一种内环爆震燃烧室的制作方法

1.本说明书涉及飞行器燃烧室技术领域，具体涉及一种内环爆震燃烧室。


背景技术：

2.航空航天领域竞争越来越激烈，对于空天领域关键革新技术的研究越来越引起各个国家的重视。近年来，伴随着对高超音速飞行器及单级入轨动力系统的研究的不断深入，新型连续旋转爆震发动机技术得到了快速的发展。研究表明，基于爆震燃烧的推进技术能够极大的减低燃油消耗，大幅度提高动力装置的比冲特性，对拓宽吸气式飞行器工作包线、提升现有武器装备经济性和作战性能具有重要的意义。作为一种可以弯道超车的领先技术，对其全面深入的研究显得更加的迫切。
3.连续旋转爆震发动机是一种利用爆震燃烧的动力技术，总结其特点及优势在于：(1)只需要一次成功起爆，爆震波即可沿燃烧室圆周方向连续传播；(2)燃烧速率快，放热强度大，燃烧室结构紧凑，可以缩短发动机长度；(3)具有增压特性，可以减少涡轮发动机压气机级数或降低冲压发动机进口道总压损失，有利于简化推进系统设计，提高发动机推重比；(4)可用吸气式模态或火箭式模态工作，工作范围可从亚声速到高马赫数的超声速变化。因此，连续旋转爆震发动机的研究逐渐引起了科技界的广泛关注。其中爆震燃烧室是爆震研究的重点对象，为了能够实现工程化，对其燃烧室高温涂层研究、气膜冷却研究、水冷研究都进行了大量的验证工作。但是不论是气膜冷却还是水冷却，都需要额外的增加冷却介质和管路及其附件，与前沿技术要求的发动机紧凑布置和轻量化设计相违背。
4.当前对于连续旋转爆震发动机的研究取得了较多的成果和积累了比较多的经验，但是针对其燃烧的可控性、燃料的掺混、喷注形式、喷孔大小或者数量(涉及流量控制、雾化和混合)、燃烧室环缝空间大小、燃烧室掺混需要的最短长度、各种类型喷注形式对燃烧室掺混形成可燃混合气点燃形成爆燃逐渐转变至爆震的影响、燃烧室再生冷却以及新型适用材料的研究不够透彻的问题日渐暴露，对其工程化道路上的阻障越发突出，攻克以上关键问题对其最终应用落地显得更加的关键。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本说明书实施例提供一种内环爆震燃烧室，以达到供给压力保持稳定，强化推力转化的目的。
6.本说明书实施例提供以下技术方案：
7.一种内环爆震燃烧室，包括：
8.燃烧室外壳组件，燃烧室外壳组件包括同轴且从内向外依次套接的内环体组、燃料腔外壳前段和燃烧室外壳；
9.燃烧室组件，燃烧室组件包括外接氧化剂管、氧化剂喷注腔、燃烧室环缝形腔、外接燃料管、燃料腔前段和氧化剂稳压腔，氧化剂喷注腔为燃料腔外壳前段和燃烧室外壳合围构成的环形空腔，燃烧室环缝形腔的进口端和氧化剂喷注腔的出口端相互连通，燃料腔
前段为燃料腔外壳前段和内环体组合围构成的环形空腔，外接燃料管设置在燃料腔外壳前段的外壁并与燃料腔前段连通，氧化剂稳压腔设置在氧化剂喷注腔的上游位置，且与氧化剂喷注腔的入口连通，外接氧化剂管与氧化剂稳压腔连通，且外接氧化剂管的轴线与氧化剂稳压腔的轴线垂直。
10.进一步地，内环体组包括内环体和燃烧室内环，燃烧室内环同轴套设在内环体的外部，燃烧室环缝形腔为燃烧室内环和燃烧室外壳合围构成的环形空腔。
11.进一步地，燃烧室组件还包括燃料喷注通道，燃料喷注通道为燃料腔外壳前段和燃烧室内环的轴向间隙，燃料喷注通道的进口端和燃料腔前段连接，燃料喷注通道的出口端和燃烧室环缝形腔连接。
12.进一步地，燃料喷注通道与燃烧室环缝形腔内壁的夹角为θ，θ为30
°
至90
°
。
13.进一步地，燃烧室组件还包括燃料腔后段，燃料腔后段为内环体和燃烧室内环合围构成的环形空腔，燃料腔前段的出口端和燃料腔后段的进口端相互贯通。
