CN101144442A - 一种多管脉冲爆震燃烧室及其起爆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多管脉冲爆震燃烧室及其起爆方法，在爆震室上依次安装有爆震室入口、起爆射流入口、起爆射流出口、爆震室出口，起爆射流出口与下一个相邻爆震单元的起爆射流入口相连，多个爆震单元连接以后共同构成了多个爆震室入口和多个爆震室出口的圆环形燃烧室。启动起爆装置安装在其中一个爆震单元的爆震室上。本发明在所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，启动起爆装置6工作。本发明获得了不依赖高能高频脉冲点火系统即可获得很高工作频率的多管脉冲爆震燃烧室，可用于替代现有燃气轮机的主燃烧室，加力燃烧室，或者作为旋转冲压发动机的燃烧室。
Description
技术领域
本发明涉及动力领域，尤其是一种脉冲爆震燃烧室，还涉及其起爆方法。
背景技术
自然界有两种燃烧波：一种是爆燃波，另一种是爆震波。爆震波以每秒几千米的速度向未燃混合物传播。爆震波本质上是激波后跟一个燃烧波。爆震波能产生极高的燃气压力(大于15至55个大气压)和燃气温度(大于2800K)，由于爆震波传播速度极快，其后的燃烧过程可视为等容燃烧过程，因而其燃烧效率很高。由于脉冲爆震循环的高效率，以及脉冲工作模式，这使它对推进系统有很大的吸引力。当工作频率达到较高的频率时可以认为能够产生稳定的推力，一般要求能够达到100Hz以上。因而如何提高脉冲爆震发动机的工作频率是很多研究者正在努力的方向。
经典循环过程的脉冲爆震发动机，一端开口，另一端间歇喷注燃料和氧化剂的混合物，然后点火起爆，爆震波传出爆震室，然后填充隔离气体，进入下一个循环。
这种方式的发动机通常需要一个高能电容点火系统或者现在刚刚兴起的瞬态等离子点火系统，电容点火系统大脉冲能量需求通常要超过2000J，等离子点火系统通常需要1-10J，由于每一个循环都要点火，高频工作时功率要求非常之大，超过数千瓦，关键问题是这两种系统很难小型化，轻型化。当爆震室内径很大时，即便使用高能电点火系统，也很难快速形成爆震波，为了快速起爆，出现了起爆管。起爆管本身就是一套复杂的脉冲爆震火箭发动机系统，也离不开电点火系统和独立隔离气系统。因而使用起爆管的脉冲爆震发动机更加复杂。对于吸气式脉冲爆震发动机，由于空气中氮气的稀释作用，使得混合物敏感性大幅下降，直接起爆所需要的能量和功率都大幅增大，直接起爆的经济性下降。若使用低能量点火源，着火延迟时间大大增加，而且爆燃向爆震转变的距离和时间也都很长。
发明内容
为了克服现有技术脉冲爆震燃烧室严重依赖大功率的脉冲点火单元的缺点，本发明提供了一种多管脉冲爆震燃烧室，可以不需要脉冲点火源进行高频工作。
本发明还提供涉及所述多管脉冲爆震燃烧室的起爆方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括多套爆震单元，每个单元包括爆震室入口1、起爆射流入口4、爆震室2、起爆射流出口5、爆震室出口3和启动起爆装置6，爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游，起爆射流入口4靠近并位于爆震室入口1下游，起爆射流出口5靠近并位于爆震室出口3上游，起爆射流出口5与下一个相邻爆震单元的起爆射流入口4相连，多个爆震单元连接以后，最后一个爆震单元的起爆射流出口5和最初爆震单元的起爆射流入口4相连接，首尾相连，共同构成了多个爆震室入口1和多个爆震室出口3的圆环形燃烧室。连接在一起的起爆射流出口5和起爆射流入口4共同构成了射流传播管8。启动起爆装置6安装在其中一个爆震单元的爆震室2上。
本发明的起爆方法是，当所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，启动起爆装置6工作，形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到起爆射流出口5后，大部分通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过起爆射流出口5传播到下一个爆震单元的起爆射流入口4，从而在下一个爆震单元的爆震室2内快速形成爆震波，爆震波在这个爆震室2中迅速向下游传播到起爆射流出口5，这样不断向下游传递。