一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器

1.本发明涉及爆震推进技术领域，具体为一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器。


背景技术：

2.现有航空航天动力装置普遍采用等压燃烧，其技术水平已趋成熟，热效率难以进一步提升。与等压燃烧相比，爆震燃烧中的可燃混气主要通过前导激波压缩迅速达到化学反应状态，火焰传播速度高达几千米每秒，接近于等容燃烧，故具有更高的热循环效率。旋转爆震发动机(rotating detonation engine，简称rde)能更好地适应大空域、宽速域飞行需要，与同样采用爆震燃烧的脉冲爆震发动机(pulse detonation engine，简称pde)，有着一次点火即可连续工作的优势。近年来，旋转爆震发动机受到了各军事强国的高度关注。
3.基于气态燃料的旋转爆震实验研究已十分普遍，但实际工程应用中，更青睐便于储存和携带的液态燃料。目前，围绕液态燃料旋转爆震的研究重点主要包括高效喷注和掺混、爆震触发和爆震模态等。其中，旋转爆震触发直接关系到rde工作的可靠性。此外，与气相旋转爆震相比，液态燃料自身活性差，难以与氧化剂快速良好掺混，爆震波的稳定可靠触发面临很大挑战。因此，实现基于两相旋转爆震波的起爆是rde工程应用需要破解的难题之一。
4.综上，针对两相旋转爆震波稳定触发的难题，设计一种能实现两相旋转爆震起爆的装置显得至关重要。本发明提出了一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，恰能解决上述问题。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.本发明的目的在于提供一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，通过喷注一定量气态燃料，解决液态燃料活性低、液态燃料与空气旋转爆震燃烧组织困难等问题，最终实现液态燃料爆震波的成功起爆。本发明可用于旋转爆震推进领域。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，包括喷注面板、内柱、外环、离心喷嘴和起爆装置，其特征在于：喷注面板、内柱、外环均为圆环形壳体。喷注面板前端面、内柱外壁面和外环内壁面共同构成环形燃烧室，去掉内柱则为空筒燃烧室，其外形尺寸可根据使用环境进行具体设计。
9.气态燃料和空气经过喷注面板轴向喷出，进入燃烧室前端。液态燃料通过外环周向均匀布置的离心喷嘴进行雾化，径向喷出后与气态燃料和空气混合物进行掺混。
10.喷注面板包括氧化剂环缝流道和燃料腔。氧化剂流道位于燃料腔外侧，环缝采用收敛扩张型面。氧化剂在环缝内不断加速，在环缝出口前达到超音速状态，同时可防止燃烧室压力前传。气态燃料通过位于喷注面板中心的燃料腔流入，再通过燃料腔周向均布的孔
中心距为2～5mm的燃料腔喷孔喷出，孔径与燃烧室外径比为150～250，每个燃料腔喷孔均与环缝扩张段相通。
11.外环与喷注面板相连，燃料通过离心喷嘴径向喷注。本例中，外环周向均布孔中心距为15～35mm的喷注孔，内部安装离心喷嘴。由于环缝扩张段到燃烧室头部存在突扩，气态燃料和空气混合物进入燃烧室后会形成回流区，强化混合物与液态燃料的掺混效果。起爆装置安装在外环喷注孔的下游一侧，形式可为火花塞、预爆震管等。
12.将气态与液态燃料互换喷注位置，亦可实现两相旋转爆震的起爆。液态燃料从燃料腔喷孔喷出，与空气在环缝扩张段掺混。气态燃料从位于外环的离心喷嘴径向喷注，与液态燃料和空气的混合物于环缝出口进行掺混。在双组元燃料与空气的不同掺混形式下，探索其对爆震触发的影响。
13.有益效果：
14.本发明提供的一种可实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，通过双组元燃料喷注设计，喷注一种或两种燃料时均能实现较好掺混。通过在液态燃料中掺混一定量气态燃料，反应物的活性得到提高，有利于实现液态燃料与空气旋转爆震。采用此喷注装置，可进行单一燃料的喷注，以研究单组元燃料的旋转爆震；也可进行双组元燃料的喷注，以研究气态燃料对液态燃料空气旋转爆震起爆的促进机制；双组元燃料可互换喷注位置，可研究不同掺混方式对双组元燃料旋转爆震的影响。
附图说明
15.图1为双组元燃料的两相旋转爆震燃烧室喷注器的结构示意图；
16.图2为双组元燃料的环形两相旋转爆震燃烧室喷注器的示意图；
17.图3为双组元燃料的空筒形两相旋转爆震燃烧室喷注器的示意图；
18.图4为图3中a-a方向的剖视图；
19.图5为图3中环缝喷孔结构的局部放大图；
20.其中，1为喷注面板，2为氧化剂流道，3为燃料腔，4为燃料腔喷孔，5为环缝，6为内柱，7为外环，8为离心喷嘴，9为起爆装置。
具体实施方式
21.下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。
22.参照图1，喷注器由喷注面板1、外环7、离心喷嘴8和内柱6组成。工作时，氧化剂从喷注面板1的氧化剂流道2流入，在环缝5扩张段与燃料腔3喷出的气态燃料进行掺混。液态燃料从均匀布置在外环7的离心喷嘴8径向喷出，并与环缝5出口轴向喷出的混合物对撞掺混。
23.本发明中，将内柱6安装或取下，可分别进行环形燃烧室或空筒燃烧室实验，分别如图2和图3所示。安装内柱6时，可进行液态燃料与空气在环形旋转爆震燃烧室中的实验；取下内柱6时，可进行液态燃料与空气在空筒旋转爆震燃烧室中的实验。环形燃烧室因有内柱6和外环7的约束，激波反射增强，有利于维持旋转爆震波强度和稳定传播。空筒燃烧室无内柱6约束，减小了燃烧室结构的热负荷。
24.实验中，按照双组元燃料的不同喷注时序，有两种实施方案。
25.工作方案1，先从喷注面板1喷注气态燃料和氧化剂，起爆形成稳定爆震波后从外环7喷注液态燃料。喷注气态燃料形成爆震波后创造出高温环境，为液态燃料提供良好雾化条件，提高反应物活性，促进液态燃料的起爆。同时供给气态与液态燃料后，若爆震波在燃烧室内稳定传播，则逐渐减小气态燃料流量到零，并保持液态燃料的供给直至实验结束。
26.工作方案2，先从喷注面板1喷注气态燃料和氧化剂，起爆形成稳定爆震波后从外环7喷注液态燃料，并保持两种燃料持续供给直至实验结束。双组元燃料同时参与爆震燃烧，相较于单组元燃料与空气旋转爆震，增强了反应物活性，提高了爆震波强度。
27.以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。