14.进一步地，燃烧室组件还包括调整螺钉，调整螺钉设置在燃料腔外壳前段上，燃料腔外壳前段可通过调整螺钉和内环体锁紧。
15.进一步地，燃烧室组件还包括连接螺栓，连接螺栓设置在燃烧室内环的出风侧，调整连接螺栓使燃烧室内环延中轴线轴向移动。
16.进一步地，内环爆震燃烧室还包括氧化剂稳压组件，氧化剂稳压组件包括氧化剂稳压腔外壳、外接氧化剂管和均流板，氧化剂稳压腔为氧化剂稳压腔外壳内部的空腔，外接氧化剂管贯通设置在氧化剂稳压腔外壳的外壁，氧化剂稳压腔通过均流板和氧化剂喷注腔连接，均流板上设置多个氧化剂均流孔。
17.进一步地，燃烧室组件还包括缩口、喷管喉口和喷管喷口，缩口设置在燃烧室环缝形腔的进口端，燃烧室环缝形腔的出口端通过喷管喉口连接至喷管喷口，喷管喷口的出口端和外部连通。
18.进一步地，外接燃料管与燃料腔前段径向垂直相切。
19.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
20.燃烧室带稳压腔，有利于其供给压力保持稳定，性能稳定；其次外接燃料通道做成旋流式助流，在压力的加持下，能够产生旋转式的流通效应，以旋转的姿态进入燃烧室，与氧化剂更好的进行掺混。装配间隙式燃料供给通道代替机加工的燃料喷注孔，通过调整装配间隙，即燃料供给通道缝隙宽度可在≥0.01mm的范围内调整，燃烧室内外环装配形成环缝式拉瓦尔喷管，喷气速度增加，其强化了推力转化。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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它的附图。
22.图1是本发明第一实施例的轴向剖面图；
23.图2是图1a-a部分的径向剖面图；
24.图3是本发明第一实施例的剖视图；
25.图4是本发明第一实施例的侧视图；
26.图5是本发明第一实施例的立体图；
27.图6是本发明第二实施例的轴向剖面图；
28.图7是图6a-a部分的径向剖面图；
29.图8是本发明第二实施例的剖视图；
30.图9是本发明第二实施例的立体图；
31.图10是本发明实施例燃料喷注通道部分的放大图。
32.附图标记说明：1、外接燃料管；2、燃料腔前段；3、氧化剂稳压腔外壳；4、氧化剂稳压腔；5、氧化剂均流孔；6、均流板；7、缩口；8、燃烧室外壳；9、燃烧室环缝形腔；10、喷管喉口；11、喷管喷口；12、内环体；13、连接螺栓；14、燃烧室内环；15、燃料腔后段；16、燃料喷注通道；17、氧化剂喷注腔；18、外接氧化剂管；19、燃料腔外壳前段；20、调整螺钉。
具体实施方式
33.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
34.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
36.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
37.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
38.现有技术的爆震燃烧室存在一下几点缺点：
39.1、不带稳压腔，随着喷注过程的进行，压力会有部分的下降，压力不能保持，造成实际混合当量比不准确，稳定性差，产生的推力不稳定；
40.2、当前燃料接口只是一个连接的作用，燃料单纯靠压力压注，燃料接口只起到连通外接燃料箱和燃料腔的作用，不再具备其他的助流作用；
41.3、燃料喷孔靠机加工形成，对刀具要求高，损耗高，加工费时费力，成本高；
