CN112325334A - 一种具有隔离层的预混燃料喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有隔离层的预混燃料喷嘴，燃料喷嘴为若干个，分别设置在旋转爆轰发动机燃烧室的入口处，每个燃料喷嘴两侧设有若干个惰性气体喷嘴。本发明可以实现在爆轰燃烧室内存在高温燃烧产物的情况下，通过分层供入预混燃料与惰性气体，降低预混燃料与高温产物的接触面面积，进而降低燃料爆燃燃烧的比例，提高热效率与推进稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有隔离层的预混燃料喷嘴。
背景技术
在旋转爆轰燃烧室中，燃料应当尽可能多的以爆轰的形式组织燃烧，以便满足设计目的。但是，在新鲜燃料与爆轰产物的分界面，存在爆燃燃烧现象，由于爆燃燃烧行为接近等压燃烧过程，其热效率低于等容燃烧过程的爆轰。因此，燃料爆燃现象将降低发动机的热效率。特别的，可能诱导爆轰波传播模式的改变，引起发动机推力极大的不稳定性。通过使用惰性气体隔离新鲜燃料与爆轰产物，可以有效地降低爆燃现象的发生。就这点而论，具有隔离层的预混燃料喷嘴可以提高总体稳定性和热效率。
旋转爆轰发动机，又称连续旋转爆轰发动机或旋转爆震发动机，是近年来为完善爆轰推进技术提出的一种新型爆轰发动机。旋转爆轰发动机的工作原理是基于旋转爆轰波在盘状或环形腔内的连续传播，其燃烧室通常为同轴圆环腔，如图1-1所示(a为燃料，b为爆轰产物，c为燃烧室出口，d为环形燃烧室，e为燃料供给出口)。图1-2所示，A为旋转爆轰波，紧贴进气界面沿周向传播；B是斜激波，由爆轰波诱导产生；G为新鲜燃料层。旋转爆轰波不具备向燃烧室出口方向传播的运动分量，因此被局限在环形燃烧室内，绕轴旋转。爆轰产物沿轴向膨胀，偏离引导激波的波后区域，为新鲜可燃气体的同步注入提供可能，这使爆轰波的波前始终充满未燃气体，进而维持爆轰波的持续传播。高压的爆轰产物沿轴向喷出，产生推力。由于该爆轰波持续传播于燃烧室中，故无需高速来流和高频点火。
在图1-2中，除新鲜燃料G所示区域以外，燃烧室内充满了高温高压的爆轰产物，新鲜燃料受此影响将发生燃烧，且该燃烧过程发生在爆轰波扫过新鲜燃料之前，燃烧形式为爆燃形式。预混燃烧分为爆燃和爆轰两种形式，其中爆轰过程化学反应迅速，近似为等容反应过程，具有熵增小、热循环效率高等优点。当爆轰发动机燃烧室内燃料以爆燃形式反应的比例增加时，燃烧室热循环效率下降。
旋转爆轰发动机推进性能的主要损失机制之一是推进剂在爆轰波通过前过早地以爆燃形式消耗掉，燃料提前燃烧导致发动机比冲降低，并且可能诱发爆轰波传播模式转变，进而导致流场发生剧烈波动。为了提高发动机推进性能，需要抑制燃料的提前燃烧，因此提出燃料分层喷注技术。该技术通过隔绝引起燃料提前燃烧的高温爆轰产物，可以有效降低燃烧室内爆燃现象消耗燃料的比例，从而提高发动机热循环效率。同时，用于保护新鲜燃料的惰性气体还可以起到冷却流场的作用，有效地降低燃烧室内部与出口处的温度。
可以看出，存在提高爆轰发动机热效率与稳定性的期望。这种改进燃料喷嘴设计应当适应和/或消除爆燃燃烧引起的相关损失。燃料爆燃比率的降低应当提高总性能和效率。
发明内容
旋转爆轰发动机推进性能的主要损失机制之一是推进剂在爆轰波通过前过早地以爆燃形式消耗掉，燃料提前燃烧导致发动机比冲降低，并且可能诱发爆轰波传播模式转变，进而导致流场发生剧烈波动。为了提高发动机推进性能，需要抑制燃料的提前燃烧，因此本发明提出一种具有隔离层的预混燃料喷嘴。
本发明可通过以下技术方案予以实现：
一种具有隔离层的预混燃料喷嘴，所述燃料喷嘴为若干个，分别设置在旋转爆轰发动机燃烧室的入口处，每个燃料喷嘴两侧设有若干个惰性气体喷嘴。
进一步地，所述若干个燃料喷嘴等间距分布，并被所述惰性气体喷嘴隔开。
进一步地，所述惰性气体喷嘴包括中间的预混燃料通道，和外周的惰性气体通道。
进一步地，所述惰性气体通道可分割为若干个。
进一步地，所述预混燃料通道和惰性气体通道包括但不限于等直型、收缩型、扩张型或收缩扩张型。
