串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机及工作方法技术

本发明专利技术提供一种串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机及工作方法，包括燃烧室外壳体、包括进气道、隔离段、第一级燃烧室、第一级收缩段、第二级燃烧室、第二级收缩段、出口喷管、燃烧室中心体、第一级燃料喷注腔、第二级燃料喷注腔、第一级燃料喷孔、第二级燃料喷孔、中心体前支撑、中心体后支撑，本发明专利技术针对高或低马赫数工作状态下旋转爆震燃烧组织流动特性，实现在同一流道里高或低马赫数旋转爆震燃烧工作状态兼容，从而拓宽旋转爆震冲压发动机工作马赫数范围；考虑到高/低来流马赫数工作状态下，燃烧反压前传距离相差较大的情况，通过将两个燃烧室串联布置，并合理安排燃烧组织工作模态，可解决宽来流马赫数条件下燃烧反压前传问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机及工作方法


[0001]本专利技术属于旋转爆震冲压发动机
，具体涉及到一种串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机及工作方法。

技术介绍

[0002]旋转爆震燃烧作为一种新型燃烧模式，具有放热速度快、一次点火即可连续工作、热效率更高等优势，在缩短燃烧室长度、减轻结构重量、提升推进性能等方面具有独特优势，可应用在航空发动机、火箭发动机及冲压发动机中以替代现有爆燃燃烧模式，在航空航天推进领域具有广阔应用前景。其中，旋转爆震冲压发动机即是以旋转爆震组织燃烧的新型冲压发动机类型，其主要工作过程是：高速气流经进气道捕获减速后经隔离段进入环形燃烧室，然后与喷孔喷注进入的燃料充分混合形成可燃混合气。随后，通过点火起爆，环形燃烧室内形成爆震波并沿燃烧室周向方向高速高频传播，通过爆震波实现燃料的快速释热。爆震波后高温燃烧产物沿流向向下游传播，经喷管加速排出从而实现发动机推力转化。
[0003]爆震波具备良好的来流适应性，前期的研究工作已经表明，冲压模态下旋转爆震能够在不同来流马赫数下实现高效稳定燃烧，但在不同马赫数范围内，旋转爆震稳定燃烧组织时的燃烧室构型存在差异，难以在单一燃烧室下实现宽马赫数范围内旋转爆震稳定高效燃烧。此外，在不同飞行马赫数条件下，高速空气来流状态变化剧烈，隔离段抵抗燃烧反压的能力差别较大。在较高马赫数条件下隔离段激波前传距离较短，隔离段长度不需太长；而在较低马赫数下，隔离段激波前传距离明显加长，需要较长的隔离段以避免燃烧反压前传。在高或低来流马赫数范围内隔离段长度要求相差较大，若要实现旋转爆震冲压发动机宽来流马赫数范围稳定工作，还需合理考虑隔离段设计。
[0004]因此，针对上述问题，设计一种具备在同一流道下实现宽马赫数范围内反压前传可控、燃烧性能高效的新型旋转爆震燃烧室构型十分重要。本专利技术提出了一种串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机燃烧室构型，可以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机，包括外壳体1，外壳体1内部放置中心体2，中心体2通过中心体前支撑3和中心体后支撑4与外壳体1相连；外壳体1与中心体2之间形成环形流道，沿气流传播方向，该环形流道依次包括进气道5、隔离段6、第一级燃烧室10、第一级收缩段11、第二级燃烧室14、第二级收缩段15、出口喷管16；中心体2内部设置燃料储箱9；中心体前支撑3位于进气道5与第一级燃烧室10之间的隔离段6，中心体后支撑4位于第二级燃烧室14与出口喷管16之间的第二级收缩段15；为保证气流通流，中心体前支撑3及中心体后支撑4采用周向均匀分布；第一级喷注腔7及第二级喷注腔12均为双喷注腔结构，双喷注腔分别设置于外壳
