一种液相煤油空筒式连续爆轰发动机

技术领域

本发明涉及航空航天发动机结构设计技术领域，具体涉及一种液相煤油空筒式连续爆轰发动机。

背景技术

爆轰是激波与化学反应放热紧密耦合的超声速燃烧，是一种基于等容循环的燃烧方式，燃烧速度为千米每秒量级，且其具有熵增小、热效率高等优势。若将爆轰应用于推进系统，将实现发动机性能的跨越式提升，突破目前基于爆燃的发动机的性能“瓶颈”。

连续爆轰发动机是一种利用爆轰燃烧并产生稳定推力的喷气式发动机。连续爆轰发动机具有燃烧速度快、自增压、热效率高、比冲大、推力大幅可调等特点。相较于其他形式的爆轰发动机，其具有仅需一次点火、结构简洁、推力密度大、来流范围广等特点，已被普遍认为是最接近工程应用的一种爆轰发动机的形式。

而现有连续爆轰发动机的常见构型为中心有内柱的环腔式结构。然而内柱极大地增加了发动机的重量，且因内柱占据燃烧室空间极大地限制了燃烧室容积，不利于发动机的大流量、大推力的发展。同时，在燃烧室头部传播的连续爆轰波集中释热，易于对燃烧室内柱和外壁面造成热烧蚀，从而需要设置冷却结构对内柱进行降温，使得发动机的结构复杂。

由于空筒式连续爆轰发动机出口面积较大，出口无法形成壅塞，高温的爆轰产物无法进行有效膨胀，将高温产物的内能有效转化为机械能，严重限制了能量的利用及发动机推进性能的提升。同时，由于空筒式燃烧室的喷注面板中心没有喷嘴分布，因此在燃烧室中心易于形成回流区，高温产物极其易于在中心积聚，对壁面带来了极大的热载荷，并且中心回流区会带来性能损失。

基于此，发明人研发了一种气液两相空筒式无内柱连续爆轰发动机。

发明内容

本发明提供了一种液相煤油空筒式连续爆轰发动机，该发动机能够减轻结构重量，增大燃烧室容积，降低发动机结构复杂程度，消除中心回流区的不利影响，提升发动机推进性能。

本发明采用以下具体技术方案：

一种液相煤油空筒式连续爆轰发动机，该连续爆轰发动机包括喷注结构、燃烧室壳体、钟形喷管以及预爆轰管；

所述喷注结构包括气液两相直流撞击式喷嘴、集油环、喷注盘以及内锥；所述喷注盘为圆盘形结构，并设置有多个沿其周向均匀分布且贯穿其厚度的喷嘴安装孔；所述集油环为截面呈几字形的环状结构，并同心固定安装于所述喷注盘的一侧表面；在所述集油环与所述喷注盘之间形成环形集油腔；所述集油环设置有沿所述喷注盘的轴向与所述喷嘴安装孔一一相对的喷嘴固定孔；所述集油环在背离所述喷注盘的一侧连接有进油管；所述喷嘴固定孔位于所述环形集油腔的径向中心位置；在对应的所述喷嘴安装孔与所述喷嘴固定孔之间安装有一个所述气液两相直流撞击式喷嘴；所述气液两相直流撞击式喷嘴具有位于中心的气流通道以及均匀分布于所述气流通道周向的多个煤油喷孔；所述煤油喷孔连通所述气流通道与所述环形集油腔；所述煤油喷孔位于所述喷嘴安装孔内；所述内锥与所述喷注盘同心设置且固定连接于所述喷注盘的另一侧表面；所述内锥为空心结构，并且锥尖朝向远离所述喷注盘的方向；

所述燃烧室壳体固定连接于所述喷注盘的另一侧表面与所述钟形喷管之间；所述燃烧室壳体内的圆柱形空腔形成无内柱的空筒式连续爆轰燃烧室；所述燃烧室壳体外侧固定安装有与所述燃烧室连通的所述预爆轰管；所述预爆轰管用于在所述燃烧室内起爆爆轰波；所述钟形喷管和所述燃烧室壳体均与所述喷注盘同轴设置；所述钟形喷管具有沿其轴向与所述燃烧室相接的入口、与所述入口相对的出口、以及位于所述入口和所述出口之间的喉口；所述出口的内径大于所述入口的内径且均大于所述喉口的内径，用于使所述燃烧室内的高温燃气逐渐加速到音速后从所述出口喷出。

