一种吸气式发动机冷启动系统及冷启动方法

摘要

本发明涉及一种吸气式发动机冷启动系统，为了消除现有发动机所采用的易燃物质引导燃料点火燃烧预热的冷启动结构及气态燃料燃烧预热的冷启动结构所存在的使用安全隐患，本发明的冷启动系统包括燃气发生器、燃气分配阀及开口于燃烧室内壁且位于燃烧室前端的至少一个第一燃料喷注器；燃气发生器包括依次连接的气体发生装置、冷却装置及过滤器；气体发生装置包括燃料腔及发生器点火器，燃料腔装有固体燃料，发生器点火器用于固体燃料的点燃；燃气分配阀的入口与过滤器的出口连接，燃气分配阀设置有与第一燃料喷注器一一对应的至少一个出口，燃气分配阀的出口与第一燃料喷注器分别连接。

说明书

技术领域

本发明属于火箭冲压组合发动机领域，涉及一种吸气式发动机冷启动系统及冷启动方法。

背景技术

Ma7以下的超燃冲压发动机及RBCC发动机通常以煤油或吸热型碳氢燃料作为燃料。发动机冷启动前，燃料处于常温状态，超声速来流条件下的点火和燃烧组织难度较大。目前，发动机冷启动通常采用易燃物质引导燃料点火燃烧或用其他气态燃料燃烧预热的方案。其中，易燃物质引导燃料点火燃烧的冷启动方案通常使用了硅烷等气态易燃易爆物质，具有很大的安全风险，主要应用于地面试验和飞行演示试验，尚没有工程应用先例；用其他气态燃料燃烧预热的冷启动方案，能够提高燃料温度，使燃料的掺混和燃烧特性显著提升，但所使用的气态燃料通常为乙烯之类的易爆气体，并贮存在高压气瓶内，为高超声速临近空间飞行器的贮存和使用带来了安全隐患。

因此，研制一种长期贮存、使用安全的高速吸气式发动机冷启动系统非常必要。

发明内容

为消除现有发动机所采用的易燃物质引导燃料点火燃烧预热的冷启动结构及气态燃料燃烧预热的冷启动结构存在的使用安全隐患，提高发动机的维护性、可靠性，本发明提供使用一种采用燃气发生器产生气态燃料的高速吸气式发动机冷启动系统及冷启动方法。

本发明的技术解决方案是：

一种吸气式发动机冷启动系统，其特殊之处在于：包括燃气发生器2、燃气分配阀5及开口于燃烧室16内壁且位于燃烧室16前端的至少一个第一燃料喷注器18；

所述燃气发生器2包括依次连接的气体发生装置、冷却装置3及过滤器4；

所述气体发生装置包括燃料腔及发生器点火器1，所述燃料腔装有固体燃料，所述发生器点火器1用于固体燃料的点燃；

所述燃气分配阀5的入口与过滤器4的出口连接，所述燃气分配阀5设置有与第一燃料喷注器18一一对应的至少一个出口，所述燃气分配阀5的出口与第一燃料喷注器18分别连接。

进一步地，固体燃料为包含碱土金属的固态混合物燃料。

进一步地，所述发生器点火器1为雷火药点火器。

同时，本发明还提供了一种吸气式发动机冷启动系统的启动方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)充填

在发动机起动前，将发动机燃料充填至发动机壁面的换热通道14内；

2)预热

2.1)使气体发生装置内的固体燃料发生分解，将分解产物进行冷却并过滤，得到气态燃料并通过管路输送至第一燃料喷注器18；

2.2)第一燃料喷注器18将气态燃料供入燃烧室16；

2.3)发动机点火器将气态燃料点燃，利用燃烧所产生的热量持续对发动机壁面进行加热，直至发动机壁面换热通道14内煤油或吸热型碳氢燃料满足发动机燃烧组织需要；

3)启动

切断气态燃料的供应，同时向燃烧室16供入预热后的煤油或吸热型碳氢燃料，发动机点火器将燃料燃烧，发动机冷启动完成。

本发明与现有技术相比优点是：

1、本发明吸气式发动机冷启动系统，采用燃气发生器生成高温气态燃料的结构代替现有直接采用的易燃易爆气体结构，消除了直接采用易燃易爆气体作为预热气体所存在的安全隐患，具有使用维护简便，安全可靠，能够长期贮存的优点。

