一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机

1.本发明涉及吸气式发动机研究领域，具体地说是一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机。


背景技术：

2.旋转爆轰发动机是一种基于爆轰燃烧产生热量工作，爆轰过程可以近似为等容循环，产生的熵增较小。理论上比传统燃气轮机、涡喷发动机或冲压发动机均具有更高的热效率。旋转爆轰发动机一般采用环形燃烧室，燃料和氧化剂从燃烧室头部端口连续喷入，爆轰波沿着环形燃烧室周向传播实现化学反应放热，高温高压的爆轰产物沿燃烧室轴向膨胀并加速排出，从而产生连续稳定的推力。旋转爆轰发动机具有爆轰发动机的基本优点，同时不受来流工况、火焰稳定器、比冲低、多次起爆等不利瓶颈问题的限制，很有希望突破现有爆轰发动机研究中的诸多限制，成为实现由亚音速直至超音速飞行的新型航天航空发动机。
3.爆轰比爆燃具有更高的温度，旋转爆轰波在燃烧室内周向传播，工作频率可达khz-10khz量级，爆轰波波面的温度可到2000～3000℃左右。热释放的峰值位置也会绕着环形燃烧室周期性变化，从而产生不稳定热流密度，使得燃烧室内外壁面长时间处于高温状态下。在有限空间内燃烧室的内外壁更加难以散热。之前实验研究表明旋转爆轰燃烧室在无任何热防护条件下长时间工作，燃烧室已接近失效极限，内外壁面出现严重烧蚀，面临着很大的热负荷。而燃烧室的外壁面对气体的收敛压缩作用，爆轰波在外壁面附近的强度更高，导致外壁面往往承受更高的热应力，燃烧室容易发现变形。因此长时间工作环境下，旋转爆轰发动机必须采取热防护措施，但采用旋转爆轰发动机与冷却系统集成，冷却直接影响壁面温度，进而影响旋转爆轰发动机的推进性能。因此在先进耐高温材料研发速度较慢的制约下，如何通过合理的设计结构来解决旋转爆轰发动机的壁面热防护问题成为工业界与学术界共同关注的焦点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于为了有效地减小燃烧室外壁面温度和压力，防止燃烧室外壁面因过高的热应力出现变形，同时结合无内柱的燃烧室结构，能够减小燃烧室的所面临的严重烧蚀问题，保证旋转爆轰发动机可以长时间稳定运行。
5.实现上述目的的方案是，一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机，包括端盖、燃料盘、壳体和点火装置。
6.进一步地，端盖内侧分布有一个燃料进气口和一个传感器放置口，外侧沿周向等间距分布有三个空气进气口，依次间隔120
°
。
7.进一步地，燃料盘两端为凸台结构，燃料盘底端凸台与端盖使用内六角螺栓连接，内部的中空腔体为燃料稳压室，外侧的中空腔体为空气稳压室，分别用于储存燃料和空气，燃料盘上沿周向等间距分布有450个直径为0.8mm的圆柱孔，燃料通过圆柱孔轴向喷注，将燃料和空气混合的更加均匀，提高爆轰波的强度。
8.进一步地，壳体底端内侧为中空的楔形结构，楔形角约为15
°
，壳体与燃料盘之间空隙形成收敛扩张环缝，环缝最窄处宽度为1mm，空气从收敛扩张环缝径向喷注，与圆柱孔轴向喷注的燃料进行正交掺混，通过壳体内侧与燃料盘顶端凸台之间4.2mm的通道进入燃烧室，正交掺混设计综合考虑了掺混质量、流动损失和工艺等因素。壳体内无中心柱，燃烧室流道直径为220mm，壳体的外侧分布点火器的放置口，沿壳体外壁周向等间距分布3组传感器放置口，依次间隔为90
°
每组含4个传感器放置口，沿轴向等间距分布，使用六角螺栓将端盖和壳体连接，对旋转爆轰发动机进行约束和紧固，并且采用o型密封圈保证发动机密封性。
9.进一步地，点火装置由火花塞、预爆轰管组成，火花塞与预爆轰管螺纹连接，火花塞点火端面和混合气体入射孔轴线重合，确保点火可靠性。预爆轰管由点火腔转接头、点火腔接头和点火腔组成，点火腔转接头左右两端分别为氧气进气口和氢气进气口，预爆轰管切向焊接在燃烧室上，使得爆轰波进入燃烧室后不对称扩散减小爆轰波碰撞而熄灭的概率。
10.本发明一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机，本发明与现有技术相比的有益效果：
11.1、能够实现反应物集中于燃烧室的内侧，能够降低燃烧室外壁面的温度和压力，防止燃烧室外壁面因过高的热应力出现变形。
12.2、本发明结合无内柱结构的燃烧室，能够减小燃烧室的所面临的严重烧蚀问题，保证旋转爆轰发动机可以长时间稳定运行。
附图说明
