油储箱(8)的个数与煤油冷却通道入口的个数相同，一个所述液态煤油储箱(8)对应连接一个煤油冷却通道入口。

6.一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解的燃烧增强方法，采用权利要求1-5中任一项所述的一种冲压模态等离子体辅助煤油裂解燃烧增强发动机，其特征在于，该方法如下：

液态煤油注入煤油冷却通道(7)内，吸收所述冲压燃烧室(1)壁面的热量，变为气/液混合物流出，汇聚至所述未完全裂解煤油积液腔(2)中，再经混合气/液供给阀门组件(4)控制流通管路，进入等离子体发生器(5)，气/液混合物裂解为煤油裂解气，经输油管汇集于裂解气积气腔(9)中，输入裂解气喷注支板(10)注入所述冲压燃烧室(1)，与由所述冲压燃烧室(1)入口进入的氧化剂在冲压燃烧室(1)内燃烧。

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