一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统。


背景技术：

2.高超声速和组合循环动力系统的迅猛发展对传统液体碳氢燃料提出了更大密度、更高热值的性能需求。在液体碳氢燃料中添加铝、硼、镁等高能量固体颗粒可以形成含能浆体燃料，是提高燃料能量密度的重要手段。经过上世纪广泛开展的理论计算、应用可行性研究、单液滴燃烧实验等工作，初步验证了含能浆体燃料确实具有极高的应用潜力。
3.然而，含能浆体燃料属于非牛顿流体，粘度较高，在冲压发动机中应用时，采用传统的挤压式或泵压式液体燃料供应系统时无法保证燃料的稳定供应和流量控制。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，用以解决现有技术中存在的不足。
5.为达上述目的，本技术提供的一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，包括含能浆体燃料供应装置、自激振荡喷注器及冲压发动机；
6.所述含能浆体燃料供应装置包括燃料供应机构及液压供应机构，所述燃料供应机构包括缸体组件及活塞联动组件，所述缸体组件内部设有燃料腔及液压腔，所述活塞联动组件活动设置于所述缸体组件内，所述液压供应机构连接所述缸体组件，所述液压供应机构用于向所述液压腔提供预设压力的液压油，所述活塞联动组件用于维持所述燃料腔和所述液压腔中的压力平衡；
7.所述自激振荡喷注器设置于所述冲压发动机及与所述缸体组件连接，所述自激振荡喷注器用于将所述燃料腔中的所述含能浆体燃料向所述冲压发动机中喷注雾化。
8.在一种可能的实施方式中，所述燃料腔和所述液压腔沿径向的横截面一致。
9.在一种可能的实施方式中，所述缸体组件内部设置有隔板，所述隔板将所述燃料腔和所述液压腔隔开；
10.所述活塞联动组件包括活塞杆及位于所述活塞杆两端的活塞体，所述活塞杆与所述隔板滑动配合，两个所述活塞体分别位于所述燃料腔和所述液压腔中。
11.在一种可能的实施方式中，所述自激振荡喷注器包括喷注本体及多个自激振荡单喷嘴，所述喷注本体内设有燃料汇流腔，所述燃料汇流腔与所述燃料腔连通，多个所述自激振荡单喷嘴均设置于所述喷注本体内，所述自激振荡单喷嘴的进口与所述燃料汇流腔连通，所述自激振荡单喷嘴的出口朝向所述冲压发动机的燃烧室。
12.在一种可能的实施方式中，所述自激振荡单喷嘴内沿含能浆体燃料流动的方向包括依次连通的进液流道、上流道、自激振荡腔及下流道，其中，所述上、下流道的直径小于所述自激振荡腔的直径，且所述下流道与所述自激振荡单喷嘴的喷注口连通。
13.在一种可能的实施方式中，多个所述自激振荡单喷嘴均匀分布于所述喷注本体沿宽度方向的截面上。
14.在一种可能的实施方式中，沿所述喷注本体宽度方向的截面，相邻两排上的所述自激振荡单喷嘴错位布置。
15.在一种可能的实施方式中，所述冲压发动机的燃烧室的内壁上设置有热流密度传感器。
16.在一种可能的实施方式中，所述冲压发动机沿气流方向依次包括隔离段及至少一燃烧室段，所述自激振荡喷注器设置于所述燃烧室段，所述燃烧室段内形成有燃烧室，且沿所述气流方向，所述燃烧室的宽度逐渐增大。
17.在一种可能的实施方式中，所述冲压发动机内形成有燃烧室，所述燃烧室的内壁面设有凹腔。
18.相比于现有技术，本技术的有益效果：
19.本技术提供的一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，包括含能浆体燃料供应装置、自激振荡喷注器及冲压发动机，含能浆体燃料供应装置包括燃料供应机构及液压供应机构，燃料供应机构包括缸体组件及活塞联动组件，缸体组件内部设有燃料腔及液压腔，活塞联动组件活动设置于缸体组件内，液压供应机构连接缸体组件，液压供应机构用于向液压腔提供预设压力的液压油，活塞联动组件用于维持燃料腔和液压腔中的压力平衡，自激振荡喷注器设置于冲压发动机及与缸体组件连接，自激振荡喷注器用于将燃料腔中的含能浆体燃料向冲压发动机中喷注雾化。其中，含能浆体燃料属于非牛顿流体，粘度较高，本技术提供的应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，通过液压供应机构向液压腔提供预设压力的液压油，活塞联动组件为了维持燃料腔和液压腔中的压力平衡，会给予燃料腔同等的压力，使得燃料腔向自激振荡喷注器稳定供应含能浆体燃料，进而提高自激振荡喷注器的喷注雾化的稳定性，使得冲压发动机稳定燃烧可靠工作。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1示出了本技术实施例提供的一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统的结构示意图；
