可变几何形状的旋转爆震燃烧器及其操作方法技术

本申请涉及一种在爆震燃烧系统的燃烧室中，以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法。所述方法包括：提供外壁和内壁，外壁和内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的排气部分的燃烧室出口，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的所述容积。

【技术实现步骤摘要】
可变几何形状的旋转爆震燃烧器及其操作方法
本专利技术主题大体上涉及一种用于推进系统中的连续爆震(continuousdetonation)系统及其操作方法。
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在其中旋转的几何形状，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晓，燃烧室几何形状是由预期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、温度和化学计量比所限定的。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。因此，需要一种在推进系统的多个操作条件下都提供预期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。本申请涉及一种在爆震燃烧系统的燃烧室中，以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法。所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分。所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙和所述燃烧室长度共同在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件来改变。在一个实施例中，提供所述外壁和所述内壁在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。在各种实施例中，调节所述燃烧室的容积包括沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者。在一个实施例中，沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者包括在第二操作条件下减小所述环形间隙，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。在又一些各种实施例中，调节所述燃烧室的容积包括沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴。在一个实施例中，沿纵向驱动所述燃料氧化剂混合喷嘴包括在第二操作条件下减小所述燃烧室长度，所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。在另一个实施例中，调节所述燃烧室的容积至少基于在相对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数量。所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的旋转爆震燃烧系统处的压力和温度。在其他实施例中，所述方法进一步包括基于所述推进系统的命令操作条件(commandedoperatingcondition)来产生送到所述燃料氧化剂混合喷嘴的氧化剂流；至少基于所述推进系统的命令操作条件来向所述燃料氧化剂混合喷嘴提供燃料流；以及基于所述命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者。在一个实施例中，基于所述推进系统的命令操作条件来调节燃料和氧化剂条件中的一者或多者包括所述旋转爆震燃烧系统处的燃料流速、燃料压力、燃料温度、氧化剂流速、氧化剂压力和氧化剂温度中的一者或多者。在另一个实施例中，所述命令操作条件包括所述第一操作条件和第二操作条件，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度，并且所述第二操作条件限定大于所述第一操作条件的所述旋转爆震燃烧系统处的一个或多个压力和温度。在又一些各种实施例中，所述方法进一步包括在大于所述第一操作条件的第二操作条件下，基于所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者来确定所述燃烧室的预期容积。在一个实施例中，确定所述燃烧室的预期容积包括确定沿径向将所述外壁和所述内壁中的一者或多者进行关节式连接的量。在另一个实施例中，确定所述燃烧室的所述预期容积包括确定沿纵向将所述燃料氧化剂混合喷嘴进行关节式连接的量。在又一个实施例中，确定所述预期容积基于查阅表、时间表、传递函数和一个或多个性能图中的一者或多者。在又一个实施例中，确定所述预期容积至少基于相对于所述燃料和所述氧化剂的压力、温度和流速中的一者或多者的爆震单元尺寸，以及与预期爆震单元数量相对应的燃烧室容积范围。在一个实施例中，所述预期爆震单元数量在所述第一操作条件下以及大于所述第一操作条件的第二操作条件下大致相等。在另一个实施例中，所述容积范围包括所述外壁和所述内壁中的一者或多者沿所述径向进行关节式连接的范围，以限定环形间隙的范围。在又一个实施例中，所述容积范围包括在等于所述第一操作条件的第二操作条件下的固定燃烧室长度。在又一个实施例中，所述容积范围包括燃料氧化剂混合喷嘴沿纵向进行关节式连接的范围，以限定燃烧室长度的范围。所述方法的另一个实施例进一步包括监测被引爆燃料氧化剂混合物的爆震稳定性；以及基于受监测的爆震稳定性来确定所述燃烧室的预期容积。技术方案1.一种在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法，所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分，所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和所述内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法，所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分，所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和所述内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近所述燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的所述排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙以及所述燃烧室长度共同地在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件改变。

【技术特征摘要】
2017.06.09 US 15/6184311.一种在爆震燃烧系统的燃烧室中以大致恒定的爆震单元数量来操作推进系统的方法，所述推进系统限定位于所述旋转爆震燃烧系统上游的入口部分以及位于所述旋转爆震燃烧系统下游的排气部分，所述方法包括：提供外壁和内壁，所述外壁和所述内壁共同限定环形间隙和燃烧室长度，所述环形间隙和燃烧室长度从靠近所述燃料氧化剂混合喷嘴的燃烧室入口延伸到靠近所述推进系统的所述排气部分的燃烧室出口，所述环形间隙以及所述燃烧室长度共同地在第一操作条件下限定第一容积，所述第一操作条件限定所述旋转爆震燃烧系统处的最低稳态压力和温度；通过所述燃料氧化剂混合喷嘴向所述燃烧室提供燃料和氧化剂混合物；在所述燃烧室中引爆所述燃料和氧化剂混合物，其中所述爆震产生爆震单元尺寸；以及通过将所述外壁、所述内壁和所述燃料氧化剂混合喷嘴中的一者或多者进行关节式连接来调节所述燃烧室的容积，以使所述环形间隙和所述燃烧室长度中的一者或多者基于一个或多个操作条件改变。2.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述外壁和所述内壁在所述第一操作条件下基于预期爆震单元尺寸限定最大环形间隙和最大燃烧室长度。3.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述燃烧室的容积包括沿径向驱动所述外壁和所述内壁中的一者或多者。4.根据权利要求3所述的方法，其中沿径向驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：J泽利纳，S帕尔，AW约翰森，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