技术特征：
1.一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，包括喷注面板、内柱、外环、离心喷嘴和起爆装置，其特征在于，先喷注气态燃料和空气，起爆形成爆震波后创造出高温环境，为液态燃料雾化提供了良好条件，最终实现两相旋转爆震成功起爆；空气通过喷注面板的氧化剂流道轴向喷注，燃料腔中的气态燃料通过燃料腔喷孔与空气在环缝扩张段掺混，液态燃料从均匀布置在外环的离心喷嘴径向喷出后，与气态燃料及空气的混合物混合；可将气态与液态燃料互换喷注位置，即液态燃料从燃料腔喷孔喷出，与空气在环缝扩张段掺混；气态燃料从位于外环的离心喷嘴径向喷注，与液态燃料和空气的混合物于环缝出口进行掺混；亦可改变燃料喷注时序，即先喷注气态燃料与空气，起爆后喷注液态燃料，待爆震波稳定后将气态燃料流量逐渐减小至零；或者先喷注气态燃料与空气，起爆后保持液态燃料供给至实验结束；气态燃料喷注时间控制在0～1.1s。2.根据权利要求1所述的一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，其特征在于：喷注面板、外环与内柱是同轴安装，且均为回转体，外环与内柱分别固定在喷注面板上；燃料腔位于喷注面板中心，将燃料腔喷孔周向均匀布置在靠近端部位置；氧化剂流道位于燃料腔外侧，为等直段与环缝段；环缝采用收敛扩张型面，环缝扩张段通过喷孔与燃料腔相连；外环与喷注面板相连，起爆装置安装在外环喷注孔的下游一侧。3.根据权利要求2所述的一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，其特征在于：燃料腔周向均布燃料腔喷孔，其中心距为2～5mm，孔径与燃烧室外径比为150～250；外环周向均布孔中心距为15～35mm的喷注孔，内部安装离心喷嘴。4.根据权利要求1所述的一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，其特征在于：安装内柱时，可进行环形燃烧室的两相旋转爆震实验；取下内柱时，可进行空桶燃烧室的两相旋转爆震实验。

技术总结
本发明提出了一种实现两相旋转爆震起爆的双组元燃料喷注器，包括喷注面板、内柱、外环、离心喷嘴和起爆装置。本发明采用双组元燃料喷注设计，空气通过喷注面板的氧化剂流道轴向喷注，燃料腔中的气态燃料通过燃料腔喷孔与空气在环缝扩张段掺混，液态燃料从均匀布置在外环的离心喷嘴径向喷出后，与气态燃料及空气混合物进行掺混；气态与液态燃料的喷注位置亦可互换。气态燃料和空气起爆形成爆震波后创造出高温环境，为液态燃料雾化提供了良好条件，最终实现液态燃料与空气成功起爆。本发明可用于爆震推进领域。于爆震推进领域。于爆震推进领域。


技术研发人员：王可 杨璋 赵明皓 范玮
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.06.08
技术公布日：2022/8/12