22.图2示出了图1中所示含能浆体燃料供应装置的结构示意图；
23.图3示出了本技术实施例提供的应用含能浆体燃料的冲压发动机系统中自激振荡喷注器其中一纵向截面的剖视图；
24.图4示出了图3中a处的局部放大示意图；
25.图5示出了图3中b向的向视图；
26.图6示出了图1中所示冲压发动机的结构示意图；
27.图7示出了图6中c-c向的剖视图；
28.图8示出了本技术实施例提供的另一种含能浆体燃料供应装置的结构示意图；
29.图9示出了含能浆体燃料供应装置的典型工作曲线图；
30.图10示出了自激振荡喷注器的典型工作曲线图；
31.图11示出了热流密度传感器测得含能浆体燃料燃烧时壁面热流的典型测量结果曲线图。
32.主要元件符号说明：
33.100-含能浆体燃料供应装置；110-燃料供应机构；111-缸体组件；1110-第一缸体段；1111-第二缸体段；1112-隔板；112-活塞联动组件；1120-活塞体；1121-活塞杆；113-油嘴；114-燃料嘴；115-燃料腔；1150-第一无杆腔；1151-第一有杆腔；116-液压腔；1160-第二无杆腔；1161-第二有杆腔；120-液压供应机构；121-液压站；122-系统控制器；200-自激振荡喷注器；210-喷注本体；211-汇流腔；220-自激振荡单喷嘴；221-进液流道；222-上流道；223-自激振荡腔；224-下流道；225-喷注口；300-冲压发动机；310-隔离段；311-内流道；320-燃烧室段；321-燃烧室；322-凹腔；400-热流密度传感器。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.实施例一
40.请参阅图1，本实施例提供了一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，尤其涉及一种可以实现含固体颗粒浆体燃料稳定供应、高效雾化、稳定燃烧和可靠热防护的直连式
冲压发动机系统。
41.其中，含能浆体燃料是由液体碳氢燃料中添加铝、硼、镁等高能量固体颗粒可以形成，这样可以提高燃料能量密度。且含能浆体燃料属于非牛顿流体，具有粘度较高等特性，因此，采用传统的挤压式或泵压式液体燃料供应系统时无法保证燃料的稳定供应和流量控制。
42.请参阅图1，本实施例提供的应用含能浆体燃料的冲压发动机系统(下文统称为冲压发动机系统)包括含能浆体燃料供应装置100、自激振荡喷注器200及冲压发动机300，含能浆体燃料供应装置100连接自激振荡喷注器200，自激振荡喷注器200设置于冲压发动机300。其中，含能浆体燃料供应装置100可用于存储和供应含能浆体燃料，自激振荡喷注器200将含能浆体燃料供应装置100供应的含能浆体燃料向冲压发动机300内喷注雾化，喷注雾化的含能浆体燃料在冲压发动机300中被点燃，以为冲压发动机300提供需要的动力。
43.请参阅图1及图2，上述含能浆体燃料供应装置100包括燃料供应机构110及液压供应机构120，燃料供应机构110包括缸体组件111及活塞联动组件112，液压供应机构120用于向缸体组件111内输送预设压力的液压油，活塞联动组件112活动设置于缸体组件111内，活塞联动组件112用于维持燃料供应机构110中的压力平衡。
44.缸体组件111包括第一缸体段1110、第二缸体段1111及隔板1112，其中，第一缸体段1110、隔板1112及第二缸体段1111依次设置，第一缸体段1110内设有燃料腔115，第二缸体段1111内设有液压腔116，隔板1112将燃料腔115和液压腔116隔开，燃料腔115内可用于存储含能浆体燃料，液压腔116内可容纳液压供应机构120输送来的液压油。
45.活塞联动组件112包括活塞杆1121及位于活塞杆1121两端的活塞体1120。其中，活塞杆1121与隔板1112滑动配合，且活塞杆1121与隔板1112之间设置有密封件，以避免燃料腔115和液压腔116泄漏，两个活塞体1120分别位于燃料腔115和液压腔116中，两个活塞体1120的圆柱面与对应的燃料腔115、液压腔116的内壁面的形状相适配，且两个活塞体1120可在对应的燃料腔115、液压腔116中滑动。由此，当液压腔116内的活塞体1120运动时，活塞杆1121会带动燃料腔115中的活塞体1120同步运动，实现联动，以维持燃料腔115和液压腔116中的压力平衡。
