用于旋转爆震推进系统的泡腾雾化结构和操作方法技术方案

本公开提供一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法和系统。该方法包括：使液体燃料流动通过RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与液体燃料成比例地流动通过喷嘴组件的燃料喷射口；在燃料喷射口处通过将气体流与液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过RDC系统的喷嘴流动通路；在喷嘴流动通路内通过将气液燃料混合物与氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在RDC系统的燃烧室内点燃氧化剂气液燃料混合物。

【技术实现步骤摘要】
用于旋转爆震推进系统的泡腾雾化结构和操作方法
本专利技术主题涉及一种用于推进系统中的连续爆震(continuousdetonation)系统。
技术介绍
许多推进系统，例如燃气涡轮发动机均基于布雷顿循环(BraytonCycle)，其中空气以绝热方式压缩、在恒定压力下加热、产生的热气在涡轮中膨胀，并且在恒定压力下排热。之后，可将超出驱动压缩系统所需之外的能量用于推进或其他工作。所述推进系统大体上依赖于爆燃来燃烧燃料空气混合物并且产生在燃烧室内以相对低速和恒定压力行进的燃烧气体产物。尽管基于布雷顿循环的发动机已经通过稳定提高部件效率以及提高压力比和峰值温度而达到了较高的热力效率水平，但仍需进一步改进。因此，现已致力于通过改变发动机架构以使得燃烧在连续或脉冲模式下以爆震形式发生来提高发动机效率。脉冲模式设计涉及一个或多个爆震管，而连续模式基于容纳单个或多个爆震波旋转的几何形状，通常为环状。对于这两种模式，高能点火会引爆燃料空气混合物，进而转变成爆震波(即紧密连通到反应区域的快速移动的冲击波)。相对于反应物的声速，爆震波以大于声速的马赫数范围(例如4到8马赫)行进。燃烧产物以相对于爆震波的声速和显著升高的压力紧随爆震波行进。所述燃烧产物之后可以通过喷嘴排出以产生推力或使涡轮旋转。对于各种旋转爆震系统，防止回流到旋转爆震区上游的较低压力区域的任务已经通过向燃烧室内提供急剧压力降而得到了解决。但是，这可能会降低旋转爆震燃烧系统的效率优势。通常，爆震燃烧系统基于在环形燃烧室中是否能够维持最小数量的爆震单元(detonationcell)。爆震单元的特征在于单元宽度(λ)，其中所述单元宽度取决于燃料和氧化剂的类型以及燃烧室处的反应剂的压力和温度以及反应剂的化学计量(φ)。对于每种燃料和氧化剂组合，针对大于或小于1.0的化学计量，单元尺寸随着压力和温度的升高而减小。在各种推进系统设备中，例如针对燃气涡轮发动机的推进系统设备，所述单元宽度在从最低稳态操作条件(例如，地面空转)下到最高稳态操作条件(例如，最大起飞)下可以减小20倍或更多。所属领域中普通技术人员均知道，燃烧室几何形状是由期望的爆震单元尺寸所限定的，所述期望的爆震单元尺寸基于燃料氧化剂混合物以及此混合物的压力、温度和化学计量比。燃料氧化剂混合物、压力、温度和化学计量比(例如，在推进系统的各种操作条件下)的各种组合可能导致固定几何形状的燃烧室在多个操作条件下效率低下。但是，可变几何形状的燃烧室通常涉及复杂的结构，这可能显著降低或消除推进系统的整体效率或可操作性。旋转爆震燃烧器(rotatingdetonationcombustor)通常是环形，并且需要燃料氧化剂喷射以便以最小长度接近预混合条件，同时减轻燃烧器内的火焰稳定。因此，旋转爆震燃烧系统通常需要多个最小尺寸的孔口，以在喷射器内快速混合燃料和氧化剂。所述液体燃料也需要雾化成非常小的液滴，以便产生旋转爆震波。液体燃料雾化通常可能是由于来自喷射器气流的动量传递而产生的。但是，所述已知几何形状通常导致无法将旋转爆震燃烧系统应用到尺寸日益减小的设备中，或者通常需要采用窄容差(tight-tolerance)特征，进而提高燃烧系统的制造复杂性，这其中的每一个都可能限制旋转爆震燃烧系统的应用。因此，需要提供改进的液体燃料雾化爆震燃烧系统。另外，需要一种在多个操作条件下都提供期望的爆震单元尺寸的爆震燃烧系统。
技术实现思路
本专利技术的方面和优点将部分地在以下说明中阐明，或根据所述说明可显而易见，或可以通过实践本专利技术了解到。本公开涉及一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化(effervescentatomization)方法。所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。在一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。在另一个实施例中，使气体流动包括使空气或惰性气体流动。在各种实施例中，使气体流动包括使气体燃料流动。在一个实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。在另一个实施例中，使气体流动包括使气体在大于所述燃料喷射口内的所述液体燃料流的压力下流动。在又一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。在又一个实施例中，产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。本公开进一步涉及一种对于包括旋转爆震燃烧(RDC)系统的推进系统，以大致恒定的爆震单元尺寸操作推进系统的方法。所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体燃料在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；通过在所述喷嘴流动通路内将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物；以及至少基于所述推进系统的命令操作条件来调节气体燃料相对于所述液体燃料的体积流量。在一个实施例中，使气体燃料流动至少基于在所述推进系统的第一操作条件下的期望的爆震单元尺寸。在各种实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于在大于所述第一操作条件的第二操作条件下维持大致恒定的爆震单元宽度。在一个实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于在所述第二操作条件下，以大约1.0或以下的化学计量比维持大致恒定的爆震单元宽度。在另一个实施例中，调节所述气体燃料的体积流量至少基于所述RDC系统处的氧化剂的压力和温度。在又一个实施例中，使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。在又一个实施例中，所述方法进一步包括至少基于所述推进系统的所述命令操作条件来调节液体燃料流。在一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。在另一个实施例中，产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。在又一个实施例中，产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。本公开进一步涉及一种用于向推进系统的旋转爆震燃烧(RDC)系统提供液体燃料泡腾雾化的系统。所述推进系统包括：第一泵，所述第一泵配置成向所述RDC系统提供可变气体流速；以及第二泵，所述第二泵配置成向所述RDC系统提供可变液体燃料流速；以及计算装置，所述计算装置包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置，所述一个或多个存储装置存储指令，所述指令在被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法，所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。