体1及中心体2上；沿气流传播方向，第一级喷注腔7位于隔离段6远离来流的尾端和第一级燃烧室10靠近来流的前端之间；沿气流传播方向，第二级喷注腔12位于第一级收缩段11远离来流的尾端和第二级燃烧室14靠近来流的前端之间；第一级喷注腔7对应的外壳体1和中心体2上都设有第一级喷注孔8，第一级喷注孔8通过流道连通至第一级喷注腔7；第二级喷注腔12对应的外壳体1和中心体2上都设有第二级喷注孔13，第二级喷注孔13通过流道连通至第二级喷注腔12；第一级喷注孔8及第二级喷注孔13均沿圆周方向均匀分布。
[0006]其中，外壳体1用于支撑中心体2；中心体2与外壳体1间形成环形流道；中心体前支撑3和中心体后支撑4用于支撑中心体；进气道5用于捕获来流并形成环形气流；燃料储箱9用于存储燃料；第一级喷注腔7、第二级喷注腔12用于使燃料沿发动机圆周方向均匀填充；第一级喷注孔8、第二级喷注孔13用于喷注燃料；第一级燃烧室10、第二级燃烧室14用于点火起爆并在燃烧室内形成旋转爆震波；出口喷管16用于将高温气流转化为高速气流，从而产生推力；低马赫数来流条件下，第二级燃烧室14点火起爆，隔离段6、第一级燃烧室10、第一级收缩段11用于隔离第二级燃烧室14的反压进入进气道5；高马赫数来流条件下，隔离段6用于隔离第一级燃烧室10的反压进入进气道5。
[0007]作为优选方式，第一级燃烧室宽度δ1及第二级燃烧室宽度δ2满足如下公式：δ≥0.5λ，当采用液体燃料时，还满足δ≥d；第一级燃烧室长度L1及第二级燃烧室长度L2需满足如下公式：L≥2（12
±
5）λ，式中，λ为当前燃烧室室压下混合气所对应的爆震波胞格尺寸，d为燃料液滴的最小直径；在满足以上要求的基础上，第一级燃烧室10的型面结构设计以马赫数Ma=5来流条件为标准设计点，实现马赫数Ma=4~6来流范围旋转爆震燃烧；第二级燃烧室14的型面结构设计以马赫数Ma=3来流条件为标准设计点，实现马赫数Ma=2~4来流范围旋转爆震燃烧。
[0008]作为优选方式，第一级喷注腔7和第二级喷注腔12的双喷注腔结构，喷注腔截面为方形或圆形，喷注腔截面面积为4~25mm2，喷注腔燃料压力为1~5MPa。
[0009]作为优选方式，第一级喷注孔8和第二级喷注孔13沿圆周均匀分布，为保证燃料和空气掺混效果，喷孔直径为0.2~0.6mm；对于液体燃料，喷孔数n满足以下公式：，其中m为燃料流量，C
d
为喷注孔流量系数，D为喷注孔直径，p为喷注腔燃料压力，ρ为燃料密度；对于气体燃料，喷注孔数n满足，式中m为燃料流量，T
t
为燃料总温，p为喷注腔燃料压力，C
d
为喷注孔流量系数，D为喷注孔直径，K为与燃料相关的常数，由以下公式得到：，式中，γ为比热比，R为燃料气体常数，为保证燃料和空气掺混效果，喷注孔直径D为0.2~0.6mm。
[0010]作为优选方式，第一级收缩段11的通流面积A
th
小于第一级燃烧室10的通流面积A
c
，且第二级收缩段15的通流面积A
th
小于第二级燃烧室14的通流面积A
c
；面积收缩比AR范围为1.2~2.5，面积收缩比AR为第一级燃烧室10的通流面积A
c
和第一级收缩段11的通流面积A
th
的比值，或为第二级燃烧室14的通流面积A
c
和第二级收缩段15的通流面积A
th
的比值。
[0011]作为优选方式，中心体2通过中心体前支撑3和后支撑4固定于外壳体1内部中心。
[0012]作为优选方式，高马赫数来流条件是指4＜Ma≤6；低马赫数来流条件是指2≤Ma≤4；高温气流是指气流总温大于2000K；高速气流是指气流速度大于2倍音速。
