CN117738816A - 一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构，该喷注结构的氧化剂缓冲腔、燃料缓冲腔以及空气缓冲腔沿径向从内向外同轴分布；燃料缓冲腔与连续爆轰空桶燃烧室之间通过燃料喷注流道连通；氧化剂缓冲腔与连续爆轰空桶燃烧室之间由依次相连的氧化剂喷注流道、抗压力反传流道以及燃料喷注流道连通，并且氧化剂喷注流道、抗压力反传流道和燃料喷注流道构成特斯拉阀结构；空气缓冲腔与连续爆轰空桶燃烧室之间通过多个拉瓦尔喷注孔连通。上述喷注结构能够使流体单向导通、阻碍回流、降低反压影响，避免连续爆轰波高频周期性波动对上游流场和结构产生负面影响，同时可以减弱高温爆轰产物对燃烧室壁面的烧蚀。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天连续爆轰发动机技术领域，具体涉及一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构。
背景技术
缓燃和爆轰是燃料释放化学能的两种主要燃烧方式。缓燃燃烧主要通过热传导、热扩散及热辐射作用将热量传入未燃混合物，进而实现反应物的加热和燃烧、以及缓燃波的传播效果。缓燃波的传播速度较低，通常为米每秒量级。爆轰燃烧是通过激波强烈冲击和压缩未燃的可爆轰混合物，使其发生高速化学反应并瞬间释放大量热量来实现的，可以认为爆轰波是与化学反应相耦合的强激波。爆轰波以超音速传播，其传播速度一般在千米每秒量级。尽管缓燃燃烧被目前工业生产广泛采用，但爆轰燃烧近似等容燃烧，具有许多缓燃燃烧无可比拟的优势，如自增压、火焰传播速度快、能量释放速率快和热力循环效率高等。
现有的各类航空航天动力装置，如燃气轮机、涡喷/涡扇发动机、液体/固体火箭发动机和冲压发动机中，均采用缓燃燃烧方式，其技术水平已趋成熟，热效率的提升已面临“天花板”。并且，与缓燃相比，爆轰燃烧在理论上具有更高的热循环效率和更快的热量释放速率。基于爆轰燃烧方式的发动机具有潜在的性能优势。连续爆轰发动机作为新概念爆轰发动机的一种，具有结构简单、工作频率高和单次起爆等优势。
基于爆轰燃烧的连续爆轰发动机燃烧室通常为环形结构，未燃的可爆轰混合物从头部沿轴向喷注注入连续爆轰燃烧室中，起爆后产生沿周向高频旋转传播的爆轰波。爆轰燃烧后产生大量的热，爆轰产物温度极高，给燃烧室壁面的热防护带来巨大挑战。同时由于爆轰波自身的增压燃烧特性，爆轰波锋面压强较高，会导致可爆轰混合物喷注注入燃烧室时受到反压的阻滞影响。因此，在此背景下，一种用于连续爆轰发动机能够抗反压的阵列式小孔喷注结构被提出并设计出来。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明提供了一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构，该喷注结构能够使可爆轰混合物单向导通、阻碍回流、降低反压影响，避免连续爆轰波高频周期性波动对上游流场和结构产生负面影响，同时空气通过拉瓦尔喷注孔注入燃烧室可以减弱高温爆轰产物对燃烧室壁面的烧蚀，有利于连续爆轰发动机长时间持续稳定工作，增强发动机系统的可靠性。
本发明采用以下具体技术方案：
一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构，该喷注结构包括燃料缓冲腔、氧化剂缓冲腔、空气缓冲腔、燃料喷注流道、氧化剂喷注流道、抗压力反传流道、拉瓦尔喷注孔和连续爆轰空桶燃烧室；
所述氧化剂缓冲腔、所述燃料缓冲腔以及所述空气缓冲腔沿径向从内向外同轴分布，所述燃料缓冲腔与所述氧化剂缓冲腔和所述空气缓冲腔之间均由环形壁进行分隔；所述氧化剂缓冲腔用于对从外部管道注入的氧化剂进行稳压；所述燃料缓冲腔用于对从外部管道注入的燃料进行稳压；所述空气缓冲腔用于对从外部管道注入的空气进行稳压；
所述氧化剂缓冲腔、所述燃料缓冲腔以及所述空气缓冲腔均与所述连续爆轰空桶燃烧室沿轴向间隔分布；
