CN101776029A - 燃烧追赶装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧追赶装置。它包括一个闭合的管道体、障碍体及点火器件，管道体内部的障碍体将其分割成若干割区，管道体壁面接入单向进气管道，预混燃料由各单向进气管道喷入管道体各割区，管道体内不同位置布置有一组或多组点火器件，点火器件用以点燃预混燃料燃烧，多组点火可以是同步或异步的，管道体各割区壁面布置有火焰出口，用以输出火焰及排出已燃气体，火焰出口可以输出单组或者多组火焰。本发明结构简单功能强大，可以适应高频、高能点火的要求，克服了连续点火和爆燃到爆轰转换的困难，同时火焰出口的布置可以几乎不受几何因素的影响，其灵活性无可比拟。本发明可以做为脉冲爆震发动机的点火及需要高频高能点火的装置，应用于电力、动力或航空航天等领域。

Description

燃烧追赶装置

技术领域

本发明涉及一种燃烧追赶装置。它可以做为脉冲爆震发动机的点火装置或者需要高频、高能点火的地方，应用于电力、动力或航空航天等领域。

背景技术

本发明源于对脉冲爆震发动机点火类似需求的创造。

一般认为发动机发展大致经历了两个大的历史阶段，第一阶段就是在1950年以前，主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后，涡轮发动机迅猛发展，一直占据着霸主地位，它有很多的变种，如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，但其核心技术都是压气机-涡轮组合，即燃气轮机。

很早就有人提出，涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢？因为人类所发明的热机到目前为止，绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。对此，目前也出现了很多新的机种，如脉冲爆震发动机、冲压发动机等，这是主要的几个研究方向，也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段。

脉冲爆震发动机是近年来被重点关注的未来发动机形式。它具有热效率高、工作范围广、结构简单、比冲高、性价比高等优点，可以广泛用于军事或者民用领域，有着美好的应用前景。但它还非常不成熟，技术上面临着许多的挑战，目前几乎所有的脉冲爆震发动机设计都存在噪声巨大，工作频率就明显跟不上去的困难。工作频率就是指爆震燃烧频率，要100赫兹左右才能够产生足够的比冲，如果到不了这个频率，比冲不够，与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面，排气、进气一秒钟来回一百多次，而且还没有一个活塞把气体推出去，只靠膨胀过程来填充、爆炸，再填充、再爆炸，这本身是非常困难的。另外，因为爆震波的产生和触发需要高温、高压的触发环境，有很多的研究和设计都是针对于此的，比如激波聚焦方法、射流引射起爆方法、阶梯引爆方法、加长爆震管长度方法、障碍弹簧加速引爆方法等等，如何有效突破DDT过程(爆燃到爆轰转换(Defiagration to Detonation Transition))的瓶颈是个目前还没有很好解决的问题。对我们而言，如何帮助解决脉冲爆震发动机高频触发、点火及加速DDT过程，以比较小的点火能量在预混燃料的高速流动中产生频率可调的爆震波是非常有意义的课题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种燃烧追赶装置。本发明结构简单功能强大，可以适应高频、高能点火的要求，克服了连续点火和DDT过程的困难。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的燃烧追赶装置，具有管道体。

管道体作为燃烧追赶装置的核心部件，为其它各部件的载体，它可以是一体化制造的，也可以是拼接或者是片状结构叠合而成的。

管道体是环形、多边形或者各种复杂构形(包括三维构形)的闭合管道；

本发明的燃烧追赶装置，具有单向预混燃料入口。

单向预混燃料入口提供了单向稳定的预混燃料来源，保障工作介质的存在，同时预混燃料是预加压的，预混燃料可以是气体或者气雾或者气粉形态，其化学成分配比能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧。

本发明的燃烧追赶装置，具有单向空气(或不能独自燃烧的气体)入口。

单向空气(或不能独自燃烧的气体)入口提供了单向的用以防止预混燃料因管内余温过高而燃烧造成的过热、早燃、早爆现象的不能独立燃烧气体的来源，如空气、氮气等，同时输入的气体是预加压的，如果不存在过热、早燃、早爆等条件下，单向空气入口可以不参与功能或者被封闭或者不予布置。

本发明的燃烧追赶装置，具有燃烧管。

燃烧管为管道体的内部空腔，为环形、多边形或者各种复杂构形(包括三维构形)的闭合管道，内设障碍体将燃烧管不完全均匀分割，壁面上按需要设置有周向火焰出口和侧向火焰出口，同时设置一个以上的点火器件来启动和协调燃烧管内的预混燃料燃烧。