[0013]本专利技术还提供一种所述串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机的工作方法，其为：低马赫数来流条件下，来流空气经进气道5捕获后经隔离段6、第一级燃烧室10、第一级收缩段11进入第二级燃烧室14，随后与第二级喷注孔13喷注进入的燃料混合后，在第二级燃烧室14内点火起爆并形成旋转爆震波；旋转爆震燃烧产生的燃烧产物经第二级收缩段15及出口喷管16排出大气，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机，其特征在于：包括外壳体（1），外壳体（1）内部放置中心体（2），中心体（2）通过中心体前支撑（3）和中心体后支撑（4）与外壳体（1）相连；外壳体（1）与中心体（2）之间形成环形流道，沿环形流道气流传播方向，该环形流道依次包括进气道（5）、隔离段（6）、第一级燃烧室（10）、第一级收缩段（11）、第二级燃烧室（14）、第二级收缩段（15）、出口喷管（16）；中心体（2）内部设置燃料储箱（9）；中心体前支撑（3）位于进气道（5）与第一级燃烧室（10）之间的隔离段（6），中心体后支撑（4）位于第二级燃烧室（14）与出口喷管（16）之间的第二级收缩段（15）；中心体前支撑（3）及中心体后支撑（4）采用周向均匀分布；第一级喷注腔（7）及第二级喷注腔（12）均为双喷注腔结构，双喷注腔分别设置于外壳体（1）及中心体（2）上；沿气流传播方向，第一级喷注腔（7）位于隔离段（6）远离来流的尾端和第一级燃烧室（10）靠近来流的前端之间；沿气流传播方向，第二级喷注腔（12）位于第一级收缩段（11）远离来流的尾端和第二级燃烧室（14）靠近来流的前端之间；第一级喷注腔（7）对应的外壳体（1）和中心体（2）上都设有第一级喷注孔（8），第一级喷注孔（8）通过流道连通至第一级喷注腔（7）；第二级喷注腔（12）对应的外壳体（1）和中心体（2）上都设有第二级喷注孔（13），第二级喷注孔（13）通过流道连通至第二级喷注腔（12）；第一级喷注孔（8）及第二级喷注孔（13）均沿圆周方向均匀分布。2.根据权利要求1所述的串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机，其特征在于：第一级燃烧室宽度δ1及第二级燃烧室宽度δ2满足如下公式：δ≥0.5λ，当采用液体燃料时，还满足δ≥d；第一级燃烧室长度L1及第二级燃烧室长度L2满足如下公式：L≥2（12
±
5）λ，式中，λ为当前燃烧室室压下混合气所对应的爆震波胞格尺寸，d为燃料液滴的最小直径；在满足以上要求的基础上，第一级燃烧室（10）的型面结构设计以马赫数Ma=5来流条件为标准设计点，实现马赫数Ma=4~6来流范围旋转爆震燃烧；第二级燃烧室（14）的型面结构设计以马赫数Ma=3来流条件为标准设计点，实现马赫数Ma=2~4来流范围旋转爆震燃烧。3.根据权利要求1所述的串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机，其特征在于：第一级喷注腔（7）和第二级喷注腔（12）的双喷注腔结构，喷注腔截面为方形或圆形，喷注腔截面面积为4~25mm2，喷注腔燃料压力为1~5MPa。4.根据权利要求1所述的串联式双燃烧室旋转爆震冲压发动机，其特征在于：第一级喷注孔（8）和第二级喷注孔（13）沿圆周均匀分布，喷注孔直径为0.2~0.6mm；对于液体燃料，喷注孔数n满足以下公式：，其中m为燃料流量，C
d
为喷注孔流...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑榆山，王超，蔡建华，刘彧，王一田，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：