一种单通道供氧爆震燃烧室模块及爆震燃烧室的制作方法

1.本说明书涉及爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种单通道供氧爆震燃烧室模块及爆震燃烧室。


背景技术：

2.自然界中存在缓燃燃烧和爆震燃烧两种燃烧方式，缓燃燃烧的火焰传播速率相对较低，内燃机、航空发动机和燃气轮机等动力装置内的燃烧方式均为缓燃燃烧；爆震燃烧的特点在于燃烧区的上游为激波结构，激波与燃烧区耦合在一起传播，爆震燃烧的火焰传播速度远高于缓燃燃烧，通常能达到数千米每秒。
3.近年来，伴随着对超高音速飞行器及单级入轨动力系统的研究的不断深入，新型连续旋转爆震发动机技术得到了快速的发展。研究表明，基于爆震燃烧的推进技术能够极大的减低燃油消耗，大幅度提高动力装置的比冲特性，对拓宽吸气式飞行器工作包线、提升现有武器装备经济性和作战性能具有重要的意义。作为一种可以弯道超车的领先技术，对其全面深入的研究显得更加的迫切。
4.连续旋转爆震发动机是一种利用爆震燃烧的动力技术，总结其特点及优势在于：一、只需要一次成功起爆，爆震波即可沿燃烧室圆周方向连续传播；二、燃烧速率快，放热强度大，燃烧室结构紧凑，可以缩短发动机长度；三、具有增压特性，可以减少涡轮发动机压气机级数或降低冲压发动机进气道总压损失，有利于简化推进系统设计，提高发动机推重比；四、可用吸气式模态或火箭式模态工作，工作范围可从亚声速到高马赫数的超声速变化。因此，连续旋转爆震发动机的研究逐渐引起了科技界的广泛关注。
5.当前单环缝爆震燃烧室的(冲压或者火箭或者组合)爆震发动机推力不足、难以实现推力的简单精准高效控制，存在环缝燃烧室空间利用率低以及变推力控制困难等问题。当前爆震发动机仅有单燃烧室，横截面形状多为环缝型，中心空间未能够充分利用，且在燃料和氧化剂供给参数恒定的情况下不能像其他动力装置如涡喷发动机或者内燃机一样通过改变转速来实现输出推力大小的控制。推力的变化目前仅能通过当量比来控制，但是单环缝燃烧室实现稳定燃烧的流量大小不能无限的增大或者缩小，所以其推力可控的域度比较狭窄。
6.当前对于连续旋转爆震发动机的研究取得了较多的成果和积累了比较多的经验，但是针对其燃烧的可控性、变推力等的研究不够透彻的问题日渐暴露，对其工程化道路上的阻障越发突出，攻克以上关键问题对其最终应用落地显得更加的关键。爆震燃烧室最小截面、最短长度、最大比冲和最小体积的研究也已经开始紧锣密鼓的推进，研究集成多环缝爆震燃烧室的爆震发动机是一个简单可行的思路。但是内环体减小或者增大，数量的增多，燃料流量相应的减小了，燃料多通道喷注、氧化剂单通道喷注入口分流是其中一个研究的方向。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本说明书实施例提供一种单通道供氧爆震燃烧室模块及爆震燃烧室，通过模块化结构达到燃料多通道供给，推力精准控制的效果。
8.本说明书实施例提供以下技术方案：
9.一种单通道供氧爆震燃烧室模块，包括：
10.燃烧室组件，燃烧室组件包括环缝燃烧室、同轴且从内向外依次套接的内环体和燃烧室外壳，环缝燃烧室为燃烧室外壳和内环体合围构成的环形空腔；
11.氧化剂供给组件，氧化剂供给组件包括氧化剂入口、氧化剂进气腔壳体、氧化剂稳压腔、环缝燃烧室氧化剂分配入口、氧化剂均流板和氧化剂分配腔外盖板，氧化剂入口贯通设置在氧化剂进气腔壳体外壁，氧化剂稳压腔为氧化剂进气腔壳体内部的空腔，环缝燃烧室氧化剂分配入口的一端连通氧化剂稳压腔，环缝燃烧室氧化剂分配入口的另一端和氧化剂分配腔外盖板连通，氧化剂分配腔外盖板和氧化剂均流板连通，氧化剂均流板和所述环缝燃烧之间设置有氧化剂均流环缝，一个氧化剂稳压腔通过环缝燃烧室氧化剂分配入口、氧化剂分配腔外盖板、氧化剂均流板和氧化剂均流环缝与环缝燃烧室对应连通；
