一种旋转爆震发动机燃烧室及其使用方法与流程

1.本专利涉及航空发动机部件燃烧试验领域，具体涉及一种旋转爆震发动机燃烧室及其使用方法。


背景技术：

2.爆震燃烧本质上是一种以较低的熵增实现极快化学反应的复杂过程，极快反应速率使得爆震燃烧接近于等容过程，与等压燃烧相比，其热力循环效率高出20％以上，将会大大降低推进系统的燃油消耗率。另外，爆震燃烧属于自增压燃烧形式，因此可减小压气机级数、降低涡轮负荷，甚至可完全取消复杂的增压系统，从而简化发动机结构。正因如此，爆震燃烧技术可能带来推进领域的颠覆性革新，是世界军事强国的研究热点，是大国争夺的下一个技术制高点。
3.旋转爆震发动机(rotating detonation engine，简称rde)，也叫连续爆震发动机(continuous detonation engine，简称cde)，是指采用旋转爆震燃烧模式的发动机。旋转爆震发动机中，爆震波在环形旋转爆震燃烧室(rotating detonation chamber，简称rdc)中是连续传播的，因此旋转爆震发动机理论上只需一次点火起爆，爆震波在环形燃烧室内自循环连续传播，并持续产生推力。由于旋转爆震发动机不需要头部旋转阀等部件控制脉冲喷注推进剂的过程，并且可以调整波头个数等参数来适应来流条件，能以吸气式和火箭式两种方式工作，近年来引起了世界各国研究者的广泛关注，是近期国际上关注度最高的一种爆震发动机。
4.有关旋转爆震燃烧的概念，最早是1960年由苏联拉夫连季耶夫流体力学研究所voitsekhovskii等人提出的，他们首先在圆盘形试验装置上实现了预混乙炔/氧气的旋转爆震。本世纪初，随着人们对高速飞行器的应用需求，使得旋转爆震发动机重新成为了研究热点，随着研究的逐渐深入，旋转爆震发动机越来越被人们看好。目前，美国、俄罗斯、中国、日本、波兰、法国等国均在积极开展旋转爆震发动机研究。
5.目前最常见的旋转爆震发动机的燃烧室设计为同轴圆环腔结构，如图1所示，在喷注面，燃料和氧化剂通过细缝或圆孔喷入环腔燃烧室，点火后形成爆震波，并在燃烧室内发展出周向旋转的单头或多头爆震波，反应物在爆震波面被消耗，燃烧后的高温、高压燃气经膨胀几乎沿圆轴方向迅速喷出，产生推力，然而这种现有技术的旋转爆震发动机的燃烧室存在如下缺点：
6.1.单个环形燃烧室形成的燃气流量较小，导致推力不大；
7.2.单个环形燃烧室必然会形成旋转扭矩，给武器装备的应用带来不便，如需用于飞机上，则必须要消除旋转扭矩；
8.3.壁面冷却问题，燃烧室壁面温度过高，混合气体就容易自燃，自燃将导致爆燃燃烧而不是爆震燃烧，因此如壁面冷却问题不到位，则很容易爆燃，也就不会爆震燃烧；
9.4.同轴式喷嘴雾化较为均匀，但液滴存在时间长；对撞式喷嘴有助于雾化，但均匀性较差。采用同轴剪切式和正交对撞式的组合喷嘴，提高雾化效果，缩短雾化时间，快速形
成可燃混合气体。