46.进一步的，如图2所示，位于燃料腔115的活塞体1120将所述燃料腔115分隔为第一无杆腔1150和第一有杆腔1151，位于液压腔116的活塞体1120将所述液压腔116分隔为第二无杆腔1160和第二有杆腔1161。其中，含能浆体燃料存储在第一无杆腔1150中，第二无杆腔1160和第二有杆腔1161均与液压供应机构120连通。
47.请参阅图1及图2，在本实施例中，缸体组件111还包括两个油嘴113及至少一个燃料嘴114，其中，两个油嘴113设置于第二缸体段1111及分别与第二无杆腔1160和第二有杆腔1161对应，燃料嘴114设置于第一缸体段1110，燃料嘴114与自激振荡喷注器200通过供料管连通。
48.液压供应机构120包括液压站121及系统控制器122，液压站121与两个油嘴113分别通过供油管连通，系统控制器122与液压站121电性连接，系统控制器122可以控制液压站121向两根供油管交替供油，同时可以控制供油的量。
49.由此，液压供应机构120可通过液压油驱动第二缸体段1111内的活塞体1120滑动。具体的，当第二无杆腔1160进液压油时，第二有杆腔1161被压缩，第二有杆腔1161内的液压
油沿供油管路回到液压站121，此时位于第二缸体段1111内的活塞体1120向靠近第一缸体段1110的方向运动，活塞杆1121会带动燃料腔115中的活塞体1120同步运动，燃料腔115中的活塞体1120会给予第一无杆腔1150中含能浆体燃料相同的压力，以使含能浆体燃料以预设的压力和流量从燃料嘴114排出，进而实现含能浆体燃料的稳定供应。
50.再者，当第二有杆腔1161进液压油时，第二无杆腔1160被压缩，第二无杆腔1160内的液压油沿供油管路回到液压站121，此时位于第二缸体段1111内的活塞体1120向远离第一缸体段1110的方向运动，活塞杆1121会带动燃料腔115中的活塞体1120同步运动，第一无杆腔1150内形成负压，可以通过燃料嘴114吸入含能浆体燃料，进而可以实现向燃料腔115中填充含能浆体燃料的功能。
51.可选地，燃料腔115和液压腔116沿径向的横截面一致，即形状和面积相同，由此，两个活塞体1120端面的形状及面积也相同，进而使得燃料腔115和液压腔116内的活塞体1120的端面所受的压力一致，进一步保证含能浆体燃料的稳定供应。
52.请参阅图1、图3及图4，上述自激振荡喷注器200设置于冲压发动机300，自激振荡喷注器200用于将燃料腔115中供应的含能浆体燃料向冲压发动机300中喷注雾化。
53.具体的，自激振荡喷注器200包括喷注本体210及多个自激振荡单喷嘴220，喷注本体210内设有燃料汇流腔211，燃料汇流腔211与燃料腔115连通，因此供应来的含能浆体燃料会先汇集在燃料汇流腔211中。
54.多个自激振荡单喷嘴220均设置于喷注本体210内，自激振荡单喷嘴220的进口与燃料汇流腔211连通，自激振荡单喷嘴220的出口朝向冲压发动机300的燃烧室321。由此，汇集在燃料汇流腔211中含能浆体燃料会均匀进入每个自激振荡单喷嘴220中，再由自激振荡单喷嘴220向冲压发动机300的燃烧室321雾化喷注。
55.请结合参阅图5，可选地，多个自激振荡单喷嘴220均匀分布于喷注本体210沿宽度方向的截面上，使得雾化喷注更均匀。
56.请结合参阅图5，在一些实施例中，沿喷注本体210宽度方向的截面，相邻两排上的自激振荡单喷嘴220错位布置，进一步提高雾化喷注的均匀性。
57.请参阅图3及图4，进一步的，自激振荡单喷嘴220内沿含能浆体燃料流动的方向包括依次连通的进液流道221、上流道222、自激振荡腔223及下流道224，其中，上流道222、下流道224的直径小于自激振荡腔223的直径，且下流道224与自激振荡单喷嘴220的喷注口225连通。
58.自激振荡单喷嘴220的工作原理为：含能浆体燃料由燃料汇流腔211会依次经进液流道221、上流道222、自激振荡腔223及下流道224再由喷注口225喷出。其中，含能浆体燃料以高速射流的方式从上流道222进入自激振荡腔223，由于上流道222至自激振荡腔223的截面发生突变，以及自激振荡腔223中本就存在气体，气体会对高速射流形成剪切作用，因此，高速射流的表面扰动不断发展，直至高速射流达到自激振荡腔223的底部，此时扰动波向上反射至入口。若扰动波的频率、相位同高速射流失稳的频率、相位相近，会加剧射流扰动的发展，放大高速射流扰动。扰动波在自激振荡腔223中的反复叠加放大最终导致了自激振荡的形成，从而加快含能浆体燃料的雾化进程。