所述燃料缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间通过所述燃料喷注流道连通；
所述氧化剂缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间由依次相连的所述氧化剂喷注流道、所述抗压力反传流道以及所述燃料喷注流道连通，并且所述氧化剂喷注流道、所述抗压力反传流道和所述燃料喷注流道构成特斯拉阀结构，使流经其中的流体单向导通，抑制回流，并使燃料与氧化剂在所述燃料喷注流道内进行掺混形成可爆混合物后注入所述连续爆轰空桶燃烧室内；
所述空气缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间通过多个所述拉瓦尔喷注孔连通。
更进一步地，所述燃料喷注流道由沿周向均匀分布的多个燃料喷注孔构成。
更进一步地，所述燃料喷注孔倾斜设置。
更进一步地，沿从所述燃料缓冲腔到所述连续爆轰空桶燃烧室的方向，所述燃料喷注孔朝向所述连续爆轰空桶燃烧室的中心倾斜。
更进一步地，所述氧化剂喷注流道包括多个沿周向均匀分布的氧化剂喷注孔；
所述抗压力反传流道与所述氧化剂喷注孔和所述燃料喷注孔一一对应且连通。
更进一步地，所述燃料喷注孔的孔径介于所述氧化剂喷注孔的孔径与所述拉瓦尔喷注孔的最大孔径之间。
更进一步地，多个所述拉瓦尔喷注孔沿周向均匀分布。
更进一步地，所述拉瓦尔喷注孔与所述燃料喷注孔沿周向交错分布。
有益效果：
1、本发明的喷注结构中，燃料喷注流道、氧化剂喷注流道和抗压力反传流道构成特斯拉阀结构，促进燃料和氧化剂充分掺混，并且使流经其中的可爆轰混合物单向导通，减弱爆轰波反压对上游气体缓冲腔的影响，阻碍高温爆轰产物回流。
2、本发明的喷注结构中，空气缓冲腔与连续爆轰空桶燃烧室之间通过多个拉瓦尔喷注孔连通，拉瓦尔喷注孔能够起到类似气膜冷却的效果，避免高温爆轰产物对燃烧室壁面产生严重的烧蚀问题。拉瓦尔喷注孔与燃料喷注孔沿周向交错分布，起到冷却作用的同时还能够提供一定的氧化剂，提高燃烧效率。
3、本发明的喷注结构使用阵列式小孔进气结构，爆轰波旋转传播时会与喷注燃烧室的推进剂气柱相互作用，产生复杂的波系结构，提高燃料和氧化剂的掺混效果，提高推进性能。
附图说明
图1为本发明的连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构的立体结构示意图；
图2为图1中连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构的俯视图；
图3为图1中连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构的仰视图；
图4为图1中连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构的剖视图；
图5为图4中A部分的局部放大结构示意图。
其中，1-燃料缓冲腔；2-氧化剂缓冲腔；3-空气缓冲腔；4-燃料喷注流道；5-氧化剂喷注流道；6-抗压力反传流道；7-拉瓦尔喷注孔；8-连续爆轰空桶燃烧室；11-燃料腔环形壁；21-氧化剂腔环形壁；31-空气腔环形壁；41-燃料喷注孔；51-氧化剂喷注孔；81-燃烧室外壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构，如图1、图2和图3结构所示，该喷注结构包括燃料缓冲腔1、氧化剂缓冲腔2、空气缓冲腔3、燃料喷注流道4、氧化剂喷注流道5、抗压力反传流道6、拉瓦尔喷注孔7和连续爆轰空桶燃烧室8；该喷注结构可由旋转体结构制成；