更进一步地，沿从所述喷注盘朝向所述燃烧室壳体的方向，所述钟形喷管由依次相连的入口等直段、收缩段、喷管喉口及喷管扩张段构成；

所述入口等直段与所述燃烧室壳体固定连接，内径与所述燃烧室壳体的内径一致；

沿从所述入口等直段朝向所述喷管喉口的方向，所述收缩段的内径逐渐减小，用于使高温燃气逐渐加速到音速；

所述喷管喉口内部形成一段等直径通道，用于稳定到达音速后的气流；

所述喷管扩张段的尾部形成所述出口，并且沿从所述喷管喉口朝向所述喷管扩张段的方向，所述喷管扩张段的内径逐渐增大。

更进一步地，所述收缩段由沿其轴向依次设置的入口圆弧段、锥形收缩段及喉口上游圆弧段构成；

所述入口圆弧段与所述入口等直段相接；

所述喉口上游圆弧段与所述喷管喉口相接。

更进一步地，所述喷管扩张段由沿轴向设置的过渡圆弧段和扩张段组成；

所述过渡圆弧段与所述喷管喉口相接；

所述扩张段的尾端形成所述出口。

更进一步地，所述过渡圆弧段和所述扩张段采用双圆弧型面或抛物线型面。

更进一步地，所述喷注盘在朝向所述燃烧室一侧中心设置有凸台；

在所述凸台的端面固定连接有螺柱；

所述内锥设置有与所述螺柱相对的螺纹孔；

所述螺柱与所述螺纹孔螺纹连接，用于将所述内锥安装于所述喷注盘。

更进一步地，所述气液两相直流撞击式喷嘴具有安装于所述喷嘴安装孔内的喷注端和安装于所述喷嘴固定孔内的进气端；所述喷注端用于向所述燃烧室内喷注气液混合物；所述进气端用于连接外部气源；

所述气液两相直流撞击式喷嘴还包括帽型结构的外套和设置于所述进气端外周侧的锥形台阶；所述外套包括嵌装于所述喷注端与所述喷嘴安装孔之间的圆筒体、以及固定连接于所述环形集油腔内所述喷注盘表面的翻边；所述圆筒体与所述喷注端之间形成与所述环形集油腔连通的环形空间；所述圆筒体的另一端套接于所述喷注端外周面，将所述燃烧室与所述环形空间隔开，并且所述圆筒体的端面、所述喷注端的端面以及喷注盘的另一侧表面共面；

所述煤油喷孔位于所述环形空间内；

所述锥形台阶的端面与所述集油环的内表面之间密封贴合。

更进一步地，所述燃烧室壳体设置有沿径向贯穿其壁厚的预爆轰管安装孔；

所述预爆轰管固定安装于所述预爆轰管安装孔。

更进一步地，所述集油环通过沿周向均布的螺栓连接所述喷注盘；

所述燃烧室壳体与所述喷注盘和所述钟形喷管均通过法兰和螺栓进行连接。

更进一步地，所述煤油喷孔设置有4个，所述煤油喷孔的中心轴线与所述喷嘴的轴线之间形成开口朝向所述集油环的夹角，并且夹角为45°。

有益效果：

1、与传统的火箭发动机相比，本发明的连续爆轰发动机采用爆轰波作为燃烧释能的方式，热效率更高，推力更大，能够有效提升发动机性能，突破发动机性能瓶颈。

2、相较于常规的带内柱的环腔式连续爆轰燃烧室，本发明连续爆轰发动机的燃烧室壳体内形成圆柱形空腔，该圆柱形空腔形成无内柱的空筒式连续爆轰燃烧室，采用无内柱的空筒式连续爆轰燃烧室避免了内柱的烧蚀和冷却，取消内柱能够极大减轻发动机的结构重量，且增大燃烧室容积，降低发动机结构复杂程度。同时，无内柱的连续爆轰发动机结构与现有传统的火箭发动机结构更为类似，更易于替换现有的动力形式，有利于大推力连续爆轰发动机的工程应用。