42.4、大小不可调节大小，对研究燃料通道的大小对性能的影响不利，不同喷孔类型研究需要反复装配，周期长；
43.5、不带收缩扩张喷管或者减缩喷管，热能不能充分转换为燃气的动能，从而转换为推力，效率低。
44.6、燃烧室区域冷却方式主要为水冷或者气膜冷却，都需要单独的接入氧化剂和燃料以外的其他冷却介质，需要配套的携带单独的供给系统和管路，结构相对复杂，成本比较高，空间占用大。
45.以下结合附图，说明本技术各实施例提供的技术方案。
46.图1至图5为本技术的一个实施例。
47.第一实施例提供一种内环爆震燃烧室替代现有燃烧室方案，该燃烧室带稳压腔，有利于其供给压力保持稳定，性能稳定；其次外接燃料通道做成旋流式助流，在压力的加持下，能够产生旋转式的流通效应，以旋转的姿态进入燃烧室，与氧化剂更好的进行掺混；装配间隙式燃料供给通道代替机加工的燃料喷注孔，通过调整装配间隙，即燃料供给通道缝隙宽度可在≥0.01mm的范围内调整，燃烧室内外环装配形成环缝式拉瓦尔喷管，喷气速度增加，其强化了推力转化。
48.如图1、图4、图5所示，内环爆震燃烧室由燃烧室外壳组件、燃烧室组件和氧化剂稳压组件组成。
49.燃烧室外壳组件包括从内向外依次套接的内环体组、燃料腔外壳前段19、燃烧室外壳8，内环体组包括内环体12。
50.燃烧室组件包括外接氧化剂管18、氧化剂喷注腔17、燃烧室环缝形腔9、外接燃料管1、燃料腔前段2和氧化剂稳压腔4。内环体12和燃烧室外壳8合围构成燃烧室环缝形腔9。燃料腔外壳前段19和燃烧室外壳8合围构成氧化剂喷注腔17，燃烧室环缝形腔9的进口端和氧化剂喷注腔17的出口端连接。外接燃料管1设置在燃料腔外壳前段19的外壁并与燃料腔前段2连通。燃料腔前段2由燃料腔外壳前段19和内环体12合围组成。氧化剂稳压腔4与氧化剂喷注腔17连通，外接氧化剂管18的轴线与氧化剂稳压腔4的轴线垂直。
51.氧化剂稳压组件由氧化剂稳压腔外壳3、均流板6、氧化剂均流孔5和燃料腔外壳前段19组成，通过增设氧化剂稳压腔4，可以使得从外接氧化剂管18来流的氧化剂压力更加的稳定，解决了随着氧化剂的消耗而导致的来流压力不稳定的问题，同时氧化剂稳压腔4与氧化剂喷注腔17之间设计均流板6，均流板6上设置有氧化剂均流孔5，可以周向更加均匀的将氧化剂分配到氧化剂喷注腔17，进而均匀的从缩口7喷注，在喷口前段与燃料喷注通道16喷出的燃料进行掺混，形成充分混合的可燃混合物，进入燃烧室环缝形腔9，为爆震创造良好的着火条件。可燃物在燃烧室环缝形腔9前端掺混传播后，通过安装在燃烧室外壳8的点火器点燃，可燃物通过燃烧室外壳8与内环体12即燃烧室尾端形成配合的环状喷管。上述环状喷管包括喷管喉口10和喷管喷口11，将高温高压的产物加速喷出，形成推力，此环状喷管集成于设计于燃烧室外壳8与内环体12的轮廓当中。
52.燃料喷注通道16，由内环体12和燃料腔外壳前段19装配形成的周向间隙形成，传统的设计是采用燃料喷孔设计，靠机加工形成，对刀具要求高，损耗高，加工费时费力，成本高燃料喷注。如图10所示，燃料喷注通道16喷射方向与喷出口界面的角度为θ，θ为30
°
至90
°
之间喷注的效果较好。燃料喷注通道16的大小通过调整内环体12的轴向位置进行调整，调整完毕通过调整螺钉20进行锁紧，而传统的喷注孔孔径是不可调整的，对研究喷注面积以及流量的变化关系有重要的意义，给后续设计变推力爆震发动机提供了新思路。
53.如图2所示，燃料腔前段2是由内环体12和燃料腔外壳前段19之间环缝组成的环缝，外接燃料管1与燃料腔前段2的环缝设计成垂直，并对角相切的结构。燃料通过外接燃料管1接通到燃料腔前段2时，产生旋流效应，向燃料喷注通道16一侧推进，配合压力的挤压并从燃料喷注通道16以圆周离散的状态旋转喷出，与从缩口7加速流出的氧化剂充分的混合。这种设计比不带切向外接燃料管的设计混合效率显著提升，混合气充分混合需要的轴向距离更短，有利于缩短爆震发动机的燃烧室长度，降低重量，提高比冲。