12.燃料喷注组件，燃料喷注组件包括燃料喷注器、燃料喷嘴、燃烧室外接燃料管和燃烧室燃料通道，燃烧室燃料通道的一端和燃烧室外接燃料管连通，燃烧室燃料通道的另一端和燃料喷注器连接，燃料喷嘴设置在燃料喷注器上，燃料通过燃烧室外接燃料管和燃烧室燃料通道进入燃料喷注器并经由燃料喷嘴进入环缝燃烧室。
13.进一步地，氧化剂进气腔壳体部分呈锥形结构，氧化剂入口设置在氧化剂进气腔壳体的中轴线位置。
14.进一步地，氧化剂进气腔壳体包括锥形段和直筒段，锥形段的小径端为氧化剂入口，锥形段的大径端与直筒段的一端连接，直筒段的另一端与环缝燃烧室氧化剂分配入口的一端连接。
15.进一步地，燃烧室外接燃料管可为多根，氧化剂入口和燃烧室外接燃料管均可通过单独的电磁阀和流量计控制流入的流量。
16.进一步地，氧化剂均流环缝可为多个。
17.进一步地，环缝燃烧室可为同轴套设的多层环缝燃烧室。
18.进一步地，爆震燃烧室包括多个单通道供氧爆震燃烧室模块。
19.进一步地，爆震燃烧室还包括点火组件，点火组件包括燃烧室击穿点火通道和预爆管点火器，预爆管点火器设置在燃烧室的外部并通过燃烧室击穿点火通道连通至环缝燃烧室。
20.进一步地，单通道供氧爆震燃烧室模块的排列方式包括同轴套设、一字形、星形、圆形、椭圆形、三角形的一种或者几种组合。
21.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
22.采用独特的多环缝燃烧室结构设计的爆震发动机，使得推力可调的范围扩大，通过对多个燃烧室工作状态的组合，控制推力的变化，控制系统简单有效，实现宽域度的推力快速精准调节与控制，所以极限最大推重比能做得更大，最小推力的下限更小；其次，充分的利用内外环、临近位置空间并随飞行器外型设计燃烧室，提升空间的利用率；再次，燃烧
室采用燃料多通道供给，互不影响，稳定安全；单通道的氧化剂供应通道，氧化剂的通道结构简单，一路氧化剂供应，实现多环燃烧室的点火，不工作的燃烧室依然会有氧化剂通过，给相邻的燃烧室提供冷却保护，提供了另一种气膜冷却的思路。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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获得其它的附图。
24.图1为本发明第一实施例侧面示意图；
25.图2为图1的a-a截面第2燃料腔截面的剖视图；
26.图3为本发明第一实施例的轴向后视图；
27.图4为图3的b-b截面第1/3燃料腔截面的剖视图；
28.图5为本发明第一实施例的轴向后视图；
29.图6为图5的c-c截面氧化剂分配腔截面的剖视图；
30.图7为图1的d-d截面预爆管点火截面的剖视图；
31.图8为本发明第一实施例环缝燃烧室氧化剂分配入口示意图；
32.图9为本发明第一实施例立体示意图；
33.图10为本发明第二实施例轴向剖视图；
34.图11为本发明第三实施例轴向剖视图；
35.图12为本发明第四实施例轴向剖视图。