3、与喷注盘同心连接的内锥位于燃烧室内，形成燃烧室中心内锥，内锥的锥尖朝向远离喷注盘的方向，通过位于燃烧室内中心的内锥能够减少连续爆轰波中心流场的燃气回流区，减少高温燃气的堆积，减少中心燃气死区对性能的影响。因此，在燃烧室中心设置内锥，能够消除中心回流区的不利影响。

4、区别于传统火箭发动机，多个气液两相直流撞击式喷嘴沿喷注盘的周向均匀分布，喷嘴中心为气流通道，并在气流通道的周向均匀分布有多个煤油喷孔，进入气流通道内的氧化气体与通过煤油喷孔喷入的煤油在喷嘴的喷注端进行对撞掺混，喷嘴仅分布在燃烧室外壁附近，燃烧室中心没有分布喷嘴，采用这种喷嘴布局更易于形成连续爆轰波而非传统火箭发动机的缓燃。

5、本发明的连续爆轰发动机在空筒式的连续爆轰燃烧室后端加装有钟形喷管，通过钟形喷管能够使高温气体进行有效膨胀、极大削弱爆轰波的下游斜激波，减弱连续爆轰发动机出口流场的非均匀性，能够极大提升发动机比冲等性能，极大提升发动机推进性能，能够更大程度上发掘连续爆轰发动机的性能优势。

6、本发明的连续爆轰发动机采用直插式预爆轰管，将预爆轰管安装于沿燃烧室壳体的径向贯穿其壁厚的预爆轰管安装孔内，预爆轰管与燃烧室壳体的外壁面法向连接，这种安装方式更有利于连续爆轰发动机的集成与工程化应用，解决了常见的连续爆轰发动机因预爆轰管与燃烧室切向连接带来的安装、装配不便的问题。

附图说明

图1为本发明空筒式连续爆轰发动机的整体结构示意图；

图2为图1中空筒式连续爆轰发动机的剖视图；

图3为图2中A部分的局部放大结构示意图。

其中，1-喷注结构，2-燃烧室壳体，3-钟形喷管，4-预爆轰管，11-气液两相直流撞击式喷嘴，12-集油环，13-喷注盘，14-内锥，15-环形集油腔，16-进油管，111-气流通道，112-煤油喷孔，113-外套，114-锥形台阶，115-环形空间，21-空筒式连续爆轰燃烧室，31-入口等直段，32-收缩段，33-喷管喉口，34-喷管扩张段，321-入口圆弧段，322-锥形收缩段，323-喉口上游圆弧段，341-过渡圆弧段，342-扩张段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2结构所示，本实施例提供了一种液相煤油空筒式连续爆轰发动机，该连续爆轰发动机包括喷注结构1、燃烧室壳体2、钟形喷管3以及预爆轰管4；