59.请参阅图6、图7及图8，上述冲压发动机300沿气流方向依次包括隔离段310及至少一燃烧室段320，燃烧室段320内形成有所述燃烧室321，自激振荡喷注器200设置于燃烧室
段320。
60.进一步的，燃烧室段320的内壁面设有凹腔322，自激振荡喷注器200位于凹腔322的上游，凹腔322内的气流流速慢，可以辅助点火及助燃。
61.可选地，凹腔322的数量可以是多个，分布在燃烧室321的不同流向位置或不同壁面上。
62.在一些实施例中，沿气流方向，燃烧室321的宽度逐渐增大。隔离段310的内流道311为等截面或1
°‑2°
的微扩截面。
63.进一步的，燃烧室321沿长度方向的横截面可以为单侧扩张、双层扩张或四周均匀扩张。
64.可选地，燃烧室段320的数量可以为一段、两段、三段等，在本实施例中对燃烧室段320的段数不做具体限定。
65.请参阅图1和图6，进一步的，在本实施例中，冲压发动机系统还包括热流密度传感器400，热流密度传感器400设置于燃烧室321的内壁上。热流密度传感器400位于凹腔322的下游位置，当含能浆体燃料在冲压发动机300的燃烧室321中稳定燃烧时，热流密度传感器400可以测量特定位置的壁面的热流密度值。
66.请结合参阅9、图10及图11，在本实施例中，选用含能浆体燃料为jp-10+16％al的浆体燃料为例进行说明：
67.如图9所示，图中展示了含能浆体燃料供应装置100中jp-10+16％al浆体燃料时对应的燃料流量曲线，可以发现在含能浆体燃料供应装置100工作时间内，燃料流量基本稳定，与设计值偏差小于2％，说明含能浆体燃料供应装置100可实现燃料的稳定供应。
68.如图10所示，图中展示了自激振荡喷注器200供应jp-10+16％al浆体燃料时对应的喷注压力，图中还给出了使用传统的直流式喷注器供应jp-10+16％al浆体燃料时对应的喷注压力，可以发现采用本实施例提供的自激振荡喷注器200对应的喷注过程稳定，喷注压力约1mp，传统的直流式喷注器对应的喷注压力波动明显，且喷注压力过高，由此说明本实施例的自激振荡喷注器200可实现含能浆体燃料的高效喷注雾化。
69.如图11所示，图中展示了jp-10+16％al浆体燃料燃烧时热流密度传感器400的测量结果，图中还示出了jp-10液体碳氢燃料燃烧时热流密度传感器400的测量结果，可以发现含能浆体燃料燃烧时热流明显提高。
70.综上，相比于现有技术，本实施例提供的冲压发动机系统具有如下优点：
71.(1)实现了含能浆体燃料向冲压发动机300中的稳定供应；
72.(2)实现了含能浆体燃料在冲压发动机300中的高效喷注；
73.(3)实现了含能浆体燃料在冲压发动机300中的稳定燃烧和可靠工作。
74.实施例二
75.请参阅图1及图8，本实施例提供了一种应用含能浆体燃料的冲压发动机系统，是在上述实施一的技术基础上做出的改进，相比于上述实施例一，区别之处在于：
76.在本实施例中，缸体组件111包括第一缸体段1110、第二缸体段1111、油嘴113及燃料嘴114。第一缸体段1110内设有燃料腔115，第二缸体段1111内设有液压腔116，第一缸体段1110和第二缸体段1111相对设置，活塞联动组件112滑动设置于第一缸体段1110和第二缸体段1111内，活塞联动组件112直接将燃料腔115与燃料腔115隔开。
77.燃料嘴114设置于第一缸体段1110上，并与燃料腔115连通，油嘴113设置于第二缸体段1111，并与液压腔116连通，当液压站121向液压腔116内输送预设压力的液压油时，会推动活塞联动组件112整体向燃料腔115运动，进而使燃料腔115中的含能浆体燃料从燃料嘴114排出，可实现含能浆体燃料的稳定供应。如果需要装填含能浆体燃料，则需要通过外部的加料装置将含能浆体燃料以一定的压力从燃料嘴114注入燃料腔115，此时，活塞联动组件112向液压腔116运动，将液压油由油嘴113送回液压站121。
78.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
79.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。