技术实现要素：

10.本专利旨在提出一种旋转爆震发动机燃烧室及其使用方法；能够解决现有技术中，推力小、旋转扭矩无法消除、壁面冷却效率不高、以及喷嘴无效效果不理想的缺点。
11.为实现上述目的，本专利采用如下技术方案，
12.一种旋转爆震发动机燃烧室，该燃烧室由内外嵌套的多层环形管腔体组成，每个环形管腔体均形成一个独立的旋转爆震发动机燃烧室，每两个相邻腔体相比，二者旋转爆震的旋转方向相反。
13.进一步地，所述旋转爆震发动机燃烧室的数量为偶数个。
14.进一步地，所述外嵌套的多层环形管腔体的数量共有4个，腔体由内向外分别为第1-4层，则其中第1、2层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反；第2、3层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反；第2、3层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反。
15.进一步地，每一层环形管腔体形状的燃烧室，沿其腔体周向分布有多个冷却孔。
16.进一步地，在每个冷却孔内通入燃料，使用燃料对燃烧室壁面进行冷却。
17.进一步地，所述冷却孔成对设置，一对冷却孔分别包括冷却介质入口和冷却介质出口。
18.进一步地，每一层环形管腔体形状的燃烧室，沿其腔体周向分布有多个推进剂喷嘴。
19.进一步地，所述的推进剂喷嘴采用同轴剪切式和正交对撞式组合喷嘴。
20.一种根据上述结构的旋转爆震发动机燃烧室的使用方法，使得每两个相邻腔体的旋转爆震的旋转方向相反。
21.进一步地，所述外嵌套的多层环形管腔体的数量共有4个，腔体由内向外分别为第1-4层，则其中第1、2层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反；第2、3层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反；第2、3层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反。
22.进一步地，根据实际工况中所需要的推力来确定环形管腔体的数量。
23.进一步地，根据实际工况中所需要的推进剂流量来确定环形管腔体的数量。
24.本专利的旋转爆震发动机燃烧室，采用多个环形燃烧室由内到外相互嵌套的结构，有效提高了进气流量，因此提高了发动机的推力；由于相邻两个环形腔的旋转爆震的旋转方向相反，因此抵消了工作介质旋转带来的扭矩，使得发动机动力输出更加平稳可控；在每个环形燃烧室内外壁面上设置进出气通道，采用燃料对燃烧室进行冷却；此外，采用同轴剪切式和正交对撞式组合喷嘴，可以有效提高雾化效果，快速形成可爆混合物。
附图说明
25.附图1为现有技术旋转爆震发动机的燃烧室的结构示意图；
26.附图2为发明旋转爆震发动机燃烧室的结构示意图；
27.附图3为本发明旋转爆震发动机燃烧室各环形管腔体内旋转爆震的旋转方向的示意图；
28.附图4为本发明旋转爆震发动机燃烧室各环形管腔体外壁冷却通道示意图；
29.附图5为本发明旋转爆震发动机燃烧室各环形管腔体外壁冷却通道剖视图；
30.附图6为本发明旋转爆震发动机燃烧室推进剂喷嘴结构图。
31.附图标记说明：
32.1-冷却剂出口、2-冷却剂入口、3-燃料喷嘴、4-燃料喷嘴通路1、5-燃料喷嘴通路2、6-燃料喷嘴通路3、7-氧化剂喷嘴通路。
具体实施方式
33.为使本专利的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利的具体实施例做详细的说明。