喷注结构1包括多个气液两相直流撞击式喷嘴11、集油环12、喷注盘13以及内锥14；喷注盘13为圆盘形结构，并设置有多个沿其周向均匀分布且贯穿其厚度的喷嘴安装孔，需要注意的是，在喷注盘13的中心不设置喷嘴安装孔，即，在喷注盘13的中心不设置气液两相直流撞击式喷嘴11；集油环12为截面呈几字形的环状结构，并同心固定安装于喷注盘13的一侧表面；集油环12通过沿周向均布的螺栓连接喷注盘13，在集油环12的内侧和外侧均设置有连接用螺栓，通过螺栓与喷注盘13上的螺纹孔螺纹连接将集油环12压紧于喷注盘13；集油环12为旋转体，并由呈几字形的截面绕中心轴旋转形成；在集油环12与喷注盘13之间形成环形集油腔15；气液两相直流撞击式喷嘴11穿过环形集油腔15，将从集油环12外部提供的气体输送至燃烧室内；集油环12设置有沿喷注盘13的轴向与喷嘴安装孔一一相对的喷嘴固定孔；喷嘴固定孔用于安装气液两相直流撞击式喷嘴11，并使气液两相直流撞击式喷嘴11的外壁与集油环12之间密封连接，目的是使喷嘴中心的气流通道111穿过集油环12；集油环12在背离喷注盘13的一侧连接有进油管16，如图1所示，在集油环12的外侧设置有沿其周向均匀分布的4个进油管16，进油管16连通供油装置，将煤油输送至集油环12内的环形集油腔15中；喷嘴固定孔位于环形集油腔15的径向中心位置，目的是为了将气液两相直流撞击式喷嘴11分布于集油环12的几字形截面中心位置；在对应的喷嘴安装孔与喷嘴固定孔之间安装有一个气液两相直流撞击式喷嘴11；气液两相直流撞击式喷嘴11具有位于中心的气流通道111以及均匀分布于气流通道111周向的多个煤油喷孔112，即，气液两相直流撞击式喷嘴11为管状，管腔形成气流通道111，并在靠近喷注盘13的喷注端设置有贯穿壁厚的煤油喷孔112，如图3所示，在气液两相直流撞击式喷嘴11靠近喷注盘13的一端沿周向均匀分布有4个煤油喷孔112；煤油喷孔112的中心轴线与喷嘴的轴线之间形成开口朝向集油环12的夹角，并且夹角为45°，即，煤油喷孔112倾斜设置，并且煤油喷孔112的轴向与喷嘴的轴向之间形成45°夹角；煤油喷孔112连通气流通道111与环形集油腔15，通过煤油喷孔112使环形集油腔15内的高压煤油喷射进入气液两相直流撞击式喷嘴11的气流通道111内并与气流对撞掺混；煤油喷孔112位于喷嘴安装孔内；内锥14位于燃烧室内，并与喷注盘13同心设置且固定连接于喷注盘13的另一侧表面；内锥14为空心结构，内锥14为圆锥形结构，内锥14的底面与燃烧室内喷注盘13的表面紧贴，并且锥尖朝向远离喷注盘13的方向，锥尖为内锥的尖端；为了方便内锥14的安装，喷注盘13在朝向燃烧室一侧中心设置有凸台；在凸台的端面固定连接有螺柱；内锥14设置有与螺柱相对的螺纹孔；螺柱与螺纹孔螺纹连接，用于将内锥14安装于喷注盘13；

燃烧室壳体2固定连接于喷注盘13的另一侧表面与钟形喷管3之间；如图1和图2结构所示，燃烧室壳体2与钟形喷管3均为旋转体结构且均与喷注盘13同轴设置，燃烧室壳体2与钟形喷管3均设置有连接用的法兰，燃烧室壳体2与喷注盘13和均通过法兰和螺栓进行固定连接；燃烧室壳体2内的圆柱形空腔形成无内柱的空筒式连续爆轰燃烧室21；燃烧室壳体2外侧固定安装有与燃烧室连通的预爆轰管4；预爆轰管4用于在燃烧室内起爆爆轰波；燃烧室壳体2设置有沿径向贯穿其壁厚的预爆轰管4安装孔；预爆轰管4固定安装于预爆轰管4安装孔；

钟形喷管3和燃烧室壳体2均与喷注盘13同轴设置；钟形喷管3具有沿其轴向与燃烧室相接的入口、与入口相对的出口、以及位于入口和出口之间的喉口；出口的内径大于入口的内径且均大于喉口的内径，用于使燃烧室内的高温燃气逐渐加速到音速后从出口喷出。如图2结构所示，沿从喷注盘13朝向燃烧室壳体2的方向，钟形喷管3由依次相连的入口等直段31、收缩段32、喷管喉口33及喷管扩张段34构成；入口等直段31与燃烧室壳体2固定连接，内径与燃烧室壳体2的内径一致；沿从入口等直段31朝向喷管喉口33的方向，收缩段32的内径逐渐减小，用于使高温燃气逐渐加速到音速；收缩段32由沿其轴向依次设置的入口圆弧段321、锥形收缩段32及喉口上游圆弧段323构成；入口圆弧段321与入口等直段31相接；喉口上游圆弧段323与喷管喉口33相接；喷管喉口33内部形成一段等直径通道，用于稳定到达音速后的气流；喷管扩张段34的尾部形成出口，并且沿从喷管喉口33朝向喷管扩张段34的方向，喷管扩张段34的内径逐渐增大；喷管扩张段34由沿轴向设置的过渡圆弧段341和扩张段342组成；过渡圆弧段341与喷管喉口33相接；扩张段342的尾端形成出口；过渡圆弧段341和扩张段342采用双圆弧型面或抛物线型面。