36.附图标记说明：1、氧化剂进气腔壳体；2、内环缝燃烧室外接燃料管组；3、中环缝燃烧室外接燃料管组；4、外环缝燃烧室外接燃料管组；5、燃料喷注器；6、氧化剂分配腔外盖板；7、氧化剂均流板；8、燃烧室外壳；9、燃烧室第一中间壳体；10、燃烧室第二中间壳体；11、内环体；12、内环缝燃烧室；13、中环缝燃烧室；14、外环缝燃烧室；15、燃料喷嘴；16、中环缝燃烧室燃料通道；17、氧化剂稳压腔；18、燃烧室氧化剂分配入口；19、氧化剂入口；20、氧化剂均流环缝；21、预爆管点火器；22、中环缝燃烧室击穿点火通道；23、内环缝燃烧室击穿点火通道；24、内环缝燃烧室燃料通道；25、外环缝燃烧室燃料通道。
具体实施方式
37.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
38.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
39.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/
或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
40.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
41.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
42.现有技术的连续旋转爆震发动机燃烧室存在以下几点缺点：
43.1、结构单一，多为单环缝，在未采用新型轻量化材料的情况下，单一材料能做到的推重比低；
44.2、单燃烧室空间利用率低，一定横截面大小的环缝燃烧室内环空间基本都是实体或者纯粹空腔减重，这部分横截面不产生推力，浪费了空间；
45.3、相对于多环缝燃烧室，只有一种规格的燃烧室，燃烧室的燃烧环缝空间不可调节，不能变大变小，或者增加数量，耦合点火启爆，对与动力的提升没有本质的改变；
46.4、可调推力范围的域度较小，单环提升推力的方式主要是优化燃烧，提高氧化剂和燃料掺混效果，提升流量，但是燃烧室横截面是一定的，所以其可调节的范围相当有限；
47.5、因为需要变推力，单环缝燃烧室的控制系统相对复杂，零件数量较多，成本高，可靠性低，违背了爆震发动机建构简单的设计初衷；
48.6、单燃烧室，燃料进入也是采用单通道设计，一旦某一通道燃料发生故障停止供应，发动机将不能工作，对于特殊用途的飞行器常要求在多通道下燃料安全供给，发动机能稳定工作；
49.7、单环缝燃烧室再生冷却需要额外升级单独的冷却通道，多环燃烧室可以在不工作的情况，给相邻的燃烧室提供冷却，提供了另一种气膜冷却的思路。
50.针对环缝爆震发动机提供空间利用率低和推力可变的问题，可以在单环缝燃烧室的基础上，往里增加环缝数量，不改变发动机燃烧室的最大尺寸，充分利用了空间，单环点火或者多环点火实现推力的控制。同时也可以在单环缝燃烧室的基础上，往外增加环缝数量，不改变发动机燃烧室的长度尺寸、最小径向，不大改甚至不改变飞行器的情况下，充分利用了空间，实现单环点火或者多环点火实现推力的控制。或者内外轴向、径向环缝数同时增加，实现推力的宽域可调。
51.以下结合附图，说明本技术各实施例提供的技术方案。
52.图1至图9为本发明的一个实施例。
53.本实施例是具有单个氧化剂通道、三个燃料通道，且具有三个同轴径向布置的环缝燃烧室的爆震发动机。
54.如图1所示，爆震发动机包括氧化剂供给组件，燃料喷注组件，燃烧室组件和点火组件。