本发明的燃烧追赶装置，具有点火器件或者点火方式。

点火器件或者点火方式是包括激光点火、火花点火、声波点火、激波点火、电火花点火等可以在燃烧管产生燃烧的设置。点火器件在本发明中的主要作用是启动和协调燃烧，不需要频繁的点火，如在一次正常的运行过程中，通常只需要一次点火。其数量可以是一组或以上，当点火器件数量为多组时，点火可以是同步的或者是异步的，火焰面的追赶也能是同步的或者是异步的，可以有附加的装置来协调；

本发明的燃烧追赶装置，具有障碍体。

障碍体可以固定在燃烧管壁面上或者以轴为中心在燃烧管内部压力作用下做钟摆运动，障碍体形状、大小及运动轨迹可以有效保障燃烧波或者爆震波在前后相邻割区之间的传递。障碍体的设计因尽量减少总压动力的损失，可以将迎波面设计得比较平滑，绕射面设计得比较陡峭，如椭圆内凹的聚波结构。

本发明的燃烧追赶装置，具有周向火焰出口和侧向火焰出口。

周向火焰出口和侧向火焰出口用以输出火焰及排出已燃气体，两者不必同时出现或者使用，其位置和数量对每割区可以有所不同。

本发明的燃烧追赶装置，单向混燃料入口、单向空气入口、周向火焰出口和侧向火焰出口、障碍体对应布置，数量不少于2组，其位置可以是均匀分布或者非均匀分布的。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种燃烧追赶装置，包括一个闭合的管道体和点火器件及障碍体。管道体壁面上有单向预混燃料入口和单向空气(或不能独自燃烧的气体)入口；管道体壁面上有周向火焰出口和/或侧向火焰出口；管道体内部为一个燃烧管，燃烧管内设有若干障碍体将燃烧管分割成若干割区，燃烧管内装有点火器件。

上述管道体可以平面构形或三维构形。是环形、或多边形、或8字形、或螺旋形、或者各种复杂构形的闭合管道。

上述单向预混燃料入口、单向空气入口、周向火焰出口和侧向火焰出口、障碍体对应布置，数量不少于2组，其位置可以是均匀分布或者非均匀分布的。

上述单向预混燃料入口和单向空气入口将燃料或气体单向注入燃烧管，不允许流体的逆向供给。在特定情况，如不存在过热、早燃、早爆等条件下，单向空气入口可以不参与功能或者被封闭或者不予布置。

上述周向火焰出口和侧向火焰出口用以输出火焰及排出已燃气体，不必同时出现和使用，其位置和数量对每割区可以有所不同。

上述障碍体可以固定在燃烧管壁面上，或者通过轴销与燃烧管壁铰链，以轴销为中心在燃烧管内部压力作用下或者附加的主动控制下做钟摆运动。障碍体其形状、大小及/或运动轨迹可以有效保障燃烧波在前后相邻割区之间的传递。

上述点火器件为激光点火器、或声波点火器、或激波点火器、或电火花点火器、或射流点火器，设置在能在燃烧管产生燃烧之处，其数量可以是一组或以上。

上述点火器件在数量为多组时，点火可以是同步的或者是异步的，火焰面的追赶也能是同步的或者是异步的，可以有附加的装置来协调。

上述预混燃料，其化学成分配比为能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧的气体、或气雾、或气粉形态燃料。

上述预混燃料在单向预混燃料入口和单向空气入口处应有预加压力以保证燃料或者不能独立燃烧气体的供给。

上述预单向空气入口(如果存在)处应有预加压力以保证不能独立燃烧气体的供给。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明的燃烧追赶装置，是一种利用预混燃料的爆轰或者爆燃燃烧过程进行连续点火的重要构件，预混燃料燃烧的连续接力是爆轰波或者爆燃波在燃烧管内通过障碍体边缘实现绕射和壁面反射得以实现的。当预混燃料处在爆轰燃烧工作状态下，可以获得燃烧效率的极大化。

本发明有效的减小了排气时间，即排气过程和充气过程大部重叠，改善了燃烧的频率对单纯依赖靠膨胀过程排气的状况。

本发明使得爆轰波的波面在燃烧管得以维持，能够有效避免频繁的爆燃到爆轰转换(Deflagration to Detonation Transition(DDT))过程，从而减少了爆震触发过程对燃烧管长度尺度和频繁点火的要求，为爆轰燃烧动力小型化提供可行方法。