通过增设钟形喷管3，使得燃烧室内燃烧形成的高温高压燃气气流在钟形喷管3的入口圆弧段321开始加速，经过锥形收缩段32及喉口上游的圆弧段后到达最小截面处，气流基本达到声速。收缩段32与扩张段342之间为喷管喉口33，由一个短的等直通道构成。喉口的等直过渡段的意义在于使气流在喉口位置到达音速后稳定。等直段后为喷管的扩张段342，其型面根据设计要求进行特殊设计。喷管扩张段34由喉口下游的过渡圆弧段341和扩张段342组成；过渡圆弧段341的直径曲率不能过大导致流动分离，亦不能过长导致增加喷管重量。扩张段342要根据发动机的室压与环境压强的压比进行确定扩张比、要根据飞行器整体尺寸要求确定发动机喷管长度，要根据具体设计要求确定喷管出口扩张角等。

一种具体的实施方式中，如图3所示，气液两相直流撞击式喷嘴11具有安装于喷嘴安装孔内的喷注端和安装于喷嘴固定孔内的进气端；喷注端用于向燃烧室内喷注气液混合物；进气端用于连接外部气源；气液两相直流撞击式喷嘴11还包括帽型结构的外套113和设置于进气端外周侧的锥形台阶114；外套113用于将气液两相直流撞击式喷嘴11密封且固定地安装于喷注盘13的喷嘴安装孔内；外套113包括嵌装于喷注端与喷嘴安装孔之间的圆筒体、以及固定连接于环形集油腔15内喷注盘13表面的翻边或法兰；圆筒体与喷注端之间形成与环形集油腔15连通的环形空间115；圆筒体的另一端套接于喷注端外周面，将燃烧室与环形空间115隔开，并且圆筒体的端面、喷注端的端面以及喷注盘13的另一侧表面共面，防止爆轰波在燃烧室头部传播时引起烧蚀；煤油喷孔112位于环形空间115内；锥形台阶114的端面与集油环12的内表面之间密封贴合。

在上述空筒式连续爆轰发动机中，各连接面均可以通过放置密封垫圈保证密封效果。

上述空筒式连续爆轰发动机的工作原理为：气态氧化剂等气态推进剂由上游气态供给系统供给，在喷嘴前建立压力并进行稳压，可以由喷嘴中心的气流通道111直接喷进燃烧室中；液相煤油等液态推进剂由上游供给系统输送进入集油环12内建立压力，通过喷嘴中心气流通道111侧壁上的4个倾斜设置的煤油喷孔112喷进中心气流通道111内，并与中心气流通道111内高速流动的气流产生碰撞、破碎、雾化、掺混后持续喷进燃烧室内。快速掺混的油气混合物喷入燃烧室头部，由在燃烧室头部高速旋转传播的爆轰波消耗，支持爆轰波传播，释放化学能为热能；被爆轰波燃烧后的高温高压的燃气，通过钟形喷管3加速至超音速，由喷管排出发动机，形成推力。

上述空筒式连续爆轰发动机主要采用液相煤油作为燃料。液相煤油在火箭发动机的未来发展中具有重要意义：

第一，液相煤油作为一种可替代燃料，能够提供火箭发动机更多的能源选择。在传统的液体火箭燃料中，液氧和石油衍生的液体燃料（如煤油）的组合被广泛使用。通过进一步研究和改进液相煤油的性能，可以拓宽火箭发动机的能源来源，提高系统的适应性和灵活性。且煤油相对较为廉价且广泛可获得，相较于一些更为复杂的推进剂，液相煤油的使用可以降低发动机研发和生产的成本。这对于商业航天和科学研究项目来说，是一个重要的经济优势。

