[发明专利]一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案

说明书

本发明提出一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案，以进气道的低温气体为介质，根据脉冲爆震发动机中DDT段和爆震传播段温度不同的特点，采用分区冷却的方式对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面进行冷却。提出一种冲击/发汗复合式冷却方式以冷却燃烧室中温度较高的DDT段，采用结构简单的通道内对流换热的方式来冷却温度相对较低的爆震传播段。在不额外携带冷源的同时，充分利用冷却介质，可提高发动机推力。本发明可解决现有冷却方式所造成的温度分布不均匀的问题，显著降低脉冲爆震发动机燃烧室壁面温度。

技术领域

本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，具体为一种吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种基于多循环爆震燃烧模式工作的非稳态推进装置。由于爆震燃烧过程类似于等容燃烧过程，使得脉冲爆震发动机拥有比常规采用等压燃烧的发动机更高的循环热效率；另一方面，脉冲爆震发动机可以提供较高的压比，通过自行增压来提高可燃混气的温度和压力。燃料和氧化剂注入燃烧室时的压力相对较低，相比常规动力装置省去了复杂的旋转增压部件，结构更简单，因此可以提供更高的推重比。基于上述优点，针对脉冲爆震发动机的研究受到了越来越多的重视。

PDE具有巨大的理论优势和广阔的应用前景，但在实际应用过程中还存在一些制约其性能完全发挥的问题，如脉冲爆震发动机燃烧室壁面的热疲劳和温度控制。由于爆震波在燃烧室内周期性高速传播，产生高温高压燃气，在循环工作过程中对燃烧室壁面造成疲劳损伤，特别是在实际工程应用中，高频率和长时间的工作条件下，脉动热冲击对壁面的影响更为显著，直接影响了发动机的工作寿命。

现有的PDE燃烧室壁面冷却的主要方式为水冷或利用发动机携带的液态燃料进行再生冷却，但上述方法均存在不足之处：采用水冷的PDE发动机需要配备额外的装置以存储冷却剂，造成发动机推重比的降低；采用液态燃料进行冷却时，由于发动机冷却通道内温升较大，碳氢燃料在高温下会发生裂解，从而改变燃料热物理性质，造成换热的不均。另一方面，高温下碳氢燃料也会结焦从而阻塞冷却通道，降低冷却效率。

基于上述背景技术的需要，本发明提供了一种以来流空气为冷源的脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。

发明内容

要解决的技术问题

针对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面的热疲劳和现有冷却方式不足的问题，本发明提供一种脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却方案。将进气道的低温气体引入本发明的冷却系统中，分别采用冲击冷却/发汗冷却和对流换热的方式对吸气式脉冲爆震发动机燃烧室壁面进行分区冷却，同时将冷却气体从单独的喷管中喷出，可以有效降低发动机燃烧室壁面热载荷，同时提高发动机性能。

本发明的技术方案为：

一种利用空气进行冷却的PDE燃烧室壁面冷却方案，包括进气装置、爆震管、一级冷却系统、二级冷却系统和喷管。

所述进气装置一端与进气道相连，另一端与一级冷却系统的外壳体相连，以进气道进入的低温气体为冷源，冷却气体的流量可根据发动机工况进行调节。

所述爆震管为爆震发动机主体结构，整体为圆柱形，主要分为头部、DDT段和爆震传播段几部分。头部由进气装置和供油装置组成。其中，DDT段材料为激光打孔金属发汗材料，具有孔隙结构可控制、孔径大小一致、分布均匀等优点，能形成畅通无阻的冷却剂通道，孔隙间隔均匀，能避免局部过热的扩散和恶化。除DDT段外，其余部分材料均为超高强度钢30Cr3SiNiMoVA，抗拉强度高，韧性好，保证爆震发动机长时间安全稳定地工作。