[發(fā)明專利]用于旋轉(zhuǎn)爆震推進(jìn)系統(tǒng)的泡騰霧化結(jié)構(gòu)和操作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810587355.3
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN109028150B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S.帕爾;J.澤利納;A.W.約翰遜;C.S.庫珀;S.C.維斯
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F23R7/00
• 分類號: F23R7/00;F23R3/38
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 吳俊;譚祐祥

本公開提供一種用于推進(jìn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒器(RDC)的液體燃料泡騰霧化方法和系統(tǒng)。該方法包括：使液體燃料流動通過RDC系統(tǒng)的噴嘴組件的燃料噴射口；使氣體在體積上與液體燃料成比例地流動通過噴嘴組件的燃料噴射口；在燃料噴射口處通過將氣體流與液體燃料流混合來產(chǎn)生氣液燃料混合物；使氧化劑流動通過RDC系統(tǒng)的噴嘴流動通路；在噴嘴流動通路內(nèi)通過將氣液燃料混合物與氧化劑流混合來產(chǎn)生氧化劑氣液燃料混合物；以及在RDC系統(tǒng)的燃燒室內(nèi)點燃氧化劑氣液燃料混合物。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主題涉及一種用于推進(jìn)系統(tǒng)中的連續(xù)爆震(continuous detonation)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

許多推進(jìn)系統(tǒng)，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)均基于布雷頓循環(huán)(Brayton Cycle)，其中空氣以絕熱方式壓縮、在恒定壓力下加熱、產(chǎn)生的熱氣在渦輪中膨脹，并且在恒定壓力下排熱。之后，可將超出驅(qū)動壓縮系統(tǒng)所需之外的能量用于推進(jìn)或其他工作。所述推進(jìn)系統(tǒng)大體上依賴于爆燃來燃燒燃料空氣混合物并且產(chǎn)生在燃燒室內(nèi)以相對低速和恒定壓力行進(jìn)的燃燒氣體產(chǎn)物。盡管基于布雷頓循環(huán)的發(fā)動機(jī)已經(jīng)通過穩(wěn)定提高部件效率以及提高壓力比和峰值溫度而達(dá)到了較高的熱力效率水平，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

因此，現(xiàn)已致力于通過改變發(fā)動機(jī)架構(gòu)以使得燃燒在連續(xù)或脈沖模式下以爆震形式發(fā)生來提高發(fā)動機(jī)效率。脈沖模式設(shè)計涉及一個或多個爆震管，而連續(xù)模式基于容納單個或多個爆震波旋轉(zhuǎn)的幾何形狀，通常為環(huán)狀。對于這兩種模式，高能點火會引爆燃料空氣混合物，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成爆震波(即緊密連通到反應(yīng)區(qū)域的快速移動的沖擊波)。相對于反應(yīng)物的聲速，爆震波以大于聲速的馬赫數(shù)范圍(例如4到8馬赫)行進(jìn)。燃燒產(chǎn)物以相對于爆震波的聲速和顯著升高的壓力緊隨爆震波行進(jìn)。所述燃燒產(chǎn)物之后可以通過噴嘴排出以產(chǎn)生推力或使渦輪旋轉(zhuǎn)。對于各種旋轉(zhuǎn)爆震系統(tǒng)，防止回流到旋轉(zhuǎn)爆震區(qū)上游的較低壓力區(qū)域的任務(wù)已經(jīng)通過向燃燒室內(nèi)提供急劇壓力降而得到了解決。但是，這可能會降低旋轉(zhuǎn)爆震燃燒系統(tǒng)的效率優(yōu)勢。

通常，爆震燃燒系統(tǒng)基于在環(huán)形燃燒室中是否能夠維持最小數(shù)量的爆震單元(detonation cell)。爆震單元的特征在于單元寬度(λ)，其中所述單元寬度取決于燃料和氧化劑的類型以及燃燒室處的反應(yīng)劑的壓力和溫度以及反應(yīng)劑的化學(xué)計量(φ)。對于每種燃料和氧化劑組合，針對大于或小于1.0的化學(xué)計量，單元尺寸隨著壓力和溫度的升高而減小。在各種推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備中，例如針對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備，所述單元寬度在從最低穩(wěn)態(tài)操作條件(例如，地面空轉(zhuǎn))下到最高穩(wěn)態(tài)操作條件(例如，最大起飛)下可以減小20倍或更多。

所屬領(lǐng)域中普通技術(shù)人員均知道，燃燒室?guī)缀涡螤钍怯善谕谋饐卧叽缢薅ǖ模銎谕谋饐卧叽缁谌剂涎趸瘎┗旌衔镆约按嘶旌衔锏膲毫Α囟群突瘜W(xué)計量比。燃料氧化劑混合物、壓力、溫度和化學(xué)計量比(例如，在推進(jìn)系統(tǒng)的各種操作條件下)的各種組合可能導(dǎo)致固定幾何形狀的燃燒室在多個操作條件下效率低下。但是，可變幾何形狀的燃燒室通常涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這可能顯著降低或消除推進(jìn)系統(tǒng)的整體效率或可操作性。

旋轉(zhuǎn)爆震燃燒器(rotating detonation combustor)通常是環(huán)形，并且需要燃料氧化劑噴射以便以最小長度接近預(yù)混合條件，同時減輕燃燒器內(nèi)的火焰穩(wěn)定。因此，旋轉(zhuǎn)爆震燃燒系統(tǒng)通常需要多個最小尺寸的孔口，以在噴射器內(nèi)快速混合燃料和氧化劑。所述液體燃料也需要霧化成非常小的液滴，以便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震波。液體燃料霧化通常可能是由于來自噴射器氣流的動量傳遞而產(chǎn)生的。

但是，所述已知幾何形狀通常導(dǎo)致無法將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒系統(tǒng)應(yīng)用到尺寸日益減小的設(shè)備中，或者通常需要采用窄容差(tight-tolerance)特征，進(jìn)而提高燃燒系統(tǒng)的制造復(fù)雜性，這其中的每一個都可能限制旋轉(zhuǎn)爆震燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用。

因此，需要提供改進(jìn)的液體燃料霧化爆震燃燒系統(tǒng)。另外，需要一種在多個操作條件下都提供期望的爆震單元尺寸的爆震燃燒系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的方面和優(yōu)點將部分地在以下說明中闡明，或根據(jù)所述說明可顯而易見，或可以通過實踐本發(fā)明了解到。