液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置

1.本实用新型涉及冲压发动机技术领域，具体涉及液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置。


背景技术：

2.固液混合高马赫冲压发动机是一种新概念发动机，它同时采用固体粉末和液体燃料作为推进剂。其工作过程原理为：液体燃料通过再生冷却通道对超声速燃烧室进行冷却，产生高温、高密度的燃油裂解气或蒸汽，裂解气以气力输运的方式实现对固体粉末燃料的流化、掺混、喷射并进入燃烧室进行燃烧，利用喷气推进原理产生推力。
3.这种新概念的固液混合高马赫冲压发动机采用高能金属或硼粉作为固体推进剂，兼具液体燃料冲压发动机推力可调、流量调节灵活、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点。对于使用粉末燃料的冲压发动机，固体粉末本身没有流动属性，因此流量可调控性差、燃烧室的热防护依赖于耐高温材料的被动热防护、同时固体粉末在燃烧室内不容易点火燃烧，使用金属粉末颗粒作为燃料的好处是金属粉末化学性质稳定，安全性好、存储方便，作战反应时间短，同时燃烧产物为高沸点的金属氧化物，不易离解。使用液体燃料通过再生冷却通道产生的裂解气携流固体粉末颗粒，使得固体粉末颗粒获得了流动属性，流量可调控性大大增强。裂解气的点火燃烧能够作为固体颗粒的点火源，改善燃烧室的点火燃烧特性。燃料在裂解过程中的吸热特性，能够为燃烧室的热防护做出贡献，利用掺混段能够为混合燃料提供掺混空间，提高燃料均匀性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种固液混合超燃冲压发动机混合燃料供给装置。微米级高能固体燃料由活塞推动，在大分子碳氢燃料裂解气的剪切携流作用下，获得流动属性，与发动机多工况运行条件相适应，实现固液混合超燃冲压发动机混合燃料供给气固两相在掺混管内掺混均匀的功能。
5.本实用新型采用的技术方案在于：包括用于大分子液体碳氢燃料推动的柱塞泵、用于大分子液体碳氢燃料裂解的再生冷却通道和对固体燃料进行携流掺混的燃料供给装置，所述燃料供给装置包含燃料贮室，燃料贮室内滑动安装有用于固体燃料推动的活塞，燃料贮室连通有集气仓，集气仓远离燃料贮室的一端安装有掺混管。
6.优选的，所述掺混管与燃料贮室出口对立布置。
7.进一步地，所述掺混管为长条状。
8.进一步地，所述掺混管内流道为等直状。
9.进一步地，所述掺混管内流道为减缩状。
10.进一步地，所述掺混管内流道为渐扩状。
11.本实用新型的有益效果是：
12.本装置利用掺混管能够为混合燃料提供掺混空间，提高燃料均匀性。
附图说明
13.图1是本实用新型所述液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置的结构示意图；
14.图2是本实用新型所述等直状掺混管的结构示意图；
15.图3是本实用新型所述减缩状掺混管的结构示意图；
16.图4是本实用新型所述渐扩状掺混管的结构示意图；
17.图中：燃料供给装置1；燃料贮室11；活塞12；集气仓13；掺混管14。
具体实施方式
18.实施例1
19.本实施例公开了液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，如图1所示，其包括用于大分子液体碳氢燃料推动的柱塞泵，柱塞泵将储油罐内大分子液体碳氢燃料推动进入至超燃冲压发动机的再生冷却通道后，大分子液体碳氢燃料吸热裂解为小分子的裂解气，再生冷却通道出口的裂解气进入燃料供给装置，燃料供给装置实现对固体燃料进行携流掺混的功能。
20.所述燃料供给装置1包含燃料贮室11，固体燃料位于燃料贮室11内，燃料贮室11内滑动安装有用于固体燃料推动的活塞12，燃料贮室11的出口位置连通有集气仓13，燃料贮室11的出口位置设置有弧形圆台，固体燃料经由活塞12推动进入至集气仓13，燃料贮室11与集气仓13同轴布置，集气仓13偏心位置均布设置有多个用于裂解气进入的进气口，集气仓13内设置有狭缝，(狭缝为集气仓13与弧形圆台之间的间距)，液体碳氢燃料裂解气由发动机再生冷却通道4产生后进入集气仓13，并自集气仓13出口的周向狭缝流出，进入至掺混管14，在掺混管14内实现对固体燃料进行剪切、携流和掺混的功能。
21.大分子液体碳氢燃料：航空发动机广泛使用航空煤油rp-3作为燃料，其单位分子平均含碳量约为10，研究人员一般使用正癸烷作为替代物。化学动力学研究中，将含碳量较小的分子叫做小分子碳氢燃料，如c1-c4，此时为燃料气态，将含碳量较高的叫做大分子碳氢燃料，如c10，c11。“大分子碳氢燃料”已广泛出现在多个文献中，如哈尔滨工业大学的左婧滢在《超燃冲压发动机碳氢燃料气膜的冷却和减阻特性研究》中提到使用高温气态大分子碳氢燃料组织超声速气膜，香港理工大学的池奕承在《大分子支链烷烃cnh2n+2+(h,oh,ho2)夺氢反应高精度理论热化学研究》提到发展大分子碳氢燃料高精度化学反应机理对发展航空煤油化学反应机理至关重要。