对于单个爆震单元，当爆震波从爆震室出口3排出以后，会有一道膨胀波从爆震室出口3反向向爆震室入口1传播，从而爆震室内的压力下降，等压力下降到特定值以后，可燃混合气重新冲入爆震室入口1，开始该爆震单元新一轮的填充过程。当爆震波传播到最后一个爆震单元的起爆射流出口5后又回到了装有启动起爆装置6的爆震单元，此时装有启动起爆装置6的该爆震单元已经完成废气排放和可爆混合气的填充过程，爆震射流传入该单元的爆震室2后迅速形成了爆震波，启动起爆装置6不再工作。这样对于单个爆震单元来讲，其工作周期就等于爆震射流进入相邻爆震单元起爆射流入口4的时间差乘以该组燃烧室的爆震单元的个数。燃烧室爆震单元的个数取决于可爆混合气填满爆震室2所需要的时间与燃气在爆震室2中膨胀时间的比值，在亚声速燃烧条件下通常需要4-6个以上的爆震单元。对于本发明的燃烧室所有爆震单元，起爆以后不再需要外部点火系统，爆震波可以在燃烧室内自行传播而不熄灭，依靠封闭多管间循环依次传播的模式，利用燃烧室爆震燃烧自身能量产生高频爆震波射流，实现单管高频脉冲工作。
作为本发明的第一种优选方案，当一组爆震单元的个数为某整数M的N倍时，可以在相隔M-1个爆震单元的N个爆震单元上都安装启动起爆装置6，启动时，同时起爆N个启动起爆装置6，可以始终有N个爆震波在相互追赶，同时流动状态和对燃烧室的作用力可以在多管圆环形燃烧室周向均匀分布。
作为本发明的第二种优选方案，可以在多管圆环形燃烧室径向布置多圈多管圆环形燃烧室，使其同轴并联，更有效的利用来流迎风面积。每圈至少一个爆震单元上安装有启动起爆装置6且每圈的启动起爆装置数量相同，各圈的启动起爆装置周向均匀分布。
作为本发明的第三种优选方案，在装有启动起爆装置6的爆震单元的起爆射流入口4处，安装启动阀门7，以保证启动时燃烧波不会从射流传播管8向上一个爆震单元传播。当启动起爆装置6工作时启动阀门7关闭，等启动阀门7上游爆震室2中形成爆震波后启动阀门7开启，并在燃烧室正常工作时一直保持常开状态。
作为本发明的第四种优选方案，本发明的多管圆环形燃烧室可以安装在一个旋转轴9上，多管圆环形燃烧室自身的回转轴与旋转轴9重合，依靠爆震室2产生的排气射流推动整个燃烧室旋转，旋转的燃烧室使得爆震室入口1的来流条件更加有利。
本发明的起爆方法的一种优选方案是，当所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，关闭启动阀门7，启动起爆装置6工作，形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到起爆射流出口5后，大部分通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过起爆射流出口5传播到下一个爆震单元的起爆射流入口4，从而在下一个爆震单元的爆震室2内快速形成爆震波，爆震波在这个爆震室2中迅速向下游传播到起爆射流出口5，这样不断向下游传递。对于单个爆震单元，当爆震波从爆震室出口3排出以后，会有一道膨胀波从爆震室出口3反向向爆震室入口1传播，从而爆震室内的压力下降，等压力下降到特定值以后，可燃混合气重新冲入爆震室入口1，开始该爆震单元新一轮的填充过程。另外在膨胀阶段，由于下游爆震室已经形成爆震波，已燃气体会通过射流传播管8从下游爆震室逆向回喷。等启动阀门7上游爆震室2中形成爆震波后启动阀门7开启，当爆震波传播到启动阀门7后又回到了装有启动起爆装置6的爆震单元，此时装有启动起爆装置6的该爆震单元已经完成废气排放和可爆混合气的填充过程，爆震射流传入该单元的爆震室2后迅速形成了爆震波，启动起爆装置6不再工作。这样对于单个爆震单元来讲，其工作周期就等于爆震射流进入相邻爆震单元起爆射流入口4的时间差乘以该组燃烧室的爆震单元的个数。燃烧室爆震单元的个数取决于可爆混合气填满爆震室2所需要的时间与燃气在爆震室2中膨胀时间的比值，在亚声速燃烧条件下通常需要4-6个以上的爆震单元。并且启动阀门7在燃烧室正常工作时一直保持常开状态。
本发明的有益效果是：本发明的起爆方法使爆震波的起爆接近于直接起爆，燃烧波在爆震室2内的停留时间非常短。实验表明当爆震单元的起爆射流入口4和起爆射流出口5相距0.8m时，爆震波进入相邻爆震单元起爆射流入口4的时间差在1.2ms左右，因此4个这样的爆震单元组成的多管爆震燃烧室的单管工作频率可以超过200Hz，8个这样的爆震单元组成的多管爆震燃烧室的单管工作频率也可以超过100Hz。本发明获得了不依赖高能高频脉冲点火系统即可获得很高工作频率的多管脉冲爆震燃烧室，可用于替代现有燃气轮机的主燃烧室，加力燃烧室，或者作为旋转冲压发动机的燃烧室。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明启动过程示意图；