2、本发明吸气式发动机冷启动系统，特别适用于超燃冲压发动机和RBCC发动机冷启动系统，也可作为其它需要燃料预热的动力系统的冷启动系统。

附图说明

图1为应用本发明吸气式发动机冷启动系统的吸气式发动机原理示意图。

图2为图1中换热通道处的放大图。

其中附图标记为：1-发生器点火器，2-燃气发生器2，3-冷却装置3，4-过滤器4，5-燃气分配阀5，6-截止阀，7-控制单元，8-泵，9-燃料分配阀，10-燃料贮箱，11-减压器，12-气瓶，13-喷管，14-换热通道，15-第二燃料喷注器、17-第三燃料喷注器、18-第一燃料喷注器，16-燃烧室、19-进气系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1显示了吸气式发动机的空气流道及发动机控制和供应系统，其中的发动机控制和供应系统包括燃料供应系统、冷启动系统及控制单元7，其中的空气流道包括依次设置的进气系统19、燃烧室16及喷管13，发动机壁面内设置有换热通道14(如图2所示)。进气系统19进入的是空气。冷启动系统包括燃气发生器2、燃气分配阀5及燃气管路，其中的燃气发生器2包括气体发生装置、冷却装置3及过滤器4，气体发生装置包括燃料腔及发生器点火器1，燃料腔装有固体燃料，发生器点火器1用于固体燃料的点燃；冷却装置3的入口与燃料腔的燃气出口连接，冷却装置3的出口与过滤器4的入口连接，过滤器4的出口通过燃气管路连接至第一燃料喷注器18；第一燃料喷注器18位于燃烧室16内，用于将气态燃料供入燃烧室16。其中的燃料供应系统包括依次连接的气瓶12、减压器11、燃料贮箱10及泵8，从泵8出来的燃料经截止阀6送至换热通道14进行预热，预热出来的燃料又经燃料分配阀9分成多路，每一路的燃料再分别经经第二燃料喷注器15及第三燃料喷注器17送入燃烧室16燃烧。本发明中燃气发生器2、燃气分配阀5及燃料分配阀9由控制单元7进行控制。

发动机采用煤油或吸热型碳氢燃料为燃料，在发动机起动前，燃料充填至发动机壁面的换热通道14内；发动机冷启动采用气态燃料燃烧预热的方案，冷启动系统包含燃气发生器2、燃气分配阀5、第一燃料喷注器18组成；燃气发生器2按照预设工况分解，通过对生成物冷却和过滤，产生温度约600℃的气态燃料，通过燃气分配阀5分配到气态喷注器供入燃烧室16；高温气态燃料主要由氢气和小分子碳氢化合物等组成，点火延迟时间短，自燃点低，发动机点火器将气态燃料点燃，持续对发动机壁面进行加热，直至煤油或吸热型碳氢燃料满足发动机燃烧组织需要；通过控制单元7切断气态燃料，同时供入预热后的煤油或吸热型碳氢燃料，实现发动机燃料切换，完成发动机冷启动过程。

根据发动机冷启动状态对应的发动机余气系数，确定燃气发生器2的工作状态；根据发动机燃料预热温度及燃烧与传热耦合分析数据，确定燃烧预热及燃气发生器2工作时间指标；按照上述确定的燃气发生器2指标，设计并测试燃气发生器2，获得产气率、气体温度、气体成分数据；协调设计燃气发生器2、燃气分配阀5喷注器之间的管路，满足流阻要求和防热要求，形成冷启动系统；发动机控制系统协调控制冷启动系统与发动机燃料增压，准确控制冷启动系统的工作与燃料充填、预热、切换之间的时序关系。