第二，相对于一些传统的有毒燃料，煤油通常具有较低的毒性。这意味着在火箭发射过程中，煤油的泄漏或排放对周围环境和人员的危害相对较小。且煤油燃烧产生的废气相对较为清洁，相对于一些传统的含有有毒物质的燃料，煤油的燃烧排放中的有害物质较少。这有助于减少空气和大气环境的污染，符合对环境友好和可持续性的要求。此外，煤油是一种相对稳定的液体燃料，易于储存和处理。与一些高度反应性和不稳定的燃料相比，煤油更容易在各种环境条件下进行操作，减少了储存和运输的技术挑战。

第三，相对于液氢等低温推进剂而言，煤油是一种常温液体，储存和处理技术更为成熟，相对更为便利。此外，煤油火箭的启动时间通常较短，因为它无需等待低温液氢或液氧冷却系统达到工作温度。这在一些需要快速响应和灵活性的任务中具有优势，例如军事应用或紧急救援。总体而言，液相煤油在未来火箭发动机的发展中扮演着重要的角色，通过其多方面的优势，有望推动火箭技术向更加高效、环保、经济的方向迈进。

上述空筒式连续爆轰发动机采用无内柱的空筒式连续爆轰发动机：首先，无内柱的空筒式燃烧室避免了内柱的烧蚀问题。在常规的环腔式连续爆轰发动机中，内柱可能会因为爆轰波的高温和高压而受到烧蚀的影响。而在空筒式发动机中，没有内柱，因此避免了这一问题。这意味着发动机的寿命可以更长，维护成本更低，且无需考虑内柱冷却问题，省去了冷却系统的需求，简化了整个发动机的结构和设计，减轻了维护负担。其次，空筒式燃烧室减轻了发动机结构重量，在结构上更为简单，对于提升发动机推重比意义重大。

火箭发动机喷管是火箭系统中至关重要的组件，具有重要的意义。喷管是将高温高压的燃气加速排出的关键部件。通过喷管，高温高压的燃气能够以更高的速度流出。合理设计的喷管可以使燃气更有效地加速，从而提高喷气速度，提高比冲，进而提高整个火箭系统的性能。对于空筒式连续爆轰发动机而言，研究表明，喷管可以显著提升发动机性能，且能够有效削弱连续爆轰发动机出口流场的非均匀性。

上述空筒式连续爆轰发动机可以采用以下具体结构参数进行实现：气流通道111的内径为2mm，壁厚为0.5mm，长度为12mm；煤油喷孔112的直径为0.5mm，沿喷嘴的轴线对称分布4个，喷孔轴线与喷嘴气流通道111轴线成45°角；外套113的圆筒体外径为6mm，内径为5mm；圆筒体的外壁安装在喷注盘13上的喷嘴安装孔中；喷嘴的喷注端通过圆筒体的翻边安装在喷注盘13上，喷嘴的进气端设置有锥形台阶114，用以与集油环12之间压紧；集油环12由螺栓固定在喷注盘13上并压紧。集油环12与喷嘴之间压紧，保证密封。集油环12的几字形截面径向宽度为20mm，高度为6mm，壁厚为2mm。燃烧室中心的内锥14与喷注盘13上的凸台以螺柱或者螺栓和螺母进行连接并紧固。燃烧室的内径为120mm，燃烧室壳体2的壁厚为30mm，轴向长度为65mm。燃烧室壳体2的法兰外径为240mm，沿周向均匀分布有8个沉孔，用于螺栓穿过。燃烧室壳体2的侧壁上有切向的预爆轰管4安装孔。燃烧室壳体2的尾部同样设置有法兰，用于与尾部的钟形喷管3连接。预爆轰管4内孔直径为5mm，外径为15mm，长度为100mm。尾喷管采用钟形喷管3，入口等直段31的直径为120mm，与燃烧室的直径一致。入口圆弧段321应尽可能平滑，以避免燃烧室内爆轰波的下游斜激波发生反射，并避免产生额外的反射激波，圆弧半径为70mm，与喉口直径保持一致。锥形收缩段32的收缩半角为25°。圆弧段应尽量平滑，以避免产生流动分离。喉口上游圆弧段323与过渡圆弧段341的圆弧半径均为70mm，与喉口直径保持一致。在本实施例中，采用双圆弧法设计喷管扩张段型面，喷管出口直径为344mm，扩张比为24，扩张段342的圆弧半径为705mm，喷管出口膨胀半角为10°。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。