55.氧化剂供给组件包括：氧化剂进气腔壳体1、氧化剂稳压腔17、环缝燃烧室氧化剂分配入口18、氧化剂入口19、氧化剂均流板7和氧化剂均流环缝20。其中，氧化剂稳压腔17为横置的锥形结构，唯一一个氧化剂入口19位于氧化剂进气腔壳体1的中轴线上，氧化剂入口19设置在中心能够使氧化剂更均匀的流入各个燃烧室。氧化剂进气腔壳体1包括锥形段和直筒段，锥形段的小径端设置有氧化剂入口19，锥形段的大径端与直筒段的一端连接，直筒段的另一端与环缝燃烧室氧化剂分配入口18的一端连接。氧化剂均流板7和环缝燃烧之间设置有多个氧化剂均流环缝20，氧化剂通过环缝燃烧室氧化剂分配入口18、氧化剂均流板7和氧化剂均流环缝20进入环缝燃烧室。
56.燃料喷注组件包括：中环缝燃烧室燃料通道16、燃料喷嘴15、燃料喷注器5、燃烧室外接燃料管、外环缝燃烧室燃料通道25和内环缝燃烧室燃料通道24。燃烧室外接燃料管包括外环缝燃烧室外接燃料管组4、中环缝燃烧室外接燃料管组3和内环缝燃烧室外接燃料管组2。其中，内环缝燃烧室外接燃料管组2、中环缝燃烧室外接燃料管组3、外环缝燃烧室外接燃料管组4均包括四个外接燃料管；氧化剂均流板7是以每个燃料喷嘴15为圆心环绕喷嘴环缝进气。
57.燃烧室组件包括：燃料喷嘴15、燃烧室外壳8、燃烧室第一中间壳体9、燃烧室第二中间壳体10、内环体11、环缝燃烧室和氧化剂分配腔外盖板6。环缝燃烧室包括内环缝燃烧室12、中环缝燃烧室13和外环缝燃烧室14。氧化剂供给组件通过氧化剂分配腔外盖板6和燃烧室组件连接。燃烧室组件为同轴且从内向外依次套接的内环体11、燃烧室第二中间壳体10、燃烧室第一中间壳体9和燃烧室外壳8。内环缝燃烧室12为燃烧室第二中间壳体10和内环体11合围构成的环形空腔。中环缝燃烧室13为燃烧室第一中间壳体9和燃烧室第二中间壳体10合围构成的环形空腔。外环缝燃烧室14为燃烧室第二中间壳体10和燃烧室外壳8合围构成的环形空腔。
58.点火组件包括：燃烧室击穿点火通道和预爆管点火器21。其中，燃烧室击穿点火通道包括中环缝燃烧室击穿点火通道22和内环缝燃烧室击穿点火通道23。预爆管点火器21设置在整个燃烧室的外部，预爆管点火器21连通至外环缝燃烧室14并通过中环缝燃烧室击穿点火通道22、内环缝燃烧室击穿点火通道23分别连通至中环缝燃烧室13和内环缝燃烧室12。其中，通过预爆管点火器21能够实现小能量即可点火。
59.本实施例的工作原理为：
60.氧化剂通过外接氧化剂加注腔连接装置、单独的电磁阀以及流量计和氧化剂入口19接入氧化剂进气腔壳体1形成的氧化剂稳压腔17内部，通过图6所示的燃烧室氧化剂分配入口18、氧化剂均流板7和氧化剂均流环缝20流入到内环缝燃烧室12、中环缝燃烧室13和外环缝燃烧室14。
61.燃料通过多路单独外接的燃料连接装置，通过燃料电磁阀和燃料流量计控制燃料接入并与燃烧室外接燃料管连接，燃烧室外接燃料管包括外环缝燃烧室外接燃料管组4、中环缝燃烧室外接燃料管组3和内环缝燃烧室外接燃料管组2。燃料通过燃料喷注器5，进而喷注到外环缝燃烧室14、中环缝燃烧室13和内环缝燃烧室12。燃料与燃烧室氧化剂分配入口18分配而来的氧化剂进行掺混，形成充分混合的可爆混合物，并通过预爆管点火器21实现点火。点火能量通过击穿中环缝燃烧室击穿点火通道22传递到中环缝燃烧室13，通过击穿内环缝燃烧室击穿点火通道23传递到内环缝燃烧室12，实现通过一个点火器，多个燃烧室
的点火。燃料是高危可燃物，多通道的设计可以增强其安全性，只要不是所有通路故障，发动机仍然能有条件的进行工作。
62.根据应用场景的不同，实现推力变化的原理为：
63.一、通过控制独立燃料供应控制每个燃烧室的工作，实现推力的宽域度可调。
