一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构制造技术

本发明专利技术提供了一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，所述RDE的环缝采用轴对称曲面环缝；RDE的横向射流与主射流流向呈钝角夹角；RDE的燃烧室头部内外壁面，均匀分布单排环腔阵列圆柱形燃料喷孔。所述燃料喷孔在二维偏转的基础上，增加了一个周向偏转。本发明专利技术优点在于：采用非线性的环缝构形，可以减少压力损失，还能使出口流场更稳定。对横向射流的上游区域减速，从而可达到充分的燃料穿透与混合；提高掺混效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构
本专利技术涉及旋转爆轰发动机
，特别涉及一种基于大尺度RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构。
技术介绍
目前的航空航天推进系统主要是基于等压燃烧的火箭发动机、冲压发动机和涡轮喷气发动机等，此种燃烧模态往往需要额外的机械部件如增压泵、压气机等来提高可燃混合气的压力，结构复杂。而爆轰燃烧模态具有自增压、燃烧速率快、热循环效率高的特点，特别适合于高速的航空航天推进系统，研究人员提出了基于爆轰燃烧的三种爆轰发动机概念：斜爆轰发动机、脉冲爆轰发动机和旋转爆轰发动机。此三种爆轰发动机目前都在研究探索阶段，仍需要大量试验和理论计算等方面的工作。RDE是一种利用爆轰波在环形燃烧室内连续旋转传播的发动机，具有一次点火、持续传播且推力稳定的特点。燃烧室通常为同轴圆环腔结构，一个或多个爆轰波在燃烧室头部沿圆周方向旋转传播，燃烧后的高温高压产物经膨胀沿轴向方向迅速喷出，产生推力。目前关于RDE的研究主要有两种手段：实验和数值研究。实验过程中为防止回火(燃烧逆向传播，发动机尾喷管方向为正向)，燃料和氧化剂分别进入燃烧室，边掺混边燃烧。而目前大部分数值研究采用预混的进气方式，忽略了掺混对爆轰波的影响。由于爆轰波的传播速度快、周期短，燃料和氧化剂在短时间内达到分子量级的掺混比较困难，更为重要的是掺混效果会影响爆轰波的燃烧效率和RDE的推进性能，因此对燃烧室燃料/氧化剂射流掺混效果的研究非常必要。本专利技术从提高燃料/空气掺混效果的角度出发，提出了一种用于大尺度RDE燃烧室的燃料喷注结构。掺混效果的评估标准主要有燃料在主流(空气射流)中的穿透深度、总压损失和燃料/空气的掺混效率。对于非预混来说，小孔/环缝是RDE燃烧室最常用的燃料/空气喷注方式。目前常见的有以下三种喷注结构。现有技术一的技术方案燃料和空气的喷注方向夹角为90°，即初始横向射流和初始主射流相互垂直，如图1。燃料采用小孔喷注，空气采用环缝喷注。燃料沿轴向喷入燃烧室，空气沿径向喷入燃烧室，燃料和空气在燃烧室头部混合。现有技术一的缺点采用小孔喷注，压力波容易上传，导致集气腔内的气体周期性的振荡，影响喷注效果。同时空气沿径向进行喷注，喷注压力需要维持在一个较小的范围内，压力过大空气射流会冲击到壁面造成比较大的动能损失；压力过小，空气射流的穿透深度不够，轴向的燃料射流容易穿透空气层，影响局部的掺混效果。尤其是大尺寸的燃烧室，燃料分布的不均匀性会更加显著，影响燃烧效率，严重制约发动机的推进性能。现有技术二的技术方案依然采用空气环缝喷注，燃料小孔喷注。其特点是空气环缝采用收缩-扩张构型。燃料喷孔设置在环缝扩张段紧邻喉部的位置，方向为顺气流方向，与主射流方向呈锐角夹角。小孔绕环腔燃烧室内壁均匀分布，其结构如图2所示。现有技术二的缺点燃料侧向喷注进入燃烧室从内壁面流向外壁面，由于内壁面燃料射流的阻碍，很容易在小孔下游内壁面附近形成低压回流区。回流区的卷吸作用使得大量的燃料进入该区域，回流区以外靠近外壁面的区域燃料较少。这造成燃料分布很大的不均匀性，会造成爆轰波严重的不稳定燃烧。顺着空气射流方向来喷注燃料的小夹角设计，容易削弱燃料射流的穿透能力，同时由于来流速度较大，燃料和氧化剂还未来得及掺混便流向下游，造成燃料的浪费。现有技术三的技术方案该方案是现有技术二的改进结构。图3(a)在二维方向上改变了燃料喷孔的角度，提高了燃料穿透性。(注：现有技术三称这种方式为逆喷，与本专利技术所指的逆向喷注不同。现有技术三中的逆向是以环缝的扩张段斜面为参照，空气来流方向为负方向。图3(a)虚线所示为扩张段法线，纵向箭头是燃料喷注方向，横向箭头是空气射流方向。文献以法线为基准，位于法线左侧的就称作逆方向，法线右侧的是顺。图示为逆喷情况。本专利所指逆向是以燃烧室水平内壁为参照。相同点是：都是以法线为判断基准。区别是：参照面不同。)图3(b)将单侧喷注改为双侧对撞喷注，可以改进大尺度下的径向掺混不均匀问题。对撞喷注使流场更紊乱，利于燃料和氧化剂的掺混。图3(c)双侧交错喷注，短时间内燃料扩散更快，比对撞喷注效果更好。