一种双级进水旋流燃烧室及燃烧组织方法

1.本发明涉及一种针对燃料与冲压水流在有限空间燃烧的方法，属于气体/固体颗粒燃料与不可压缩流体燃烧的稳燃技术领域，主要用于高速来流工况下的水冲压发动机及跨水空介质发动机燃烧室内。


背景技术：

2.粉末燃料水冲压发动机具有比冲高、推力可调等突出优势，是水冲压发动机的重要发展方向及跨水空介质冲压发动机的重要基础。但由于冲压水流在喷入燃烧室过程涉及雾化、蒸发过程，且金属粉末燃料在与水蒸气反应过程中由于表面氧化层的存在将阻碍燃烧持续进行，因此金属粉末燃料与水的高效稳定燃烧一直是国内外研究的重点和难点。采用旋流燃烧技术可以有效增强两相掺混，提高燃烧效率，应用于水冲压发动机燃烧室内可实现粉末燃料与冲压水流的稳定高效燃烧。
3.目前国内外针对水下uuv动力系统所采用的是粉末燃料/水单级旋流燃烧组织技术，该技术中的粉末燃料与水均进行周向喷注，因此基于该燃烧组织技术的旋流燃烧室构型在稳定燃烧后容易出现分层现象，进而降低铝/水掺混效率，且实验结果表明该旋流燃烧室构型铝颗粒和燃烧产物沉积严重，导致喷管堵塞。采用粉末燃料/水单级旋流燃烧组织技术的燃烧室需要运用高能火炬作为点火系统，且粉末燃料周向喷注对于粉末供应系统设计要求较高，应用到实际工程型号具有较大难度。
4.因此针对水下超高速航行特点，为重点解决粉末燃料轴向供应点火困难、难以持续燃烧、燃烧效率低等问题，需设计新型旋流燃烧室并建立相应的燃烧组织方法。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种双级进水旋流燃烧室及燃烧组织方法，实现了粉末燃料与冲压水流高效掺混且稳定燃烧，解决了目前在水下高速巡航工况下，粉末燃料与冲压水流点火启动困难且难以实现稳定高效燃烧等问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种双级进水旋流燃烧室，包括双级进水旋流器与燃烧室主体，所述双级进水旋流器设在所述燃烧室主体的入口端；
7.所述双级进水旋流器内设有燃料通道，所述燃料通道的一端设有燃料入口，另一端与所述燃烧室主体相通，所述燃料通道靠近下游的壁面为具有导流槽的夹层结构；
8.所述双级进水旋流器的侧部设有若干一级旋流进水通道与二级旋流进水通道，各所述一级旋流进水通道的出口端与所述燃料通道的入口壁面相通，各所述二级旋流进水通道的出口端与所述导流槽的壁面相通；
9.各所述一级旋流进水通道以相同的径向夹角沿周向分布在所述双级进水旋流器上，各所述二级旋流进水通道以相同的径向夹角沿周向分布在所述双级进水旋流器上，所述一级旋流进水通道的旋向与所述二级旋流进水通道的旋向相反。
10.在其中一个实施例中，所述燃料通道的中游段为文氏管结构，或所述燃料通道的
上游段、中游段为文氏管结构；
11.所述导流槽套设在所述文氏管结构的尾段，且所述导流槽的出口与所述文氏管结构的出口端平齐。
12.在其中一个实施例中，所述燃烧室主体为具有外壁与内壁的夹层结构；
13.所述外壁与内壁之间具有进水夹层，所述外壁上位于燃烧室中游或下游的位置设有与所述进水夹层相通的冲压进水口；
14.所述双级进水旋流器嵌入所述外壁后与所述外壁、所述内壁相连，所述一级旋流进水通道的入口端、所述二级旋流进水通道的入口端均位于所述进水夹层内。
15.在其中一个实施例中，所述一级旋流进水通道出口端的型面、所述二级旋流进水通道出口端的型面均为直流式喷嘴型面。
16.在其中一个实施例中，所述双级进水旋流器上对应所述燃料通道入口的位置设置有绝热层挡板；
17.所述燃料入口包括设在所述绝热层挡板上的高温燃气入口与粉末燃料入口。
18.在其中一个实施例中，所述粉末燃料入口上设有旋流钝体，以将粉末燃料离散。
19.为实现上述目的，本发明还提供一种燃烧组织方法，采用上述双级进水旋流燃烧室。
20.在其中一个实施例中，所述燃烧组织方法具体包括：
21.首先将高温燃气从高温燃气入口喷入燃料通道，创造高温环境；
22.随后将金属粉末燃料从粉末燃料入口沿轴向喷入燃料通道，使金属粉末燃料在高温燃气作用下迅速达到点火温度；