进一步地，在布局上，所述惰性气体喷嘴流入的惰性气体把预混燃料包裹在内部；在功能上，惰性气体将新鲜预混燃料与上一周期爆轰产物进行了分隔，即：所述惰性气体喷嘴流入的惰性气体把两侧的预混燃料进行分隔。
进一步地，当所述惰性气体喷嘴开启时，为燃料分层喷注模式；当所述惰性气体喷嘴关闭时，为燃料间隔喷注模式。
有益效果
本发明通过隔绝引起燃料提前燃烧的高温爆轰产物，可以有效降低燃烧室内爆燃现象消耗燃料的比例，从而提高发动机热循环效率。同时，用于保护新鲜燃料的惰性气体还可以起到冷却流场的作用，有效地降低燃烧室内部与出口处的温度，且结构简单，易实现。
附图说明
图1-1为燃烧室结构示意图；
图1-2为流场结构示意图；
图2是不具有隔离层的预混燃料喷嘴导致的流场燃料分布示意图；
图3是具有隔离层的预混燃料喷嘴导致的流场燃料分布示意图；
图4是具有隔离层的预混燃料喷嘴俯的俯视图；
图5是具有隔离层的预混燃料喷嘴的A-A平面剖视图；
图6是稳定运行阶段燃烧室压力随时间变化曲线；
图7(a)是氢气质量流量随时间的变化曲线；
图7(b)是燃烧室推力随时间的变化曲线；
图7(c)是基于燃料氢气的比冲随时间的变化曲线；
图8是推力振荡局部放大图；
图9是燃烧室内部和出口界面平均温度随时间变化曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图3、4和5所示，本发明的一种具有隔离层的预混燃料喷嘴，燃料喷嘴为P若干个，分别设置在旋转爆轰发动机燃烧室R的入口处，每个燃料喷嘴P两侧设有若干个惰性气体喷嘴D(其中，图2是不具有隔离层的预混燃料喷嘴导致的流场燃料分布示意图，图3是具有隔离层的预混燃料喷嘴导致的流场燃料分布示意图，M为燃料与高温爆轰产物接触面)。
在单个燃料喷嘴P周围添加惰性气体喷嘴D，使得由燃料喷嘴P喷出燃料受惰性气体的包围。图4为喷嘴俯视图，图5为喷嘴A-A平面剖视图，惰性气体喷嘴D包括：惰性气体出口界面1、预混燃料出口界面2、中间的预混燃料通道4及外周的惰性气体通道3。在布局上，惰性气体喷嘴D流入的惰性气体把预混燃料包裹在内部；在功能上，惰性气体将新鲜预混燃料与上一周期爆轰产物进行了分隔，即，惰性气体喷嘴D流入的惰性气体把两侧的预混燃料进行分隔。在图5中，燃料通道与惰性气体通道均为等直结构，且燃料通道输送预混燃料。在实际操作过程中，燃料通道可由多个喷嘴代替，甚至是分别的氧化剂通道和还原剂通道(即非预混燃料)。此外，通道的构型根据需要可以变更为收缩性、扩张型或收缩扩张型。惰性气体通道可以为一个，也可以为围绕燃料通道排列的多个。
本发明采用以上技术方案可以实现在爆轰燃烧室内存在高温燃烧产物的情况下，通过分层供入预混燃料与惰性气体，降低预混燃料与高温产物的接触面面积，进而降低燃料爆燃燃烧的比例，提高热效率与推进稳定性。
具体实施例
基于上述具有隔离层的预混燃料喷嘴思想(也称为分层喷注)，设计对比所用的燃烧室物理模型如图3所示，燃烧室轴向长度100mm，内径45mm，外径50mm，燃烧室宽度5mm。50个燃料喷嘴等间距分布在入口界面，被惰性气体喷嘴隔开。当惰性气体喷嘴开启时，为燃料分层喷注模式。当惰性气体喷嘴关闭时(设置为滑移壁面)，为燃料间隔喷注模式。燃料喷嘴平均宽度4mm，惰性气体喷嘴平均宽度2mm。假设燃料喷嘴与恒定总压的储气罐通过收缩型喷管相连，为燃烧室提供预混燃料。喷注总压为1MPa，总温600K。燃料喷嘴注入氢气，氧气和氮气的预混气体，摩尔比为2：1：7.3。惰性气体使用氩气，氩气喷注总压、总温与燃料相同。采用直接起爆方法启动发动机，初始起爆点数目为1。
对比研究两种喷注模式下发动机从点火启动至平稳运行过程。两种喷注模式下发动机都稳定工作在单波传播模式，稳定阶段燃烧室的压力-时间曲线如图6所示。燃烧室内压力的波动可以用来表征发动机的稳定性。统计稳定阶段峰值压力，分层喷注模式下峰值压力的平均值为3.94MPa，最大偏移量为0.34MPa，波动百分比为8.6％。间隔喷注模式下峰值压力的平均值为3.07MPa，最大偏移量为0.53MPa，波动百分比为17.3％。因此，分层喷注模式可以降低由燃料注入过程与爆轰波传播过程相互耦合引起的不稳定性。
