一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机 |
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| 申请号 | CN202410179623.3 | 申请日 | 2024-02-18 | 公开(公告)号 | CN117759451B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 北京大学; | 发明人 | 王健平; 孙琦; 沈达文; 石天一; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及航空航天 发动机 技术领域，公开了一种基于剪切掺混结构的 固体 燃料 连续爆轰发动机，该发动机的发动机壳体分隔为前段部分和后段部分；前段部分的内部形成环形集气室；在后段部分内部形成凹腔和环形 燃烧室 ；在隔断内设置有沿轴向延伸的剪切进气流道，在后段部分临接隔断的一侧沿周向分布有多个阶梯通孔，阶梯通孔形成喷注腔；阶梯通孔与剪切进气流道一一对应且垂直相交；在每个阶梯通孔内固定安装有一个 固体燃料 喷嘴 ；固体燃料颗粒在固体燃料喷嘴的出口处与气相 氧 化剂进行同轴掺混。上述发动机利用剪切进气，实现气相 氧化剂 与固体燃料颗粒的同轴掺混，提高掺混均匀性，同时通过增设凹腔进一步提高掺混均匀性的同时稳定火焰。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机，其特征在于，包括发动机壳体、燃烧室内壁、固体燃料喷嘴以及尾锥； |
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| 说明书全文 | 一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机技术领域背景技术[0002] 连续爆轰发动机是一种采用爆轰燃烧的新型航空航天推进系统，具有更高的热效率，结构简单，可自增压，有望大幅提升发动机性能。由于爆轰燃烧独特的燃烧特性，连续爆轰发动机的燃烧效率与起爆成功率和燃料的掺混均匀程度密切相关，对于掺混结构有着严格的要求。 [0003] 在连续爆轰发动机中，爆轰的传播速度比传统的爆燃快大约三个数量级，因此要求燃料的喷射以及掺混需要在瞬时完成，这对于针对固体燃料的连续爆轰发动机来说是一项巨大挑战。对于大多数的固体燃料，其活性较低、密度较大、易于沉积、与氧化剂的掺混均匀性差，往往难以实现成功起爆并形成稳定自持爆轰波。在此背景下，一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机被提出并设计出来。 发明内容[0004] 本发明提供了一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机，该固体燃料连续爆轰发动机利用剪切进气，实现气相氧化剂与固体燃料颗粒的同轴掺混，提高掺混均匀性，同时通过增设凹腔进一步提高掺混均匀性的同时稳定火焰，因此，有助于加强固体燃料的掺混效果，大大改善了起爆成功率与燃烧性能，对实现高效、稳定的连续爆轰具有重要的工程价值。 [0005] 本发明采用以下具体技术方案： [0007] 所述发动机壳体为圆筒状结构，沿其轴向在中部设置有隔断；所述隔断将所述发动机壳体分隔为前段部分和后段部分； [0008] 所述前段部分的内部形成封闭的环形集气室，并在所述前段部分的侧壁沿周向分布有多个与所述环形集气室连通的进气口；所述环形集气室用于提供恒定压强的气相氧化剂； [0009] 所述后段部分在远离所述前段部分的一端形成开口；在所述后段部分内设置有与所述后段部分同轴的所述燃烧室内壁和所述尾锥；所述燃烧室内壁固定连接于所述隔断与所述尾锥之间；在所述后段部分与所述燃烧室内壁之间形成凹腔，在所述后段部分与所述尾锥之间形成环形燃烧室，所述凹腔和所述环形燃烧室连通构成爆轰燃烧室； [0010] 在所述隔断内设置有沿轴向延伸的剪切进气流道，在所述后段部分临接所述隔断的一侧沿周向分布有多个贯穿其壁厚的阶梯通孔，所述阶梯通孔形成喷注腔；所述阶梯通孔与所述剪切进气流道一一对应且垂直相交；所述剪切进气流道用于连通所述环形集气室与所述阶梯通孔； [0011] 在每个所述阶梯通孔内固定安装有一个所述固体燃料喷嘴；沿所述发动机壳体的径向，所述固体燃料喷嘴与所述阶梯通孔之间在所述剪切进气流道的外侧密封连接，并所述固体燃料喷嘴与所述阶梯通孔之间在所述剪切进气流道及其内侧形成环形间隙；所述环形间隙用于连通所述剪切进气流道与所述爆轰燃烧室； [0012] 所述固体燃料喷嘴用于喷注固体燃料颗粒，固体燃料颗粒在所述固体燃料喷嘴的出口处与通过所述剪切进气流道进入的气相氧化剂进行同轴掺混，并实现均匀掺混后进入所述爆轰燃烧室。 [0013] 更进一步地，所述剪切进气流道为一段Laval通道，所述Laval通道先收敛、后扩张，使气相氧化剂从所述Laval通道经过后在喉部达到壅塞状态，并以超声速进入所述阶梯通孔内，实现剪切进气，利用气相氧化剂流速与固体燃料颗粒的喷注速度差，在所述固体燃料喷嘴的出口与固体燃料颗粒实现同轴掺混，随后一同进入所述爆轰燃烧室。 [0014] 更进一步地，所述Laval通道的收敛段角度为25°，扩张段角度为20°。 [0015] 更进一步地，所述阶梯通孔设置有6个，并且沿周向均匀分布。 [0016] 更进一步地，所述固体燃料喷嘴的外形采用与所述阶梯通孔相适配的台阶轴结构。 [0017] 更进一步地，所述固体燃料喷嘴与所述阶梯通孔之间通过密封圈密封连接。 [0018] 更进一步地，所述阶梯通孔的孔径由外向内分别为18mm、15mm、6mm； [0019] 所述固体燃料喷嘴的直径由外向内分别为15mm、12mm、6mm； [0020] 所述固体燃料喷嘴的内径为3mm，长度为60mm； [0021] 所述密封圈的外径为18mm，并与所述阶梯通孔之间过盈配合。 [0022] 更进一步地，所述固体燃料喷嘴的外周侧设置有环形密封槽； [0023] 所述密封圈嵌装于所述环形密封槽内。 [0024] 更进一步地，所述进气口设置有6个，并且沿周向均匀分布。 [0025] 更进一步地，所述凹腔的深度为30mm，并由倾角30°的倾斜段和平直段组成。 [0026] 有益效果： [0027] 1、本发明的固体燃料连续爆轰发动机基于剪切掺混结构，采用同轴剪切进气的方式，利用固体燃料颗粒与气态氧化剂的喷注速度差实现短时间内极速均匀掺混；通过设置剪切进气流道，实现了氧化剂的剪切进气与固体燃料颗粒的轴向掺混；同时设置喷注腔，使固体燃料与氧化剂在进入燃烧室之前充分掺混，从而有助于提高掺混均匀性，提高起爆率，更易于形成稳定的自持爆轰波。 [0028] 2、在爆轰燃烧室中设置有凹腔和环形燃烧室，通过凹腔能够产生回流，从而实现稳定火焰的效果，提高起爆成功率与燃烧稳定性，掺混均匀的固体燃料与氧化剂再进入环形燃烧室，进行点火后形成初始爆轰波，不断供给燃料与氧化剂后实现稳定自持的爆轰波。 [0029] 3、采用固体燃料完成掺混并进行起爆，固体燃料具有密度大、易于存储的特点；本发明的固体燃料连续爆轰发动机首次实现固体燃料颗粒的均匀掺混与稳定起爆，可以有效提高发动机性能。 [0031] 图1为本发明固体燃料连续爆轰发动机的剖视图； [0032] 图2为图1中A部分的局部放大结构示意图。 [0033] 其中，1‑发动机壳体；2‑燃烧室内壁；3‑固体燃料喷嘴；4‑尾锥；5‑爆轰燃烧室；6‑密封圈；11‑隔断；12‑前段部分；13‑后段部分；14‑环形集气室；15‑进气口；16‑剪切进气流道；17‑阶梯通孔；51‑凹腔；52‑环形燃烧室。 具体实施方式[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0035] 如图1和图2结构所示，本实施例提供了一种基于剪切掺混结构的固体燃料连续爆轰发动机，该固体燃料连续爆轰发动机包括发动机壳体1、固体燃料喷嘴3、燃烧室内壁2、爆轰燃烧室5以及尾锥4； [0036] 发动机壳体1为圆筒状结构，沿其轴向在中部设置有隔断11；隔断11将发动机壳体1分隔为前段部分12和后段部分13；发动机壳体1与中部的隔断11为一体成型结构，中部的隔断11将发动机壳体1分隔为两部分，分别为图1中左侧的前段部分12和右侧的后段部分 13； [0037] 前段部分12的内部形成封闭的环形集气室14，并在前段部分12的侧壁沿周向分布有多个与环形集气室14连通的进气口15；环形集气室14用于提供恒定压强的气相氧化剂；进气口15可以设置有6个，并且沿发动机壳体1的周向均匀分布；图1中前段部分12的左端固定连接有端盖，端盖可以与发动机壳体1一体成型，也可以为分体结构再固定连接形成整体组件；在前段部分12内部还设置有同轴的筒体，从而在筒体、发动机壳体1、隔断11以及端盖之间形成环形腔体，即，环形集气室14；通过与进气口15连接的外部进气管注入气相氧化剂，环形集气室14内部存储气相氧化剂，用于保持恒定压强且连续提供维持稳定爆轰波所需的氧化剂； [0038] 后段部分13在远离前段部分12的一端形成开口；在后段部分13内设置有与后段部分13同轴的燃烧室内壁2和尾锥4；燃烧室内壁2固定连接于隔断11与尾锥4之间；在后段部分13与燃烧室内壁2之间形成凹腔51，在后段部分13与尾锥4之间形成环形燃烧室52，凹腔51和环形燃烧室52连通构成爆轰燃烧室5；凹腔51的深度可以为30mm，并由倾角30°的倾斜段和平直段组成，倾斜段连接于隔断11与平直段之间； [0039] 在隔断11内设置有沿轴向延伸的剪切进气流道16，进气口15的直径为剪切进气流道16的最大直径的1.5 2倍；在后段部分13临接隔断11的一侧沿周向分布有多个贯穿其壁~厚的阶梯通孔17，阶梯通孔17形成喷注腔；阶梯通孔17与剪切进气流道16一一对应且垂直相交；剪切进气流道16用于连通环形集气室14与阶梯通孔17；阶梯通孔17设置有6个，并且沿周向均匀分布，对应地，隔断11内设置有6个沿轴向延伸的剪切进气流道16，；剪切进气流道16未贯穿隔断11，剪切进气流道16沿发动机壳体1的轴向设置，阶梯通孔17沿发动机壳体 1的径向设置，使得剪切进气流道16垂直于阶梯通孔17且一起形成T型，使得环形集气室14与爆轰燃烧室5之间通过垂直相交的剪切进气流道16和阶梯通孔17实现连通； [0040] 在每个阶梯通孔17内固定安装有一个固体燃料喷嘴3，在设置有6个阶梯通孔17时，同样设置有6个固体燃料喷嘴3；沿发动机壳体1的径向，固体燃料喷嘴3与阶梯通孔17之间在剪切进气流道16的外侧密封连接，并固体燃料喷嘴3与阶梯通孔17之间在剪切进气流道16及其内侧形成环形间隙；环形间隙用于连通剪切进气流道16与爆轰燃烧室5；固体燃料喷嘴3与阶梯通孔17之间密封连接使固体燃料颗粒顺利进入爆轰燃烧室5，并防止固体燃料颗粒泄漏而影响发动机正常工作；在固体燃料喷嘴3与阶梯通孔17之间形成环形间隙，使氧化剂通过剪切进气流道16和环形间隙进入喷注腔，并与固体燃料喷嘴3喷出的固体燃料颗粒形成同轴流动且快速掺混，随后一同进入燃烧室；通过沿周向均匀分布的6个固体燃料喷嘴3，可以有效提高固体燃料颗粒喷注地均匀性，提高整体喷注系统的可靠性； [0041] 固体燃料喷嘴3用于喷注固体燃料颗粒，固体燃料颗粒在固体燃料喷嘴3的出口处与通过剪切进气流道16进入的气相氧化剂进行同轴掺混，并实现均匀掺混后进入爆轰燃烧室5。 [0042] 一种具体的实施方式中，如图2结构所示，剪切进气流道16可以为一段Laval通道，Laval通道先收敛、后扩张，使气相氧化剂从Laval通道经过后在喉部达到壅塞状态，并以超声速进入阶梯通孔17内，实现剪切进气，利用气相氧化剂流速与固体燃料颗粒的喷注速度差，在固体燃料喷嘴3的出口与固体燃料颗粒实现同轴掺混，随后一同进入爆轰燃烧室5。在本实施例中，Laval通道的收敛段角度可以为25°，扩张段角度可以为20°。采用先收敛、后扩张的Laval通道利用超声速流动的氧化剂可以将爆轰前沿与上游的扰动隔离开来，有效减少上游氧化剂进气时所产生的扰动对于掺混与燃烧的影响，避免爆轰燃烧受到上游集气室扰动的影响，有利于形成高效、稳定的爆轰波。 [0043] 更进一步地，固体燃料喷嘴3的外形采用与阶梯通孔17相适配的台阶轴结构，固体燃料喷嘴3采用台阶轴结构在方便装卸的同时方便进行约束；固体燃料喷嘴3与阶梯通孔17之间通过密封圈6密封连接，固体燃料喷嘴3的外周侧设置有环形密封槽，密封圈6嵌装于环形密封槽内，密封圈6与阶梯通孔17之间过盈配合，通过密封圈6方便进行密封、固定与位置的调节；在本实施例中，如图2所示，阶梯通孔17的孔径由外向内分别为18mm、15mm、6mm；固体燃料喷嘴3的直径由外向内分别为15mm、12mm、6mm；固体燃料喷嘴3的内径为3mm，长度为60mm；密封圈6的外径为18mm。 [0044] 本发明的固体燃料连续爆轰发动机的工作过程为：组装完毕后，固体燃料通过固体燃料喷嘴3喷注进入喷注腔，环形集气室14内的氧化剂通过剪切进气流道16进入喷注腔，与固体燃料发生轴向掺混，随后一同进入爆轰燃烧室5。掺混后的固体燃料形成可以爆轰的预混气进入爆轰环腔，点火后形成稳定的连续旋转爆轰波。通过剪切进气流道16进入的氧化剂与固体燃料喷嘴3喷出的固体燃料将在燃烧室内被点燃并形成爆轰波，由于连续爆轰组织燃烧的方式为超声速燃烧，易于出现火焰熄灭的情况，通过凹腔51产生回流，从而实现稳定火焰的效果，提高起爆成功率与燃烧稳定性。 [0045] 上述固体燃料连续爆轰发动机基于剪切掺混结构，采用同轴剪切进气的方式，利用固体燃料颗粒与气态氧化剂的喷注速度差实现短时间内极速均匀掺混；通过设置剪切进气流道16，实现了氧化剂的剪切进气与固体燃料颗粒的轴向掺混；同时设置喷注腔，使固体燃料与氧化剂在进入燃烧室之前充分掺混，从而有助于提高掺混均匀性，提高起爆率，更易于形成稳定的自持爆轰波。 [0046] 在爆轰燃烧室5中设置有凹腔51和环形燃烧室52，通过凹腔51能够使在喷注腔中掺混后的固体燃料在凹腔51内进一步预混，并能够产生回流，从而实现稳定火焰的效果，提高起爆成功率与燃烧稳定性，掺混均匀的固体燃料与氧化剂再进入环形燃烧室52，进行点火后形成初始爆轰波，不断供给燃料与氧化剂后实现稳定自持的爆轰波。 [0047] 由于采用固体燃料完成掺混并进行起爆，固体燃料具有密度大、易于存储的特点；本发明的固体燃料连续爆轰发动机首次实现固体燃料颗粒的均匀掺混与稳定起爆，可以有效提高发动机性能。 [0048] 由于采用近似等容燃烧的爆轰组织燃烧方式，使得固体燃料连续爆轰发动机具有熵增小、热效率高和自增压优势。 |
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