23.然后将一级旋流进水依次从冲压进水口、进水夹层、一级旋流进水通道喷入燃料通道上游，使一级旋流进水在高温燃气作用下转换为水蒸气，进而与金属粉末燃料在文氏管结构内边掺混燃烧边向后加速流动；将二级旋流进水从冲压进水口、进水夹层、二级旋流进水通道喷入燃料通道中游，使二级旋流进水在高温燃气作用下转换为水蒸气，并以轴向旋流方式在燃料通道下游与一级旋流进水、高温燃气以及粉末燃料所形成的主流进行补燃掺混。
24.当一级旋流水蒸气和二级旋流水蒸气流出燃料通道后，由于旋流水蒸气离心力的作用，在轴向形成负压力梯度，使后部气体回流进而在燃烧室本体内形成中心回流区；
25.金属粉末燃料与一级旋流水蒸气、二级旋流水蒸气掺混后进入中心回流区内燃烧，最终实现燃料与冲压水流的高效稳定燃烧。
26.本发明提供的一种双级进水旋流燃烧室及燃烧组织方法，通过在旋流水蒸气离心力的作用下在轴向形成负压力梯度，进而在燃烧室本体内形成中心回流区，金属粉末燃料与一级旋流水蒸气、二级旋流水蒸气掺混后进入中心回流区内燃烧，最终实现燃料与冲压水流的高效稳定燃烧。本发明实现了粉末燃料与冲压水流高效掺混且稳定燃烧，解决了在水下高速巡航工况下，粉末燃料与冲压水流点火启动困难且难以实现稳定高效燃烧等问题。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例中双级进水旋流燃烧室的剖视图；
29.图2为本发明实施例中双级进水旋流器的第一轴测图；
30.图3为本发明实施例中双级进水旋流器的第二轴测图；
31.图4为本发明实施例中双级进水旋流器的轴向剖视图；
32.图5为本发明实施例中双级进水旋流器在的一级旋流进水通道位置的径向剖视图；
33.图6为本发明实施例中双级进水旋流器在的二级旋流进水通道位置的径向剖视图；
34.图7为本发明实施例中燃烧组织方法的流场示意图。
35.附图标号：
36.双级进水旋流器1、等直段101、文氏管结构102、套管段103、导流槽104、一级旋流进水通道105、二级旋流进水通道106；
37.燃烧室主体2、外壁201、内壁202、进水夹层203、冲压进水口204；
38.绝热层挡板3、高温燃气入口301、粉末燃料入口302、旋流钝体303；
39.高温燃气4、金属粉末燃料5、一级旋流冲压水流6、二级旋流冲压水流7、中心回流区8。
40.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
41.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的一部分实施例，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作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。
42.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
43.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
44.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普
通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
46.如图1-4所示为本实施例公开的一种双级进水旋流燃烧室，包括双级进水旋流器1以及筒状结构的燃烧室主体2，双级进水旋流器1固定设在燃烧室主体2的入口端。
47.双级进水旋流器1尾回转体结构，且双级进水旋流器1内具有沿周向贯穿双极进水旋流器的燃料通道，燃料通道的一端设有燃料入口，另一端与燃烧室主体2相通，燃料通道靠近下游的壁面为具有导流槽104的夹层结构。具体地，燃料通道由三部分组成，分别为上游的等直段101、中游的文氏管结构102以及下游的套管段103。等直段101的一端为燃料通道的入口，另一端与文氏管结构102的首段相通；套管段103的一端套设在文氏管结构102的尾段，另一端为燃料通道的出口，导流槽104即位于套管段103的内壁202与文氏管结构102的外壁201之间，且导流槽104的出口与文氏管结构102的出口端平齐。在具体实施过程中，也可不设置等直段101，即燃料通道的上游与中游均由文氏管结构102占据。