氧化剂缓冲腔2、燃料缓冲腔1以及空气缓冲腔3沿径向设置且从内向外同轴分布，燃料缓冲腔1与氧化剂缓冲腔2和空气缓冲腔3之间均由环形壁进行分隔，如图1和图4所示，氧化剂缓冲腔2的外周侧设置有氧化剂腔环形壁21，氧化剂腔环形壁21围绕形成位于中心的氧化剂缓冲腔2；燃料缓冲腔1和空气缓冲腔3均为环形腔；燃料缓冲腔1的外周侧设置有燃料腔环形壁11，在燃料腔环形壁11与氧化剂腔环形壁21之间围绕形成环形的燃料缓冲腔1；空气缓冲腔3的外周侧设置有空气腔环形壁31，在燃料腔环形壁11与空气腔环形壁31之间形成环形的空气缓冲腔3；氧化剂缓冲腔2用于对从外部管道注入的氧化剂进行稳压；燃料缓冲腔1用于对从外部管道注入的燃料进行稳压；空气缓冲腔3用于对从外部管道注入的空气进行稳压；
氧化剂缓冲腔2、燃料缓冲腔1以及空气缓冲腔3均与连续爆轰空桶燃烧室8沿轴向间隔分布，即，连续爆轰空桶燃烧室8位于整个喷注结构的轴向的一侧，而氧化剂缓冲腔2、燃料缓冲腔1以及空气缓冲腔3位于整个喷注结构的轴向的另一侧；连续爆轰空桶燃烧室8的外周侧设置有燃烧室外壁81，燃烧室外壁81内部围绕形成连续爆轰空桶燃烧室8；
燃料缓冲腔1与连续爆轰空桶燃烧室8之间通过燃料喷注流道4连通，燃料缓冲腔1内进入的燃料通过燃料喷注流道4注入连续爆轰空桶燃烧室8内；如图1和图4所示，燃料喷注流道4由沿周向均匀分布的多个燃料喷注孔41构成；燃料喷注孔41可以倾斜设置，并且沿从燃料缓冲腔1到连续爆轰空桶燃烧室8的方向，燃料喷注孔41朝向连续爆轰空桶燃烧室8的中心倾斜；
如图4和图5所示，氧化剂缓冲腔2与连续爆轰空桶燃烧室8之间由依次相连的氧化剂喷注流道5、抗压力反传流道6以及燃料喷注流道4联通，并且氧化剂喷注流道5、抗压力反传流道6和燃料喷注流道4构成特斯拉阀结构，使流经其中的可爆轰混合物单向导通，抑制回流，并使燃料与氧化剂在燃料喷注流道4内进行掺混，形成可爆混合物后注入连续爆轰空桶燃烧室8内；氧化剂缓冲腔2内进入的氧化剂依次流经氧化剂喷注流道5、抗压力反传流道6和燃料喷注流道4注入连续爆轰空桶燃烧室8内，并且氧化剂在进入连续爆轰空桶燃烧室8之前需要首先进入燃料喷注流道4内，并在燃料喷注流道4内与氧化剂进行迅速掺混；氧化剂喷注流道5包括多个沿周向均匀分布的氧化剂喷注孔51；抗压力反传流道6与氧化剂喷注孔51和燃料喷注孔41一一对应且连通；
如图2和图4所示，空气缓冲腔3与连续爆轰空桶燃烧室8之间通过多个拉瓦尔喷注孔7连通；多个拉瓦尔喷注孔7沿周向均匀分布；拉瓦尔喷注孔7与燃料喷注孔41沿周向交错分布；燃料喷注孔41的孔径介于氧化剂喷注孔51的孔径与拉瓦尔喷注孔7的最大孔径之间。
上述连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构的具体工作过程为：
燃料、氧化剂和空气通过外部管道分别注入燃料缓冲腔1、氧化剂缓冲腔2和空气缓冲腔3内；燃料经燃料缓冲腔1稳压后通过燃料喷注通道喷注注入下游的连续爆轰空桶燃烧室8；氧化剂经氧化剂缓冲腔2稳压后从氧化剂喷注通道首先注入抗压力反传流道6，再从抗压力反传流道6注入燃料喷注通道中，在燃料喷注通道中与燃料进行掺混，形成可爆混合物，混合物继续向下游流动注入连续爆轰空桶燃烧室8；空气经空气缓冲腔3稳压后通过拉瓦尔喷注孔7注入连续爆轰空桶燃烧室8；在连续爆轰空桶燃烧室8内，可爆混合物与从拉瓦尔喷注孔7注入的空气混合，经高能点火装置触发形成爆轰波，在燃烧室中周向旋转传播。由于爆轰波为燃烧波和激波强耦合，锋面压力极高，因此其在燃烧室头部旋转传播时会在上游诱导产生斜激波等波系结构，引起上游气体缓冲腔的压强变化，导致气体的喷注效果改变，进而影响爆轰波的自持传播和发动机稳定工作。
由于燃料喷注流道4、氧化剂喷注流道5和抗压力反传流道6共同构成了类特斯拉阀结构，如图5结构所示，当压强向上游传播导致流场情况产生变化并且影响到喷注时，燃料和氧化剂会由于流道结构约束对反传的压强和混合物起到阻滞作用，增大压力反传阻力，减弱压力反传对上游流场和结构的影响，保证发动机持续稳定工作。此外，在连续爆轰空桶燃烧室8径向外围边缘区域，空气能够通过拉瓦尔喷注孔7喷注注入连续爆轰空桶燃烧室8内，对连续爆轰空桶燃烧室8内壁面形成一定的气膜保护，降低爆轰产物的高温对壁面的侵蚀效应，确保发动机能够长时间稳定工作。
