[發(fā)明專利]一種相變型含石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011549315.3
• 申請(qǐng)日: 2020-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112814807B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉林林;季禎;胡松啟;魏祥庚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F02K7/10
• 分類號(hào): F02K7/10;F02C3/26;F02C3/28;F02C7/04;F02C7/224;F02C7/08;F02K1/80;F23R3/58;C06B33/06
• 代理公司: 西安匠星互智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

本發(fā)明公開(kāi)了一種相變型含石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，采用燃燒室、氣化室一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，能量利用率高。燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)所釋放的大量熱量將殼體加熱，在輻射和對(duì)流換熱的作用下，能對(duì)含石蠟燃料表面進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)對(duì)沖壓空氣也具有加熱作用，使燃料表面具有較高的溫度，有助于燃料發(fā)生相變。模態(tài)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，利用壓強(qiáng)的變化即可完成助推段和沖壓段的自動(dòng)切換。在燃燒室頭部設(shè)計(jì)有一定斜度的錐形孔，能實(shí)現(xiàn)氣體的旋流，進(jìn)而可獲得較高的燃燒效率。助推段和沖壓段轉(zhuǎn)換時(shí)，相變產(chǎn)物和空氣的混合物流入燃燒室時(shí)在錐形孔的作用下發(fā)生旋流，摻混效果較好。發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸可進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)用范圍廣，適用于超聲速飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及一種燃料力學(xué)性能好、燃燒效率高的相變型含石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；適用于超聲速飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)。

背景技術(shù)

火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種自帶燃料，利用空氣中的氧進(jìn)行燃燒的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，按照燃料形式的不同，可分為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、液體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)三種類型。其中，固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有燃燒組織容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于其采用的富燃料推進(jìn)劑中含有部分氧化劑，因此比沖相對(duì)較低，而液體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)只攜帶有燃料，所以能量水平較高。對(duì)于液體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，一般采用煤油作為燃料，具有比沖高、燃料流量容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，在中遠(yuǎn)程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上得到了廣泛應(yīng)用，但這種發(fā)動(dòng)機(jī)需要配置燃料高壓供給系統(tǒng)，燃料流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)較為復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)成本較高且工作過(guò)程較為復(fù)雜；同時(shí)由于煤油密度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)密度比沖不高。

相比而言，固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不需要燃料供給和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本較低。這類發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用端羥基聚丁二烯(HTPB)等碳?xì)涓叻肿泳酆衔镒鳛楣腆w燃料，然而由于超聲速?zèng)_壓空氣的溫度較低，傳至固體燃料表面的熱流量可能不足以使其發(fā)生快速熱分解，導(dǎo)致燃?xì)馍伤俾瘦^低，發(fā)動(dòng)機(jī)難以穩(wěn)定工作。此外，由于高速氣流在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間較短，固體燃料熱解產(chǎn)物無(wú)法與空氣充分混合與燃燒，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率也較低。因此，發(fā)展高燃?xì)馍陕实墓腆w燃料并進(jìn)行有效的燃燒組織對(duì)固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的意義。

石蠟作為一種高燃面退移速率的固體燃料，在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中也具有較好的應(yīng)用前景。對(duì)于石蠟燃料的改進(jìn)已有不少研究，在已公開(kāi)的文獻(xiàn)“ExperimentalInvestigation of High Regression Rate Paraffin for Solid Fuel RamjetPropulsion”(AIAA Propulsion and Energy 2019Forum會(huì)議2019 年8月19日-2019年8月22日)中提出一種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由點(diǎn)火器、進(jìn)氣道、空氣預(yù)熱室、火焰噴嘴、燃燒室和噴管組成；燃燒室包括前燃燒室、石蠟藥柱、后燃燒室，點(diǎn)火器放置在進(jìn)氣端蓋板的中心，徑向環(huán)繞設(shè)置四個(gè)進(jìn)氣道，高速空氣從進(jìn)氣道流入，同時(shí)點(diǎn)火器點(diǎn)火，空氣與燃燒產(chǎn)物在空氣預(yù)熱室內(nèi)混合，通過(guò)火焰噴嘴流入燃燒室，與石蠟藥柱進(jìn)行燃燒，燃?xì)鈴膰姽芘蛎浖铀倥懦觥?/p>

文獻(xiàn)公開(kāi)的石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)存在以下不足:采用純石蠟為主要成分的固體燃料存在力學(xué)性能差的缺陷，在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生斷裂問(wèn)題；石蠟燃料與空氣之間的異相燃燒反應(yīng)受擴(kuò)散反應(yīng)限制，而高速來(lái)流空氣的滯留時(shí)間較短，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率低。為解決燃燒效率低的問(wèn)題，可以將空氣預(yù)熱室和后燃燒室的尺寸加長(zhǎng)，以便燃料和空氣摻混均勻，但這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)整體的尺寸變長(zhǎng)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了一定限制。

發(fā)明內(nèi)容

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種相變型含石蠟燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；該沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃燒室、氣化室一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，能量利用率高；燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)所釋放的大量熱量將殼體加熱，在輻射和對(duì)流換熱的作用下，能對(duì)含石蠟燃料表面進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)對(duì)沖壓空氣也具有加熱作用，使燃料表面具有較高的溫度，有助于燃料發(fā)生相變。