13.本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：
14.图1为旋转爆轰发动机的二维示意图。
15.图2为旋转爆轰发动机的三维示意图。
16.图3为旋转爆轰发动机的壳体示意图。
17.图4为旋转爆轰发动机的燃料盘示意图。
18.图5为旋转爆轰发动机的端盖示意图。
19.图6为旋转爆轰发动机的点火装置的示意图。
20.图7为实验系统示意图。
21.图8为压力传感器p1、p2和p3采集到的压力曲线。
22.其中，1-端盖，2-燃料盘，3-壳体，4-燃料进气口，5-空气进气口，6-圆柱孔，7-六角螺栓，8-内六角螺栓，9-o型密封圈，10-燃料稳压室，11-传感器放置口，12-空气稳压室，13-点火腔转接头，14-点火腔接头，15-点火腔，16-火花塞，17-氧气进气口，18-氢气进气口。
具体实施方式
23.下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
25.如图1-2所示，旋转爆轰发动机包括端盖1、燃料盘2、壳体3和点火装置组成，材料为不锈钢。
26.如图3所示，壳体3底端内侧为中空楔形结构，楔形角约为15
°
，壳体3底端与燃料盘2之间形成收敛扩张环缝，环缝最窄处宽度为1mm，圆柱孔6轴向喷注的燃料和收敛扩张环缝径向喷注的空气进行正交掺混，反应物最终通过壳体3内侧与燃料盘2顶端凸台之间4.2mm的通道进入燃烧室，壳体3内无中心柱，燃烧室流道直径为220mm，使用六角螺栓7将端盖1与壳体3连接，对旋转爆轰发动机进行约束和紧固，并采用o型密封圈9保证发动机密封性。
27.如图4所示，燃料盘2两端为凸台结构，燃料盘2底端凸台与端盖1使用内六角螺栓连接，内部的中空腔体为燃料稳压室10，外侧的中空腔体为空气稳压室12，燃料盘2上沿圆周方向等间距分布有450个直径为0.8mm的圆柱孔6。
28.如图5所示，端盖1外径为374mm，内径为310mm，端盖1内侧分布有一个燃料进气口4和一个传感器放置口11，外侧面沿周向等间距分布有三个空气进气口5，依次间隔120
°
。
29.如图6所示，点火装置由火花塞16、预爆轰管组成，火花塞16与预爆轰管螺纹连接，火花塞点火频率为28hz，预爆轰管内径10mm，火花塞点火端面和混合气体入射孔轴线重合，预爆轰管由点火腔转接头13、点火腔接头14和点火腔15组成，点火腔转接头13左右两端分别为氧气进气口17和氢气进气口18，预爆轰管切向焊接在燃烧室上。
30.下面描述本发明实施方式的工作过程，以便于理解本发明的优势。
31.如图7所示，实验系统主要由推进剂供给系统、数据采集系统、控制系统、点火装置和燃烧室等部分组成。推进剂供给系统包括氢气、氧气和大型压缩空气罐，采用管道将端盖的空气进气口与空气罐相连接，燃料进气口与氢气罐相连接，将预爆轰管置入壳体外壁上的点火器放置口，点火腔转接头一端与氧气罐连接，另一端与氢气罐连接，将压力传感器置入壳体和端盖上的传感器放置口并连接信号采集设备，将氧气进气管道、空气进气管道以及氢气进气管道连接至控制系统。
32.实验中，依次打开空气电磁阀、氢气电磁阀和氧气电磁阀，预爆轰管按近化学计量比喷注氢气和氧气，氢气从端盖的燃料进气口进入燃料稳压室，再经过燃料盘上周向分布的圆柱孔轴向喷注，空气从端盖的空气进气口进入空气稳压室，再经过燃料盘和壳体之间的收敛扩张型环缝进行喷注，与圆柱孔轴向喷注的燃料进行正交掺混，通过壳体内侧与燃料盘顶端凸台之间4.2mm的通道进入燃烧室，并且反应物集中于燃烧室内侧。
33.实现预爆轰管和燃烧室内燃料和氧化剂的填充后，使用火花塞点火，点火完毕后，立即通过电磁阀切断预爆轰管的反应物的供应，切向喷注的氢气-氧气预爆轰管对燃烧室进行点火起爆，以实现氢空气旋转爆轰波的起爆和自持传播，最后，依次关闭对应阀门，结束实验。
34.图8显示压力传感器p1、p2和p3采集到的压力曲线，可以看出燃烧室外壁面的压力周期性波动，表明燃烧室内形成了连续旋转爆轰波。压力的波动范围较小，压力较低，最高处不到0.3mpa，说明爆轰波主要集中于燃烧室内侧传播，燃烧室外侧附近的可燃混合气较少，爆轰波强度减弱，因此有效地降低燃烧室外壁面的温度和压力。
35.从以上可知，根据本发明实施方式的爆轰燃烧室可带来以下技术优势：本发明可
以将爆轰波集中于燃烧室内侧，能够降低燃烧室外壁面的温度和压力，同时结合无内柱的燃烧室结构，能够减小燃烧室的所面临的严重烧蚀问题，保证旋转爆轰发动机可以长时间稳定运行
36.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。