34.如图2所示，本专利提供了一种旋转爆震发动机燃烧室，该燃烧室由内外嵌套的多层环形管腔体组成，每个环形管腔体均形成一个独立的旋转爆震发动机燃烧室，工作时，燃料和氧化剂通过喷嘴喷入环腔燃烧室，点火后形成爆震波，其可在燃烧室内发展出周向旋转的单头或多头爆震波，反应物在爆震波面被消耗，燃烧后的高温、高压燃气经膨胀几乎沿圆轴方向迅速喷出，产生推力；本专利中，每个环形管腔体内均形成独立的周向旋转的单头或多头爆震波，并各自独立地生成发动机推力；因此该旋转爆震发动机燃烧室的推力应为各个燃烧室分别独立产生推力的总和；可见本专利的技术方案以多层环形管腔体的形式构建多个独立燃烧室，相比于传统的“并联”燃烧室，本专利显然结构更加紧凑，且整体强度、气动外形更为优秀。
35.本实施例中，如图3所示，所述外嵌套的多层环形管腔体的数量共有4个，腔体由内向外分别为第1-4层，其中第1层腔体内旋转爆震的旋转方向为顺时针、第2层腔体内旋转爆震的旋转方向为逆时针、第3层腔体内旋转爆震的旋转方向为顺时针、第4层腔体内旋转爆震的旋转方向为逆时针；由于其中第1、2层腔体内，二者旋转爆震的旋转方向相反，因此第1层腔体内的旋转爆震波产生的扭矩与第2层腔体相反；同样地，第3层腔体内的旋转爆震波产生的扭矩，与第4层腔体相反；由此，第1、2层由于旋转爆震而产生的扭矩相互抵消；且第3、4层由于旋转爆震而产生的扭矩相互抵消；由此本专利的旋转爆震发动机燃烧室，在整体上对外表现出一个相对较小的扭矩总和，由此使得旋转爆震发动整体给飞行器附加的扭矩减小到最小，最终使得飞行器操控更加容易。
36.进一步地，可以通过第1、第2层腔体内各自工作介质的质量、旋转爆震旋转的速度等参数，而使得第1层腔体的扭矩在数值上恰好等于第1层腔体的扭矩，即可使得二者完全相互抵消；同理，第3、第4层腔体内，由于旋转爆震而产生的扭矩，亦可完全相互抵消；在这种情况下，旋转爆震发动机燃烧室整体上对外表现的扭矩为零，即其只提供轴向推力。
37.本实施例中，如图3-5所示，每一层环形管腔体形状的燃烧室，沿其腔体周向分布有多个冷却孔1和2，其中冷却孔1表示其为冷却剂出口、冷却孔2表示其为冷却剂入口；每一对却剂出口1、冷却剂入口2相互构成一个冷却剂回路，以此对环形管腔体形状的燃烧室的壁面进行冷却；多对冷却剂回路均匀分布在环形管腔体形状的燃烧室壁面上，以此对壁面进行高速、均匀冷却，避免燃烧室壁面温度过高而导致的混合气体容易自燃的缺点。
38.进一步地，本实施例中，在每个冷却孔内通入燃料，使用燃料对燃烧室壁面进行冷却，这样一方面使用液体燃料冷却爆震燃烧室壁面，避免爆震燃烧室内产生爆燃燃烧，另一方面可对燃料进行预热，以降低粘性，提高雾化和燃烧效率。
39.本实施例中，如图6所示，推进剂喷嘴采用同轴剪切式和正交对撞式组合喷嘴，其中，4、5分别为两条独立的燃料喷嘴通路，二者喷射出的燃料在前方进行对撞雾化；6为燃料喷口通道、7为氧化剂喷口通道，6和7喷口的速度差较大，在出口通过剪切效应进行雾化，本专利的推进剂喷嘴采用同轴剪切式和正交对撞式组合喷嘴，使得剪切雾化后的燃料进一步碰撞雾化，大大改善了雾化效果，提高了燃烧效率。
40.本专利同时涉及一种旋转爆震发动机燃烧室的使用方法，在该方法中，使得每两个相邻腔体的旋转爆震的旋转方向相反，关于燃烧室内旋转爆震的旋转方向的控制的方式，已是现有技术，在此不再赘述；而本方法中，例如所述外嵌套的多层环形管腔体的数量共有4个，腔体由内向外分别为第1-4层，控制第1层腔体内旋转爆震的旋转方向为顺时针、第2层腔体内旋转爆震的旋转方向为逆时针、第3层腔体内旋转爆震的旋转方向为顺时针、第4层腔体内旋转爆震的旋转方向为逆时针；具体参见上文描述的原理，采用这种控制方法后，能够大幅减小旋转爆震发动机自身产生的扭矩，从而使其动力输出更为稳定，可控。
41.虽然本专利披露如上，但本专利并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本专利的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本专利的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。