[发明专利]一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机

说明书

本发明提供了一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机，属于吸气式发动机研究领域，包括端盖、燃料盘、壳体和点火装置，端盖上分布有燃料进气口和空气进气口，燃料盘上分布有圆柱孔，壳体内无中心柱，底部内侧为中空的楔形结构，壳体和燃料盘之间形成收敛扩张环缝，空气从收敛扩张环缝径向喷注，与圆柱孔轴向喷注的燃料进行正交掺混，通过壳体内侧与燃料盘顶端凸台之间4.2mm的通道进入燃烧室，主要集中于燃烧室内侧，点火装置切向焊接在壳体上，本发明将爆轰波集中于燃烧室内侧，能够降低燃烧室外壁面的温度和压力，同时结合无内柱的燃烧室结构，能够减小燃烧室的所面临的严重烧蚀问题，保证旋转爆轰发动机可以长时间稳定工作。

技术领域

本发明涉及吸气式发动机研究领域，具体地说是一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机。

背景技术

旋转爆轰发动机是一种基于爆轰燃烧产生热量工作，爆轰过程可以近似为等容循环，产生的熵增较小。理论上比传统燃气轮机、涡喷发动机或冲压发动机均具有更高的热效率。旋转爆轰发动机一般采用环形燃烧室，燃料和氧化剂从燃烧室头部端口连续喷入，爆轰波沿着环形燃烧室周向传播实现化学反应放热，高温高压的爆轰产物沿燃烧室轴向膨胀并加速排出，从而产生连续稳定的推力。旋转爆轰发动机具有爆轰发动机的基本优点，同时不受来流工况、火焰稳定器、比冲低、多次起爆等不利瓶颈问题的限制，很有希望突破现有爆轰发动机研究中的诸多限制，成为实现由亚音速直至超音速飞行的新型航天航空发动机。

爆轰比爆燃具有更高的温度，旋转爆轰波在燃烧室内周向传播，工作频率可达kHz-10kHz量级，爆轰波波面的温度可到2000～3000℃左右。热释放的峰值位置也会绕着环形燃烧室周期性变化，从而产生不稳定热流密度，使得燃烧室内外壁面长时间处于高温状态下。在有限空间内燃烧室的内外壁更加难以散热。之前实验研究表明旋转爆轰燃烧室在无任何热防护条件下长时间工作，燃烧室已接近失效极限，内外壁面出现严重烧蚀，面临着很大的热负荷。而燃烧室的外壁面对气体的收敛压缩作用，爆轰波在外壁面附近的强度更高，导致外壁面往往承受更高的热应力，燃烧室容易发现变形。因此长时间工作环境下，旋转爆轰发动机必须采取热防护措施，但采用旋转爆轰发动机与冷却系统集成，冷却直接影响壁面温度，进而影响旋转爆轰发动机的推进性能。因此在先进耐高温材料研发速度较慢的制约下，如何通过合理的设计结构来解决旋转爆轰发动机的壁面热防护问题成为工业界与学术界共同关注的焦点。

发明内容

本发明的目的在于为了有效地减小燃烧室外壁面温度和压力，防止燃烧室外壁面因过高的热应力出现变形，同时结合无内柱的燃烧室结构，能够减小燃烧室的所面临的严重烧蚀问题，保证旋转爆轰发动机可以长时间稳定运行。

实现上述目的的方案是，一种将爆轰波集中于燃烧室内侧的旋转爆轰发动机，包括端盖、燃料盘、壳体和点火装置。

进一步地，端盖内侧分布有一个燃料进气口和一个传感器放置口，外侧沿周向等间距分布有三个空气进气口，依次间隔120°。

进一步地，燃料盘两端为凸台结构，燃料盘底端凸台与端盖使用内六角螺栓连接，内部的中空腔体为燃料稳压室，外侧的中空腔体为空气稳压室，分别用于储存燃料和空气，燃料盘上沿周向等间距分布有450个直径为0.8mm的圆柱孔，燃料通过圆柱孔轴向喷注，将燃料和空气混合的更加均匀，提高爆轰波的强度。

进一步地，壳体底端内侧为中空的楔形结构，楔形角约为15°，壳体与燃料盘之间空隙形成收敛扩张环缝，环缝最窄处宽度为1mm，空气从收敛扩张环缝径向喷注，与圆柱孔轴向喷注的燃料进行正交掺混，通过壳体内侧与燃料盘顶端凸台之间4.2mm的通道进入燃烧室，正交掺混设计综合考虑了掺混质量、流动损失和工艺等因素。壳体内无中心柱，燃烧室流道直径为220mm，壳体的外侧分布点火器的放置口，沿壳体外壁周向等间距分布3组传感器放置口，依次间隔为90°每组含4个传感器放置口，沿轴向等间距分布，使用六角螺栓将端盖和壳体连接，对旋转爆轰发动机进行约束和紧固，并且采用O型密封圈保证发动机密封性。