64.通过外环缝燃烧室外接燃料管组4、中环缝燃烧室外接燃料管组3、内环缝燃烧室外接燃料管组2的接入与断开，实现每个环缝燃烧室(外环缝燃烧室14、中环缝燃烧室13、内环缝燃烧室12)的分开工作或者两两组合工作或者同时满负荷工作，通过不同环缝燃烧室的单独点火到全负荷点火燃烧的控制，实现对推力的宽域度可调，在某个燃烧室不点火的情况下，氧化剂还是可以流经该环缝燃烧室，带走一部分热量，实现对工作燃烧室的冷却保护。氧化剂单通道设置，从控制和结构上更加的简单，只要控制一条通道，即可适应多种燃烧室的点火组合，不点火的通道能够带走一部分的热量，对相邻燃烧室壁面进行冷却保护。
65.二、燃烧室的紧凑布置，能在有限的空间内推力最大。
66.空间布置上，因为增加了紧凑型的布置，向内，可以实现截面直径较小环缝的燃烧室布置，推力的下限得到提升；向外，可以利用外环的外壁面作为常规设计的内环体，增加燃烧室个数，布置上能够更加的紧凑，推力上限在横截面一定的情况下比单环能做得更大。
67.完成燃烧工作状态后，先停止供给燃油，外接燃油管路的惰性气体气嘴电磁阀通电开始工作，气体吹扫燃料腔，将多余的燃油扫除干净，对燃烧室壁面进行短暂冷却降温，一个完整的工作循环结束。
68.本发明第一实施例的多环缝爆震燃烧室可以在现有发动机上同轴向内布置，或者利用现有外壁作为新增燃烧室的一部分，布置上更加紧凑；独立的多燃料通道的设计，控制简单，安全性和避障性大大提升；单通道氧化剂通道设计，结构简单，控制简便，一个氧化剂通道适应多个燃烧室组合点火，不工作的燃烧室依然有氧化剂流过，对相邻燃烧室进行壁面冷却；环缝燃烧室点火方式采用预爆管形式的点火器，可以单独点燃任意一个燃烧室，不必要单独设计多个点火装置，较少零件数量，降低装配成本。
69.本发明的其他实施例的工作原理和第一实施例相同。
70.图9、图10为本发明的第二实施例，此实施例的爆震发动机为具有五个环缝燃烧室，并且环缝燃烧室呈同轴套设分布的爆震发动机。相比第一个实施例，环缝燃烧室的个数增加的更多，推力能够更大。
71.图11为本发明的第三实施例，此实施例的爆震发动机为具有多个大小相同的环缝燃烧室，并且环缝燃烧室呈一字形分布的爆震发动机。一字形的分布，能使在固定空间内布置更多数量的燃烧室。
72.图12为本发明的第四实施例，此实施例的爆震发动机为具有多个大小相同的环缝燃烧室，并且环缝燃烧室呈星形分布的爆震发动机。
73.在另一些实施中，根据不同型号发动机的实际情况，爆震发动机的环缝燃烧室可为多个非对称且大小不相同的环缝燃烧室，爆震发动机的环缝燃烧室的分布方式还可为圆型、椭圆形、三角形等其他分布方式。
74.独特的多环缝燃烧室结构设计的爆震发动机，使得可调推力范围的扩大，通过对多个燃烧室的工作状态组合，即可控制推力的变化，控制系统简单有效，实现宽域度的推力快速精准调节与控制，所以极限最大推重比能做得更大，最小推力的下限能更小；其次，充
分的利用内外环、临近位置空间并依据飞行器的形状设计环缝燃烧室，提升空间的利用率；多环缝燃烧室采用燃料多通道供给，互不影响，稳定安全；多通道的氧化剂供应通道，氧化剂的控制更加的精准，多氧化剂的供应，对应多环燃烧室的点火，实现氧化剂和燃料对应单独通道供给到每个燃烧室；通过减少氧化剂的携带和精准控制供给，控制当量比，进而实现推力实时精准调控；不工作的时候，氧化剂可以继续控制供给，提供了另一种燃烧室气膜冷却的思路。
75.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
76.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。