图2是本发明工作过程示意图；
图3是本发明实施例1的结构图；
图4是本发明实施例2的结构图；
图5是本发明实施例3的结构图。
图中，1-爆震室入口，2-爆震室，3-爆震室出口，4-起爆射流入口，5-起爆射流出口，6-启动起爆装置，7-启动阀门，8-射流传播管。
具体实施方式
装置实施例1：参照图3，包括6个爆震单元通过射流传播管8前后连接在一起，组成一圈圆环形的多管脉冲爆震燃烧室，每个爆震单元包括爆震室入口1，爆震室2，爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管8包括连接在一起的上一级爆震单元的起爆射流出口5和下一级爆震单元的起爆射流入口4，爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游，起爆射流入口4靠近并位于爆震室入口1下游，起爆射流出口5靠近并位于爆震室出口3上游，多个爆震单元连接以后，形成首尾相连的局面。其中一个爆震单元上安装有启动起爆装置6，同时在这个爆震单元上游的射流传播管8上安装启动阀门7。可爆混合气沿垂直于爆震室入口1的方向流入爆震室2，当所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，关闭启动阀门7，启动起爆装置6工作，形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到射流传播管8后，大部分通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过射流传播管8传播到下一个爆震单元的爆震室2内，快速形成爆震波，这样不断传递，爆震波传播到最后一个爆震单元的起爆射流出口5后又回到了装有启动起爆装置6的爆震单元，打开启动阀门7，装有启动起爆装置6的该爆震单元已经完成废气排放和可爆混合气的填充过程，爆震射流传入该单元的爆震室2后迅速形成了爆震波，启动起爆装置6不再工作。此后，燃烧室进入稳定循环，不再需要外部点火设备，启动阀门7常开。
装置实施例2：参照图4，包括两圈圆环形的多管脉冲爆震燃烧室，每圈多管脉冲爆震燃烧室分别由6个爆震单元通过射流传播管8前后连接在一起，每个爆震单元包括爆震室入口1，爆震室2，爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管8包括连接在一起的上一级爆震单元的起爆射流出口5和下一级爆震单元的起爆射流入口4，爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游，起爆射流入口4靠近并位于爆震室入口1下游，起爆射流出口5靠近并位于爆震室出口3上游，多个爆震单元连接以后，形成首尾相连的局面。其中一个爆震单元上安装有启动起爆装置6，内圈的启动起爆装置6与外圈的启动起爆装置6关于多管环形燃烧室所在的圆环中轴对称。可爆混合气沿垂直于爆震室入口1的方向流入爆震室2，当所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，两个启动起爆装置6同时工作，在各自所在的爆震室2中形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到射流传播管8后，大部分通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过射流传播管8传播到下一个爆震单元的爆震室2内，快速形成爆震波，这样内外两圈燃烧室中分别传递，爆震波传播到内外两圈各自的最后一个爆震单元的起爆射流出口5后又回到了装有启动起爆装置6的爆震单元，而且装有启动起爆装置6的该爆震单元已经完成废气排放和可爆混合气的填充过程，爆震射流传入该单元的爆震室2后迅速形成了爆震波，启动起爆装置6不再工作。此后，燃烧室进入稳定循环，不再需要外部点火设备。
