一种无喷管发动机阶梯式燃烧室及内壁
阅读说明：本技术 一种无喷管发动机阶梯式燃烧室及内壁 (Step type combustion chamber and inner wall of engine without spray pipe ) 是由 张小兵 郑洪峰 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无喷管发动机阶梯式燃烧室及内壁,该燃烧室内壁包括头部径向壁面与轴向壁面；头部径向壁面由初始阶梯壁面、过渡壁面与稳压阶梯壁面组成,初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面同为平面并与发动机轴线相垂直,过渡壁面具有一定坡度,将初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面连接为整体；轴向壁面与初始阶梯壁面外缘连接且沿燃烧室轴向延伸；轴向壁面与头部径向壁面共同构成燃烧室。(The invention provides a step-type combustion chamber and an inner wall of a non-nozzle engine, wherein the inner wall of the combustion chamber comprises a head radial wall surface and an axial wall surface; the radial wall surface of the head part consists of an initial step wall surface, a transition wall surface and a pressure stabilizing step wall surface, the initial step wall surface and the pressure stabilizing step wall surface are the same plane and are vertical to the axis of the engine, the transition wall surface has a certain gradient, and the initial step wall surface and the pressure stabilizing step wall surface are connected into a whole; the axial wall surface is connected with the outer edge of the initial stepped wall surface and extends along the axial direction of the combustion chamber; the axial wall and the radial wall of the head together form a combustion chamber.)
技术领域
本发明涉及一种发动机燃烧室技术，特别是一种无喷管发动机阶梯式燃烧室及内壁。
背景技术
无喷管发动机常常作为固体火箭冲压发动机的初始助推级使用，是一种独特的固体火箭发动机。它利用气体壅塞效应完成了对传统推进器中机械喷管的替代，具有结构简单、可靠性高、成本较为低廉等优势。
为了确保发动机工作过程中保持燃气壅塞效应的必要条件，无喷管发动机设计的长径比必须较大，因此，其工作过程中燃面推移的不均匀现象十分显著。此外，由于燃面推移导致燃气通道随工作过程而变化，无喷管发动机内部流场变化较为复杂。以单一推进剂无喷管发动机作为实例，可以观察到在同一时刻，无喷管发动机燃气通道的压力自内向外逐渐减小。而随着时间的推移，在长径比合理的情况下，燃烧室各处的压力都将单调下降，通道内压力梯度变小，气体加速效果逐渐减弱。
现有的无喷管发动机主要缺陷在于其比冲较小。相关研究表明同等条件下无喷管发动机的比冲是传统发动机比冲的80％-90％。从原理上看，比冲的损失是来自于在气体壅塞过程中产生的压力损失，该损失与燃气通道的孔径有关。因此，在发动机工作末期的压力损失比初期更为严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无喷管发动机阶梯式燃烧室。
实现本发明的第一种技术方案为：一种无喷管发动机阶梯式燃烧室，该燃烧室壁包括头部径向壁面与轴向壁面；头部径向壁面由初始阶梯壁面、过渡壁面与稳压阶梯壁面组成，初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面同为平面并与发动机轴线相垂直，过渡壁面具有一定坡度，将初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面连接为整体；轴向壁面与初始阶梯壁面外缘连接且沿燃烧室轴向延伸；轴向壁面与头部径向壁面共同构成燃烧室。
进一步地，所述初始阶梯壁面与发动机尾部的轴向距离小于稳压阶梯壁面与发动机尾部的轴向距离。
进一步地，燃烧室内设置助推剂，助推剂中间沿轴向设置燃烧通道，助推剂远离头部径向壁面的一端呈漏斗状。
实现本发明目的的第二种技术方案为：一种无喷管发动机阶梯式燃烧室的内壁，包括头部径向壁面与轴向壁面；头部径向壁面由初始阶梯壁面、过渡壁面与稳压阶梯壁面组成，初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面同为平面并与发动机轴线相垂直，过渡壁面具有一定坡度，将初始阶梯壁面与稳压阶梯壁面连接为整体；轴向壁面与初始阶梯壁面外缘连接且沿燃烧室轴向延伸。
进一步地，所述初始阶梯壁面与发动机尾部的轴向距离小于稳压阶梯壁面与发动机尾部的轴向距离。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明利用燃面推移，通过燃烧室内壁的形状增大了在发动机工作后期的推进剂燃烧面积，补偿了部分压力损失，改善了燃气加速效果，提升了无喷管发动机的比冲性能；(2)本发明仅在发动机内压较低的中后期对压力损失进行补偿，几乎没有影响到出现在工作过程初期的最大压强峰值，在改善比冲的同时不会对壳体提出更高的要求。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的无喷管发动机阶梯式燃烧室内壁结构示意图。
图2是本发明的工作过程中发动机燃面推移示意图。
具体实施方式
结合图1，一种无喷管发动机阶梯式燃烧室内壁，包括头部径向壁面1与轴向壁面2。
所述头部径向壁面1由初始阶梯壁面3、过渡壁面4与稳压阶梯壁面5组成，所述初始阶梯壁面3与稳压阶梯壁面5同为平面并与发动机轴线相垂直；所述过渡壁面4具有一定坡度，将初始阶梯壁面3与稳压阶梯壁面5连接为整体。
所述轴向壁面2与头部径向壁面1紧密结合，共同构成燃烧室内壁。
所述初始阶梯壁面3与发动机尾部的轴向距离较短，稳压阶梯壁面5与发动机尾部的轴向距离较长。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1，一种无喷管发动机阶梯式燃烧室内壁，包括头部径向壁面1与轴向壁面2；
所述头部径向壁面1由初始阶梯壁面3、过渡壁面4与稳压阶梯壁面5组成，所述初始阶梯壁面3与稳压阶梯壁面5同为平面并与发动机轴线相垂直；所述过渡壁面4具有一定坡度，将初始阶梯壁面3与稳压阶梯壁面5连接为整体。
所述轴向壁面2与头部径向壁面1紧密结合，共同构成燃烧室内壁。
所述初始阶梯壁面3与发动机尾部的轴向距离较短，稳压阶梯壁面5与发动机尾部的轴向距离较长。
结合图2，图中浅灰色部分表示工作过程初期推进剂剩余，深灰色部分表示工作过程末期推进剂剩余，8表示初始推进剂燃面，9表示工作末期推进剂燃面。可以看出，随着燃面推移，推进剂燃面开始与过渡壁面接触时，具有特殊形状的燃烧室使得燃面增速变大，燃烧加质增多，内部压强下降开始得到抑制。而在燃面与过渡壁面交汇时，燃面增加的同时也带来了长径比的增加，如果继续在轴向上增加燃面可能会导致内部压强开始二次攀升，有影响头部最大压强的风险，因此需要在合适的位置利用稳压阶梯壁面控制燃面增加的速度，完成内部压强稳定的作用。这表明，本发明中阶梯式燃烧室内壁的设计在无喷管发动机中具有独特的优势。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明利用燃烧室内壁结构的阶梯式变化人为控制了发动机推进剂在工作过程中的燃烧面积，在控制燃烧室内最大压力基本不变的情况下提升了发动机工作的平均压强，使无喷管发动机获得了更好的比冲性能。该发明可应用于火箭发动机的设计与优化等领域，具有较好的工程应用前景。