22.吸热裂解条件及完成工作段：在超燃冲压发动机实际运行中，燃烧室核心温度可达2500k，已远远超过发动机材料的熔点，因此，实际运行过程中需要对发动机燃烧室壁面进行冷却，防止发动机烧毁，再生冷却是一种广泛使用的冷却方式。通过在发动机燃烧室壁面铸造再生冷却通道，使液体燃料在进入燃烧室燃烧之前，先通过再生冷却通道，利用燃料的物理热沉和化学热沉对壁面进行冷却。由于燃烧室内部为高压，再生冷却通道出口与燃烧室相通，因此再生冷却通道内部也为高压环境，同时冷却通道壁面为发动机燃烧室壁面，通道内温度非常高，在高温高压环境下，大分子液体碳氢燃料通过发动机再生冷却通道时，会裂解为小分子的碳氢燃料。
23.因此，裂解吸热的条件是发动机再生冷却通道内的高温高压环境，在燃烧室壁面
的再生冷却通道内完成，利用大分子液体碳氢燃料的物理热沉和裂解反应吸热的化学热沉实现了对发动机燃烧室壁面的冷却。裂解反应需要在高温高压条件下实现，而燃烧室壁面的再生冷却通道具备这一条件。
24.实施例2
25.在实施例1的基础上，本实施例中，所述掺混管14与燃料贮室出口对立布置，在燃料贮室的固体燃料进入集气仓13后，受集气仓13进气口进入的裂解气作用，使裂解气携带固体燃料在集气仓13内运动，利用掺混管14与燃料贮室出口对立布置能够加大携带固体燃料裂解气在集气仓内运动的时间，从而提高了掺混率。
26.实施例3
27.在实施例1的基础上，本实施例中，所述掺混管14为长条状，利用掺混管14的长条状，能够在裂解气输送过程中，增加裂解气与固体燃料的掺混时间，使掺混更加均匀、彻底，掺混管14内的流道形状为圆形，但不限于圆形，根据实际需求可更换流道形状不同的掺混管14。
28.实施例4
29.在实施例2的基础上，如图2所示，本实施例中，所述掺混管14内流道为等直状，所述管道直径较小，利用等直状掺混管14管道内气固两相流动整体平均速度较大，有利于气力输运过程中连续相对分散相的携流作用，且压力损失较小。
30.实施例5
31.在实施例2的基础上，实施例5与实施例4不同点仅在于掺混管14内流道形状，本实施例中，掺混管14内的流道为减缩状，利用减缩状流道，气固两相在掺混管14入口段处于亚声速流动状态，亚声速流动流经渐缩型流道速度增加，湍流强度增强，气体对固体粉末颗粒的剪切作用增强，增强了气固两相的掺混强度。同时，由于渐缩型流道沿轴向管道湿周逐渐减小，固体粉末颗粒与颗粒之间、颗粒与流道壁面之间碰撞次数增大，提高了固体粉末空间分布均匀度。
32.实施例6
33.在实施例2的基础上，实施例6与实施例4不同点仅在于掺混管14内流道形状，本实施例中，掺混管14内的流道为渐扩状，渐扩型流道等效于摩擦管流与无摩擦扩张流动效果的叠加，其中，亚声速气流经过摩擦管流向着声速的方向发展，亚声速气流流经扩张型流道向远离声速的方向发展。当气固两相在掺混管入口流动速度较大接近声速时，气体速度较大，气固两相掺混效率较高，此时应避免摩擦管流动引起的速度增加导致在管道内产生正激波，因此采用渐扩型流道稳定气固两相掺混过程的速度，避免管道内较大的流动损失。
34.当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：包括用于大分子液体碳氢燃料推动的柱塞泵、用于大分子液体碳氢燃料裂解的再生冷却通道和对固体燃料进行携流掺混的燃料供给装置，所述燃料供给装置包含燃料贮室，燃料贮室内滑动安装有用于固体燃料推动的活塞，燃料贮室连通有集气仓，集气仓远离燃料贮室的一端安装有掺混管。2.根据权利要求1所述的液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：所述掺混管与燃料贮室出口对立布置。3.根据权利要求1所述的液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：所述掺混管为长条状。4.根据权利要求3所述的液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：所述掺混管内流道为等直状。5.根据权利要求3所述的液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：所述掺混管内流道为减缩状。6.根据权利要求3所述的液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，其特征在于：所述掺混管内流道为渐扩状。

技术总结
本实用新型涉及冲压发动机技术领域，具体涉及液体碳氢燃料裂解气携流固体燃料的混合燃料供给装置，包括用于大分子液体碳氢燃料推动的柱塞泵、用于大分子液体碳氢燃料裂解的再生冷却通道和对固体燃料进行携流掺混的燃料供给装置，所述燃料供给装置包含燃料贮室，燃料贮室内滑动安装有用于固体燃料推动的活塞，燃料贮室连通有集气仓，集气仓远离燃料贮室的一端安装有掺混管，本装置利用掺混管能够为混合燃料提供掺混空间，提高燃料均匀性。提高燃料均匀性。提高燃料均匀性。


技术研发人员：章思龙 左婧滢 郭玉杰 韦健飞 李欣 鲍文 秦江
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/6/27