推力和比冲是评价发动机推进性能的重要指标。图7(a)、(b)、(c)显示了两种注入模式下发动机性能参数随时间的变化曲线。从图中可以看出，间隔喷注时发动机产生496.2N推力，分层喷注时发动机推力略有下降，为493.6N。分层喷注模式下氢气平均质量流量为14.35g/s，基于燃料氢气的比冲为3510.2s。间隔喷注模式下氢气平均质量流量为16.80g/s，基于燃料氢气的比冲为3013.8s。分层喷注模式比冲提高了16.5％。
图8是稳定阶段推力振荡局部放大图，从图中看出，间隔喷注模式下，推力偏离其平均值的最大幅度约为17.3％；分层喷注模式下，推力偏离其平均值的最大幅度约为8.3％。因此，分层喷注模式推力波动幅值更小。
旋转爆轰燃烧室温度升高将会提高制造材料的耐高温要求，同时也会加大对冷却系统的压力，这不利于发动机的长时间运行。燃烧室内部和出口界面的平均温度随时间的变化如图9 所示。从图中可以看出，在旋转爆轰波形成后燃烧室内部与出口平均温度几乎不随时间变化。燃料间隔喷注时，燃烧室内部平均温度为1648.3K，燃烧室出口平均温度为1710.1K。使用分层喷注时，燃烧室内部平均温度为1310.2K，燃烧室出口平均温度为1382.7K。使用分层喷注使燃烧室内部平均温度降低了338.1K，下降比率为20.5％。出口平均温度降低了327.4K，下降比率为19.1％。
综上所述，采用具有隔离层的预混燃料喷嘴后，燃料提前燃烧率由33％下降到5％，发动机比冲从3013.8s上升到3510.2s。扣除额外喷注氩气引起的推力提升后，比冲为3147.3s，提升了4.4％。表明分层喷注模式提高了发动机推进效率。压力曲线振荡过程的分析表明，分层喷注模式更有利于旋转爆轰波的平稳建立，并且可以降低由燃料注入过程与爆轰波传播过程相互耦合引起的不稳定性。对推力曲线振荡过程的研究表明，分层喷注模式推力波动幅值更小，推进性能更稳定。对燃烧室平均温度和出口平均温度的研究表明，分层喷注技术的应用使燃烧产物温度明显降低。相比于未使用时，发动机出口平均温度降低了327.4K，降低了19.1％。因此分层喷注技术有利于控制燃烧室温度，为后期加装涡轮等设备带来便利。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴为若干个，分别设置在旋转爆轰发动机燃烧室的入口处，每个燃料喷嘴两侧设有若干个惰性气体喷嘴。
2.根据权利要求1所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，所述若干个燃料喷嘴等间距分布，并被所述惰性气体喷嘴隔开。
3.根据权利要求1所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，所述惰性气体喷嘴包括中间的预混燃料通道，和外周的惰性气体通道。
4.根据权利要求3所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，所述惰性气体通道可分割为若干个。
5.根据权利要求4所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，所述预混燃料通道和惰性气体通道包括但不限于等直型、收缩型、扩张型或收缩扩张型。
6.根据以上权利要求1-5中任一项所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，在布局上，所述惰性气体喷嘴流入的惰性气体把预混燃料包裹在内部；在功能上，惰性气体将新鲜预混燃料与上一周期爆轰产物进行了分隔，即：所述惰性气体喷嘴流入的惰性气体把两侧的预混燃料进行分隔。
7.根据以上权利要求1-5中任一项所述的具有隔离层的预混燃料喷嘴，其特征在于，当所述惰性气体喷嘴开启时，为燃料分层喷注模式；当所述惰性气体喷嘴关闭时，为燃料间隔喷注模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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