本发明的点火装置几乎不受几何因素的限制，可以通过非常灵活的布置火焰输出口来实现复杂的点火要求，在实际的设计中具有不可比拟的优越性。

本发明不需要频繁的点火而使得连续点火得以实现，减小了对点火器件的倚赖，结构简单功能强大，可以适应高频、高能点火的要求，克服了连续点火和爆燃到爆轰转换的困难。

本发明可以做为脉冲爆震发动机的点火及需要高频高能点火的装置，应用于电力、动力或航空航天等领域。

附图说明

图1燃烧追赶装置结构图。

图2燃烧追赶装置局部割区结构图(其中图(a)障碍体固定式，图(b)障碍体活动式)。

图3燃烧追赶装置管道构形二维和三维示意图(其中图(a)、(b)、(c)为二维构形，图(d)、(e)为三维构形)。

图4燃烧追赶装置的追赶模式示意图(其中图(a)单追赶模式，图(b)多追赶模式)。

图5燃烧追赶装置的多追赶模式示意图(其中图(a)同步追赶模式，图(b)异步追赶模式)。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：参见图1和图2，本燃烧追赶装置为一闭合管道，包括主体部分的管道体(1)和点火器件(2)及障碍体(3)，管道体(1)壁面上有单向预混燃料入口(5)，单向空气(或不能独自燃烧的气体)入口(6)，周向火焰出口(7)，侧向火焰出口(8)；管道体(1)内部为一个燃烧管(9)；燃烧管(9)内设有若干障碍体(3)将燃烧管(9)分割成若干割区；燃烧管(9)内装有点火器件(2)。点火器件或(2)点燃燃烧管(9)内的由单向预混燃料入口(5)注入的预混燃料。燃烧火焰和燃烧波通过两种途径传播，一种是向周向火焰出口(7)、侧向火焰出口(8)运动；另一种是在障碍体(3)边缘发生绕射和壁面反射将燃烧火焰和燃烧波引向下一个燃烧管(9)内由障碍体(3)分割的未燃区域。火焰和和已燃气体最终由周向火焰出口(7)、侧向火焰出口(8)高速喷出，以点燃外接的燃烧管路，实现点火功能；燃烧火焰和燃烧波在绕射障碍体(3)边缘的绕射和反射使得燃烧得以维持，使得火焰追赶的功能得以完成。

实施例二：参见图1、图2和图3，本实施例与实施例一原理相同，特别之处是：管道体(1)可以有各种不同的构形，包括二维的结构和三维的结构，可以实现复杂几何的点火需求。

实施例三：参见图1、图2和图4，本实施例与实施例一相同，特别之处是：管道中的点火器件可以是多组的点火方式，取决于实际的需求。

实施例四：参见图1、图2、图4和图5，本实施例与实施例一相同，特别之处是：管道中的点火器件可以是多组的点火可以是同步点火或者异步点火，火焰面的追逐也可以是同步或者异步的，取决于实际的需求。

Claims (10)

1.一种燃烧追赶装置，包括一个闭合的管道体(1)、点火器件(2)及障碍体(3)，其特征在于：

1)所述管道体(1)壁面上有单向预混燃料入口(5)；

2)所述管道体(1)壁面上有单向空气或不能独自燃烧气体的入口(6)；

3)所述管道体(1)壁面上有周向火焰出口(7)和/或壁面上有侧向火焰出口(8)；

4)所述管道体(1)内膛构成一个燃烧管(9)；

5)所述燃烧管(9)内设有若干障碍体(3)，将燃烧管(9)分割成若干割区；燃烧管(9)内装有点火器件(2)。

2.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述管道体(1)为平面构形或三维构形的闭合管道。

3.根据权利要求2所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述平面构形闭合管道为圆形或多边形或其它二维构形闭合管道，所述三维构形闭合管道为8字形或螺旋形或者其它空间构形的闭合管道。

4.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于单向预混燃料入口(5)、单向空气入口(6)、周向火焰出口(7)和/或侧向火焰出口(8)、障碍体(3)按照实际需求布置，数量不少于2组。

5.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于在不存在过热、早燃、早爆等条件下，所述单向空气入口(6)不参与功能、或者被封闭、或者不予布置。

6.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述障碍体(3)固定在燃烧管(9)壁面上或者通过轴销(4)与燃烧管(9)壁铰链，则以轴销为中心在燃烧管(9)内部压力作用下或者附加的主动控制下做钟摆运动。

7.根据权利要求6所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述障碍体(3)其形状、大小及运动轨迹能有效保障燃烧波在前后相邻割区之间的传递。

8.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述点火器件(2)为激光点火器、或声波点火器、或激波点火器、或电火花点火器、或射流点火器，设置在需要燃烧管(9)产生燃烧之处，其数量是一组或以上。

9.根据权利要求8所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述点火器件(2)在数量为多组时，点火是同步的或者是异步的，火焰面的追赶也是同步的或者是异步的，或者有附加的装置来协调。

10.根据权利要求1所述的燃烧追赶装置，其特征在于所述预混燃料，其化学成分配比为能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧的气体、或气雾、或气粉形态燃料；预混燃料在预混燃料入口(5)处应有预加压力以保证燃料的供给。

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