【技术特征摘要】
2017.06.09 US 15/6186371.一种用于推进系统的旋转爆震燃烧器(RDC)的液体燃料泡腾雾化方法，所述方法包括：使液体燃料流动通过所述RDC系统的喷嘴组件的燃料喷射口；使气体在体积上与所述液体燃料成比例地流动通过所述喷嘴组件的所述燃料喷射口；在所述燃料喷射口处通过将所述气体流与所述液体燃料流混合来产生气液燃料混合物；使氧化剂流动通过所述RDC系统的喷嘴流动通路；在所述喷嘴流动通路内通过将所述气液燃料混合物与所述氧化剂流混合来产生氧化剂气液燃料混合物；以及在所述RDC系统的燃烧室内点燃所述氧化剂气液燃料混合物。2.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物包括产生约1000％或更少的气体燃料对液体燃料体积流量比。3.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使空气或惰性气体流动。4.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使气体燃料流动。5.根据权利要求4所述的方法，其中使气体燃料流动包括使将所述气体燃料的爆震单元宽度限定成小于所述液体燃料的爆震单元宽度的气体燃料流动。6.根据权利要求1所述的方法，其中使气体流动包括使气体在大于所述燃料喷射口内的所述液体燃料流的压力下流动。7.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物包括产生约30％或更少的气体燃料对液体燃料质量流量比。8.根据权利要求1所述的方法，其中产生气液燃料混合物至少基于气体体积通量和液体燃料体积通量来限定所述气液燃料混合物的环形流、雾状流或者分散流。9.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：S帕尔，J泽利纳，AW约翰逊，CS库珀，SC维斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US