上述连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构中，由于燃料喷注流道4、氧化剂喷注流道5和抗压力反传流道6构成特斯拉阀结构，燃料缓冲腔1中的燃料和氧化剂缓冲腔2中的氧化剂受到流道结构约束，促进燃料和氧化剂在燃料喷注流道4中进行充分掺混，并且使流经其中的可爆轰混合物单向导通，阻碍高温爆轰产物回流；混合后的燃料和氧化剂形成可爆混合物，然后喷入连续爆轰空桶燃烧室8，起爆后形成旋转传播的爆轰波，减弱爆轰波反压对上游气体缓冲腔的影响。由于空气缓冲腔3与连续爆轰空桶燃烧室8之间通过多个拉瓦尔喷注孔7连通，拉瓦尔喷注孔7能够起到类似气膜冷却的效果，低温空气可以从空气缓冲腔3经由拉瓦尔喷注孔7高速贴壁喷入连续爆轰空桶燃烧室8中，降低高温燃气对燃烧室壁面的烧蚀影响，避免高温爆轰产物对燃烧室壁面产生严重的烧蚀问题。拉瓦尔喷注孔7与燃料喷注孔41沿周向交错分布，起到冷却作用的同时还能够提供一定的氧化剂，提高燃烧效率。上述喷注结构使用阵列式小孔进气结构，爆轰波旋转传播时会与喷注燃烧室的推进剂气柱相互作用，产生复杂的波系结构，提高燃料和氧化剂的掺混效果，提高推进性能。
因此，上述喷注结构能够使可爆轰混合物单向导通、阻碍回流、降低反压影响，避免连续爆轰波高频周期性波动对上游流场和结构产生负面影响，同时空气通过拉瓦尔喷注孔7注入燃烧室可以减弱高温爆轰产物对燃烧室壁面的烧蚀，有利于连续爆轰发动机长时间持续稳定工作，增强发动机系统的可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种连续爆轰发动机阵列式抗反压喷注结构，其特征在于，包括燃料缓冲腔、氧化剂缓冲腔、空气缓冲腔、燃料喷注流道、氧化剂喷注流道、抗压力反传流道、拉瓦尔喷注孔和连续爆轰空桶燃烧室；
所述氧化剂缓冲腔、所述燃料缓冲腔以及所述空气缓冲腔沿径向从内向外同轴分布，所述燃料缓冲腔与所述氧化剂缓冲腔和所述空气缓冲腔之间均由环形壁进行分隔；所述氧化剂缓冲腔用于对从外部管道注入的氧化剂进行稳压；所述燃料缓冲腔用于对从外部管道注入的燃料进行稳压；所述空气缓冲腔用于对从外部管道注入的空气进行稳压；
所述氧化剂缓冲腔、所述燃料缓冲腔以及所述空气缓冲腔均与所述连续爆轰空桶燃烧室沿轴向间隔分布；
所述燃料缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间通过所述燃料喷注流道连通；
所述氧化剂缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间由依次相连的所述氧化剂喷注流道、所述抗压力反传流道以及所述燃料喷注流道连通，并且所述氧化剂喷注流道、所述抗压力反传流道和所述燃料喷注流道构成特斯拉阀结构，使流经其中的流体单向导通，抑制回流，并使燃料与氧化剂在所述燃料喷注流道内进行掺混形成可爆混合物后注入所述连续爆轰空桶燃烧室内；
所述空气缓冲腔与所述连续爆轰空桶燃烧室之间通过多个所述拉瓦尔喷注孔连通。
2.如权利要求1所述的喷注结构，其特征在于，所述燃料喷注流道由沿周向均匀分布的多个燃料喷注孔构成。
3.如权利要求2所述的喷注结构，其特征在于，所述燃料喷注孔倾斜设置。
4.如权利要求3所述的喷注结构，其特征在于，沿从所述燃料缓冲腔到所述连续爆轰空桶燃烧室的方向，所述燃料喷注孔朝向所述连续爆轰空桶燃烧室的中心倾斜。
5.如权利要求4所述的喷注结构，其特征在于，所述氧化剂喷注流道包括多个沿周向均匀分布的氧化剂喷注孔；
所述抗压力反传流道与所述氧化剂喷注孔和所述燃料喷注孔一一对应且连通。
6.如权利要求5所述的喷注结构，其特征在于，所述燃料喷注孔的孔径介于所述氧化剂喷注孔的孔径与所述拉瓦尔喷注孔的最大孔径之间。
7.如权利要求6所述的喷注结构，其特征在于，多个所述拉瓦尔喷注孔沿周向均匀分布。
8.如权利要求7所述的喷注结构，其特征在于，所述拉瓦尔喷注孔与所述燃料喷注孔沿周向交错分布。
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