54.如图3所示，均流板6上设置多个氧化剂均流孔5。
55.爆震燃烧室完成燃烧工作状态后，先停止供给燃油，外接燃油管路的惰性气体气嘴电磁阀通电开始工作，气体吹扫燃烧室环缝形腔9，将多余的燃油扫除干净，对燃烧室壁面进行短暂冷却降温，一个完整的工作循环结束。
56.第一实施例将燃料腔前段2做成了环缝形的设计，配合角对称切向的外接燃料管1，替代了传统的全腔设计，传统全腔设计，空间占用大，只靠压力往下游挤压燃料雾化效果纯靠提高压力控制。本发明实施例在旋流和压力的配合，可以在较低的供油压力下达到相同的雾化效果，同时，氧化剂采用氧化剂稳压腔4和均流板6，达到了稳流和均流的目的，改善了传统的自流掺混方式。燃料喷注通道16采用装配式的，大小可调，不受材料厚度限制，传统的喷注通道采用喷孔设计，喷孔直径大小也是在φ0.1mm至φ0.8mm的范围，小于φ0.3mm后，加工相对困难，材料一般用不锈钢，对于壁厚在5mm的材料加上斜度基本上不可刀具加工，其他如激光打孔对壁厚也有要求，一般壁厚需要在1mm左右，不同的喷孔测试方案需要加工多件工件，做批量对比试验成本显著降低。燃烧室为燃烧室环缝形腔9、喷管喉口10和喷管喷口11的集成式喷管设计，比单独喷管方式省去了安装和较少零件，质量控制更有保障。
57.图6至图9为本技术的另一个实施例。
58.第二实施例提供一种内环爆震燃烧室替代现有燃烧室方案，该燃烧室带稳压腔，有利于其供给压力保持稳定，性能稳定；其次外接燃料通道做成旋流式助流，在压力的加持下，能够产生旋转式的流通效应，以旋转的姿态进入燃烧室，与氧化剂更好的进行掺混；装配间隙式燃料供给通道代替机加工的燃料喷注孔，通过调整装配间隙，即燃料供给通道缝隙宽度可在≥0.01mm的范围内调整，燃烧室内外环装配形成环缝式拉瓦尔喷管，喷气速度增加，其强化了推力转化；燃烧室为内环自冷却结构，环缝燃料腔贯通到爆震燃烧室主燃区，能利用本身携带的燃油，给燃烧室内壁面进行冷却降温，同时燃料能够加热到被加热到更容易雾化和燃烧的温度。
59.如图6、图8、图9所示，内环爆震燃烧室由燃烧室外壳组件、燃烧室组件和氧化剂稳压组件组成。
60.燃烧室外壳组件包括从内向外依次套接的内环体组、燃料腔外壳前段19、燃烧室外壳8，内环体组包括内向外依次套接的内环体12和燃烧室内环14，燃烧室内环14同轴套设在内环体12的外部。
61.燃烧室组件包括外接氧化剂管18、氧化剂喷注腔17、燃烧室环缝形腔9、外接燃料
管1、燃料腔前段2、燃料腔后段15和氧化剂稳压腔4。燃烧室内环14和燃烧室外壳8合围构成燃烧室环缝形腔9。燃料腔外壳前段19和燃烧室外壳8合围构成氧化剂喷注腔17，燃烧室环缝形腔9的进口端和氧化剂喷注腔17的出口端连接。外接燃料管1设置在燃料腔外壳前段19的外壁并与燃料腔前段2连通。燃料腔前段2由燃料腔外壳前段19和内环体12合围组成，燃料腔后段15由燃烧室内环14和内环体12合围组成，氧化剂稳压腔4与氧化剂喷注腔17连通，外接氧化剂管18的轴线与氧化剂稳压腔4的轴线垂直。