48.参考图5，双级进水旋流器1的侧部设有若干一级旋流进水通道105，各一级旋流进水通道105的入口端沿周向位于双级进水旋流器1的侧壁上，出口端与燃料通道的入口壁面(即等直段101的壁面)相通，各一级旋流进水通道105的出口型面均为直流式喷嘴型面，且各一级旋流进水通道105的长度方向与燃烧室的轴向垂直，各一级旋流进水通道105以相同的径向夹角沿周向分布在双级进水旋流器1上。
49.参考图6，双级进水旋流器1的侧部还设有若干二级旋流进水通道106，各二级旋流进水通道106的入口端沿周向位于双级进水旋流器1的侧壁上，出口端与导流槽104的壁面(即套筒段的壁面)相通，各二级旋流进水通道106的出口型面均为直流式喷嘴型面，且各二级旋流进水通道106的长度方向与燃烧室的轴向垂直，各二级旋流进水通道106以相同的径向夹角沿周向分布在双级进水旋流器1上。其中，一级旋流进水通道105的旋向与二级旋流进水通道106的旋向相反。
50.本实施例中，一级旋流进水通道105的数量为8个，8个一级旋流进水通道105均以45
°
角呈周向布置，即各一级旋流进水通道105与双级进水旋流器1径向的夹角为45
°
。二级旋流进水通道106的数量与一级旋流进水通道105的数量相等，同样为8个，8个二级旋流进水通道106均以45
°
角呈周向布置，即各二级旋流进水通道106与双级进水旋流器1径向的夹角为45
°
。其中，一级旋流进水通道105以双级进水旋流器1径向为起点顺时针偏移，二级旋流进水通道106以双级进水旋流器1径向为起点逆时针偏移。
51.本实施例中，燃烧室主体2为具有外壁201与内壁202的夹层结构，外壁201与内壁202之间具有进水夹层203，外壁201上位于燃烧室中游或下游的位置设有与进水夹层203相通的冲压进水口204。双级进水旋流器1嵌入外壁201后与外壁201、内壁202固定相连，一级旋流进水通道105的入口端、二级旋流进水通道106的入口端均位于进水夹层203内，其中，双级进水旋流器1、外壁201与内壁202可以通过3d打印的方式一体成型。
52.本实施例中，双级进水旋流器1上对应燃料通道入口的位置设置有绝热层挡板3，燃料入口包括设在绝热层挡板3上的高温燃气入口301与粉末燃料入口302。粉末燃料入口302上设有旋流钝体303，以将粉末燃料离散。
53.基于上述双级进水旋流燃烧室，本实施例还公开了一种燃烧组织方法，该方法采用上述双级进水旋流燃烧室，参考图7，该燃烧组织方法具体包括如下步骤：
54.首先，将高温燃气4通过绝热层挡板3内部的高温燃气入口301喷入燃料通道，为燃料通道以及燃烧室预先创造高温环境；
55.随后，将金属粉末燃料5从粉末燃料入口302经过旋流钝体303离散后以轴向旋转运动方式喷入燃料通道，在高温燃气作用下，金属粉末燃料5在燃料通道内部达到点火温度；
56.在高温燃气和金属粉末燃料5进入燃料通道之后，冲压水流从冲压进水口204进入进水夹层203，进水夹层203内的冲压水流以通过自身压强喷入双级旋流器内部参与燃烧：
57.从8个一级旋流进水口喷入的一级旋流冲压水流6在高温燃气作用下转换为一级旋流水蒸气，一级旋流水蒸气与达到点火温度的金属粉末燃料5启动燃烧反应，同时在文氏管结构102内向后边进行掺混燃烧边向后加速流动；从8个二级旋流进水口喷入燃料通道的二级旋流冲压水流7首先进入导流槽104，在导流槽104的导流作用下，以轴向旋流方式在套筒段内与一级旋流进水、高温燃气以及金属粉末燃料5所形成的主流进行补燃掺混；
58.当一级旋流水蒸气和二级旋流水蒸气流出燃料通道后，由于旋流水蒸气离心力的作用，在轴向形成负压力梯度，使后部气体回流进而在燃烧室本体内形成中心回流区8；
59.金属粉末燃料5与一级旋流水蒸气、二级旋流水蒸气掺混后进入中心回流区内燃烧，最终实现燃料与冲压水流的高效稳定燃烧。
60.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。