现有技术三的缺点这种设计结构是基于冷流流场提出的，没有考虑到燃烧室内旋转爆轰波的影响。受掺混效果的影响，直线扩张斜面容易诱导爆轰波沿轴向移动，不利于爆轰波在燃烧室内的稳定。且爆轰波向上游移动，会增加壁面受热，不利于热防护；图3(a)增大横向射流的角度确实提高了燃料的穿透性，但是同时总压损失和掺混效果会下降。对于小尺度RDE来说，有限的空间和良好的穿透性足以弥补这种负面效应带来的影响，因此这种方案在小尺度时是适用的；方案提出的对撞喷注图3(b)和交错喷注图3(c)，燃料喷孔轴心都指向燃烧室环腔的轴心，单个燃料喷孔覆盖区域小，对掺混的提升效果有限。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，提供了一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，能有效的解决上述现有技术存在的问题。为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，所述RDE的环缝采用轴对称曲面环缝，设计成Laval构型的型面，将来流逐渐加速到超声速。且收缩段和扩张段均为光滑曲面，同时扩张段下游设计了后台阶3，一方面可以通过改变后台阶3的高度来灵活的设计燃烧室的径向尺寸而无需改变空气喷注环缝的大小，另一方面为稳定爆轰波沿着周向传播提供一定的支撑。进一步地，所述RDE的横向射流与主射流流向呈钝角夹角，角度范围90°～135°，即将燃料逆主射流方向喷注。横向射流方向对准主射流出口位置，利于两股横向射流和一股主射流在燃烧室头部对撞，产生强烈湍流流场，促进掺混。进一步地，所述RDE的燃烧室头部内外壁面，均匀分布单排环腔阵列圆柱形燃料喷孔2。所述燃料喷孔2在二维偏转的基础上，增加了一个周向偏转。进一步地，所述曲面的计算公式如下：其中，Ae、A*、γ、Mae分别表示环缝出口截面面积、喉部截面面积、比热比和出口气流马赫数。后台阶3高度计算公式如下：其中，H、和h分别表示燃烧室宽度、环缝出口截面宽度和后台阶高度。与现有技术相比本专利技术的优点在于：1.轴对称曲面环缝(1)轴对称曲面收缩-扩张环缝。通常来讲，掺混过程会带来一定的总压损失，从而造成推力损失。因此，在提高掺混效率的同时也要考虑总压损失的影响。在喉部附近，很小的截面面积变化会引起很大的速度增量。但是远离声速处，同样的截面面积变化只能引起很小的速度变化。采用非线性的环缝构形，可以减少压力损失，还能使出口流场更稳定。(2)环缝扩张段设置后台阶。后台阶有两个作用：对横向射流的上游区域减速，从而可达到充分的燃料穿透与混合；后台阶还可以支持燃料的点火和持续燃烧，提高燃烧室内的爆轰波稳定性，有效防止其向上游传播。2.逆向燃料喷注。(1)横向射流和主射流在更早的时刻掺混。这种逆向(燃烧室出口方向为正向)喷注延长了燃料/空气的掺混时间，使气流向下游传播时已经具有一定的混合程度，表现出更好的掺混效率。(2)横向射流逆向对撞主射流。燃料顺着空气流动方向喷注，形成的射流深度较短。逆喷时，燃料首先逆着空气方向运动直至轴向速度减小为0，然后再在空气流的带动下顺着空气流动。研究发现逆喷和顺喷相比，掺混效率最大提升了40％。随着流场向下游传播，这种提升效果逐渐减小，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，其特征在于：所述RDE的环缝采用轴对称曲面环缝，设计成Laval构型的型面，将来流逐渐加速到超声速；且收缩段和扩张段均为光滑曲面，同时扩张段下游设计了后台阶，一方面可以通过改变后台阶的高度来灵活的设计燃烧室的径向尺寸而无需改变空气喷注环缝的大小，另一方面为稳定爆轰波沿着周向传播提供一定的支撑。

【技术特征摘要】
1.一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，其特征在于：所述RDE的环缝采用轴对称曲面环缝，设计成Laval构型的型面，将来流逐渐加速到超声速；且收缩段和扩张段均为光滑曲面，同时扩张段下游设计了后台阶，一方面可以通过改变后台阶的高度来灵活的设计燃烧室的径向尺寸而无需改变空气喷注环缝的大小，另一方面为稳定爆轰波沿着周向传播提供一定的支撑。2.根据权利要求1所述的一种基于RDE燃烧室的环腔旋流对喷结构，其特征在于：所述RDE的横向射流与主射流流向呈钝角夹角，角度范围90°～135°，即将燃料逆主射流方向喷注；横向射流方向对准主射流出口位置，利于两股横向射流和一股主射流在燃烧室头部对...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕宏辉，郗雪辰，杨鹏飞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11