装置实施例3：参照图5，包括12个爆震单元通过射流传播管8前后连接在一起，组成一圈圆环形的多管脉冲爆震燃烧室，燃烧室安装在一个旋转轴9上，可以旋转，爆震单元包括爆震室入口1，爆震室2，爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管8包括连接在一起的上一级爆震单元的起爆射流出口5和下一级爆震单元的起爆射流入口4，爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游，起爆射流入口4靠近并位于爆震室入口1下游，起爆射流出口5靠近并位于爆震室出口3上游，多个爆震单元连接以后，形成首尾相连的局面。每相隔3个爆震单元的爆震单元上安装一个启动起爆装置6，也就是总共安装3个启动起爆装置6并在多管脉冲爆震燃烧室所在的圆环上均匀分布。可爆混合气沿垂直于爆震室入口1的方向流入爆震室2，当所有爆震单元的爆震室入口1都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室2时，三个启动起爆装置6同时工作，分别在各自所在的爆震室2中形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到射流传播管8后，大部分通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过射流传播管8传播到下一个爆震单元的爆震室2内，快速形成爆震波，这样不断传递，爆震波传播到下一个装有启动起爆装置6的爆震单元爆震室2时，该爆震单元已经完成废气排放和可爆混合气的填充过程，爆震射流传入该单元的爆震室2后迅速形成了爆震波，启动起爆装置6不再工作。这样就形成了三个爆震波相互追赶的局面，此后，燃烧室进入稳定循环，不再需要外部点火设备。
Claims (8)
1.一种多管脉冲爆震燃烧室，包括多套爆震单元，每个单元包括爆震室入口、起爆射流入口、爆震室、起爆射流出口、爆震室出口和启动起爆装置，其特征在于：爆震室入口和爆震室出口位于爆震室两端，爆震室入口在最上游，起爆射流入口靠近并位于爆震室入口下游，起爆射流出口靠近并位于爆震室出口上游；起爆射流出口与下一个相邻爆震单元的起爆射流入口相连，多个爆震单元连接以后，最后一个爆震单元的起爆射流出口和最初爆震单元的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了多个爆震室入口和多个爆震室出口的多管圆环形燃烧室；连接在一起的起爆射流出口和起爆射流入口共同构成了射流传播管；启动起爆装置安装在其中一个爆震单元的爆震室上。
2.根据利用权利要求1所述的一种多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于：当一组爆震单元的个数为某整数M的N倍时，在相隔M-1个爆震单元的N个爆震单元上都安装启动起爆装置。
3.根据利用权利要求1所述的一种多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于：在多管圆环形燃烧室径向布置多圈多管圆环形燃烧室，使其同轴并联，每圈至少一个爆震单元上安装有启动起爆装置且每圈的启动起爆装置数量相同，各圈的启动起爆装置周向均匀分布。
4.根据利用权利要求1所述的一种多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于：在装有启动起爆装置的爆震单元的起爆射流入口处，安装启动阀门。
5.根据利用权利要求1所述的一种多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述多管圆环形燃烧室可以安装在一个旋转轴上，多管圆环形燃烧室自身的回转轴与旋转轴重合。
6.一种利用权利要求1所述装置的起爆方法，其特征在于：当所有爆震单元的爆震室入口都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室时，启动起爆装置工作。
7.根据利用权利要求6所述的起爆方法，其特征在于：当一组爆震单元的个数为某整数M的N倍且在相隔M-1个爆震单元的N个爆震单元上都安装启动起爆装置时，同时起爆这N个启动起爆装置。
8.根据利用权利要求6所述的起爆方法，其特征在于：当所有爆震单元的爆震室入口都有可爆混合气以相同的条件充满整个爆震室时，关闭启动阀门，启动起爆装置工作；等启动阀门上游爆震室中形成爆震波后启动阀门开启，并在燃烧室正常工作时一直保持常开状态。
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