62.氧化剂稳压组件由氧化剂稳压腔外壳3、均流板6、氧化剂均流孔5和燃料腔外壳前段19组成，通过增设氧化剂稳压腔4，可以使得从外接氧化剂管18来流的氧化剂压力更加的稳定，解决了随着氧化剂的消耗而导致的来流压力不稳定的问题，同时氧化剂稳压腔4与氧化剂喷注腔17之间设计均流板6，均流板6上设置有氧化剂均流孔5，可以周向更加均匀的将氧化剂分配到氧化剂喷注腔17，进而均匀的从缩口7喷注，在喷口前段与燃料喷注通道16喷出的燃料进行掺混，形成充分混合的可燃混合物，进入燃烧室环缝形腔9，为爆震创造良好的着火条件。可燃物在燃烧室环缝形腔9前端掺混传播后，通过安装在燃烧室外壳8的点火器点燃，可燃物通过燃烧室外壳8与内环体12即燃烧室尾端形成配合的环状喷管。上述环状喷管包括喷管喉口10和喷管喷口11，将高温高压的产物加速喷出，形成推力，此环状喷管集成于设计于燃烧室外壳8与内环体12的轮廓当中。
63.燃料喷注通道16，由内环体12和燃料腔外壳前段19装配形成的周向间隙形成，传统的设计是采用燃料喷孔设计，靠机加工形成，对刀具要求高，损耗高，加工费时费力，成本高燃料喷注。如图10所示，燃料喷注通道16喷射方向与喷出口界面的角度为θ，θ为30度至90度之间喷注的效果较好。燃料喷注通道16的大小通过调整内环体12、连接螺栓13、燃烧室内环14的装配体轴向位置进行调整，调整完毕通过调整螺钉20进行锁紧，，而传统的喷注孔孔径是不可调整的，对研究喷注面积以及流量的变化关系有重要的意义，给后续设计变推力爆震发动机提供了新思路。
64.如图7所示，燃料腔前段2是由内环体12和燃料腔外壳前段19之间环缝组成，外接燃料管1与燃料腔前段2环缝设计成垂直，并对角相切的结构。燃料通过外接燃料管1接通到燃料腔前段2时，产生旋流效应，向燃料喷注通道16一侧推进，配合压力的挤压，一部分燃料从燃料喷注通道16以圆周离散的状态旋转喷出，与从缩口7加速流出的氧化剂充分的混合。这种设计比不带切向外接燃料管的设计混合效率显著提升，混合气充分混合需要的轴向距离更短，有利于缩短爆震发动机的燃烧室长度，降低重量，提高比冲；另一部分燃料充满燃料腔后段15，作为冷却燃烧室内壁的冷却剂，热交换过后的热油回流于新的燃料进行二次热交换，新注入的燃料被加热，并通过燃料喷注通道16进入燃烧室燃烧，随着新的燃料不断的进入环缝燃料腔，不断的对燃烧室内壁面进行冷却，达到爆震燃烧室自冷却的目的，提高发动机可靠性和延长了单次工作时长。
65.如图8所示，均流板6上设置多个氧化剂均流孔5。
66.爆震燃烧室完成燃烧工作状态后，先停止供给燃油，外接燃油管路的惰性气体气嘴电磁阀通电开始工作，气体吹扫燃烧室环缝形腔9，将多余的燃油扫除干净，对燃烧室壁面进行短暂冷却降温，一个完整的工作循环结束。
67.第二实施例将燃料腔前段2做成了环缝形的设计，配合角对称切向的外接燃料管1，替代了传统的全腔设计，传统全腔设计，空间占用大，只靠压力往下游挤压燃料雾化效果
纯靠提高压力控制，本发明有旋流和压力的配合，可以在较低的供油压力下达到相同的雾化效果；氧化剂采用氧化剂稳压腔4和均流板6，达到了稳流和均流的目的，设上改善了传统的自流掺混方式；燃料喷注通道16(装配间隙形成)采用装配式的，大小可调，不受材料厚度限制，传统的喷注通道采用喷孔设计，喷孔直径大小也是在φ0.1mm～0.8mm的范围，小于φ0.3mm后，加工相对困难，材料一般用不锈钢，对于壁厚在5mm的材料加上斜度基本上不可刀具加工，其他如激光打孔对壁厚也有要求，一般壁厚需要在1mm左右，不同的喷孔测试方案需要加工多件工件，做批量对比试验成本显著降低；燃烧室集成喷管设计，比单独喷管方式省去了安装和较少零件，质量控制更有保障；用自身需要的燃料对燃烧室内壁面进行自冷却，实现了爆震燃烧室长时间爆震状态的稳定工作，解决了替代材料未应用前的长时间可靠的正常工作。
68.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
69.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。