CN102954496A - 带气室的脉冲爆燃燃烧器 - Google Patents

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V.坦吉拉拉
N.乔施
R.肯永
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Abstract

本发明涉及带气室的脉冲爆燃燃烧器，具体而言，一种脉冲爆燃燃烧器(10)包括沿该脉冲爆燃燃烧器的长度定位的至少一个气室(24)。该气室(24)可位于：1)空气阀(12)附近；2)燃料喷射端口(18)和点火源(20)之间；3)燃料喷射端口和点火源两者下游；以及4)该脉冲爆燃燃烧器的出口喷嘴(14)附近。此外，该脉冲爆燃燃烧器(10)可具有多个气室(24)，例如，空气阀附近和出口喷嘴附近。气室(24)的位置和尺寸可以选择性地调整以控制壁上的机械负载、燃烧器内流动的流体的速率以及由该脉冲爆燃燃烧器生成的压力。

Description

带气室的脉冲爆燃燃烧器
技术领域
此发明涉及脉冲爆燃系统，且更特别地，涉及带有至少一个气室的脉冲爆燃燃烧器(PDC)，该至少一个气室用于降低压力脉冲的峰值并延长高台和减压(blowdown)时间的持续时间。
背景技术
随着脉冲爆燃燃烧器(PDCs)和脉冲爆燃发动机(PDEs)的近期发展，已经有多种努力正在进行以在实际应用中使用PDC/Es，如用于航空发动机的燃烧器和/或作为在后涡轮级中产生附加推力/推进的手段。此外，存在将PDC/E装置用于“混合”型发动机中的努力，这些发动机使用常规燃气涡轮发动机技术和PDC/E技术两者的组合，以致力于最大化运行效率。
脉冲爆燃发动机(PDE)的其中一个关键优点是升压燃烧，其通过实现准恒定容积热力学循环导致升高的性能。挑战在于实际的PDE应用由于爆燃不稳定的特性而需要脉冲操作。因此，仅对于非常短的时期而实现升压。典型的压力迹线显示出非常高的压力尖头部(持续大约5毫秒)，随后是可持续2－3毫秒的高台，随后是到较低环境(或填充)压力的减压部。高台和减压的持续时间很大程度上是管容积和出口喷嘴面积比的函数。期望的是降低压力脉冲的“峰值”(其对上游和下游部件会是有害的)，并延长高台和减压的持续时间。
发明内容
发明人已经通过沿PDC的长度提供至少一个气室解决了降低压力脉冲的峰值并延长对于PDC的高台和减压时间的持续时间的问题。气室可以位于燃料喷射端口和点火源的上游或者下游。气室可用来替代下游出口喷嘴或与下游出口喷嘴协同使用，该下游出口喷嘴也协助延长减压时间。
在本发明的一方面，脉冲爆燃燃烧器具有壁并且沿脉冲爆燃燃烧器的长度包括至少一个气室，用于控制壁上的机械负载、在燃烧器内流动的流体的速率以及由该脉冲爆燃燃烧器产生的压力的其中一个。
如文中所用，“脉冲爆燃燃烧器”PDC(也包括PDEs)理解为意味着从该装置内的一系列重复爆燃或准爆燃产生压力升高和速率增大的任何装置或系统。“准爆燃”是一种超声紊流燃烧过程，其产生高于由爆燃波产生的压力升高和速率增大的压力升高和速率增大。PDCs(以及PDEs)的实施例包括点燃燃料/氧化剂混合物例如燃料/空气混合物的器件，以及爆燃室，其中由点火过程发起的压力波前合并以产生爆燃波。各爆燃或准爆燃或者由外部点火如火花放电或激光脉冲发起，或者由气体动力学过程如震动聚焦、自动点火或另一个爆燃(即联焰)发起。
如文中所用，“爆燃”理解为意味着爆燃或准爆燃。
如文中所用，“发动机”意味着用于产生推力和/或功率的任何装置。
如文中所用，“气室”意味着其中可以收集流体的封闭的室，其具有大于脉冲爆燃燃烧器的其余部分的横截面积。
附图说明
在考虑了在附图中示意性列出的本发明的说明性实施例后，本发明的优点、本质和各种附加特征将更完全地显现，其中：
图1显示了脉冲爆燃燃烧器(PDC)的概略性表示，且本发明的气室位于空气阀附近(即，在燃料喷射端口和点火源二者的上游)。
图2显示了脉冲爆燃燃烧器(PDC)的概略性表示，且本发明的气室位于燃料喷射端口和点火源之间(即，气室位于燃料喷射端口的下游和点火源的上游)。
图3显示了脉冲爆燃燃烧器(PDC)的概略性表示，且本发明的气室位于燃料喷射端口和点火源二者的下游。
图4显示了脉冲爆燃燃烧器(PDC)的概略性表示，且本发明的气室位于出口喷嘴附近(即，在燃料喷射端口和点火源二者的下游)。
图5显示了具有多个本发明的气室的脉冲爆燃燃烧器(PDC)的概略性表示，且一个气室位于空气阀附近(即，在燃料喷射端口和点火源二者的上游)，而另一个气室在出口喷嘴附近(即，在燃料喷射端口和点火源二者的下游)。
图6显示了没有本发明的气室的脉冲爆燃燃烧器(PDC)的典型压力迹线的曲线图。
图7显示了具有本发明的气室的脉冲爆燃燃烧器(PDC)的典型压力迹线的曲线图。
部件列表
10　脉冲爆燃燃烧器(PDC)
12　空气阀
14　出口喷嘴
16　气流
18　燃料喷射器
20　点火源
22　障碍场
24　气室
26　过渡角。
具体实施方式
通过参考附图将更详细地解释本发明，其并不以任何方式限制本发明的范围。
图1描绘了根据本发明的一个实施例在一端具有空气阀12且在相反端具有出口喷嘴14的脉冲爆燃燃烧器(PDC)10。在图示的实施例中，出口喷嘴14是会聚喷嘴。然而，将会理解的是出口喷嘴14也可为会聚/发散喷嘴而不是会聚喷嘴。空气阀12可为任何以下类型：碟式、旋转罐式、提升阀式、套阀式等。可从任何常规主气流源(未示出)提供用于燃烧器10的气流16，例如，从发动机(未示出)的压缩机级或相当的源。燃料可以通过常规燃料喷射器端口18供应至燃烧器10。燃料喷射器端口18可通过任何已知或常规手段控制。在本发明中，考虑了控制阀18以便调整或调节来自工作燃料的热量释放。即，燃料以及爆燃控制为使得由燃烧器10产生的热量可以设置为适当的水平，以便通过一些下游装置进行有效的能量转换。
通常，脉冲爆燃燃烧器10的操作和功能根据任何已知或常规的手段或方法。本发明并非以任何方式限于脉冲爆燃燃烧器的操作和构造。进入燃烧器10的主空气流可由阀12控制以提供对于可持续爆燃适当的燃料－空气比条件。流控制可通过任何已知或常规手段实现。
备选地，可以向燃烧器10提供预混合的空气/燃料混合物而不是气流16，且燃料喷射器端口18是不需要的并且可以消除。诸如火花塞等的点火源20点燃PDC 10内的燃料/空气混合物。PDC 10也可包括障碍场22，其赋予紊流和或旋流以增强PDC 10内燃料/空气混合物的混合，从而促进PDC 10内的爆燃形成。一个好处是实现几乎均匀的温度曲线，其有利于下游装置的最优能量转换以及强健的设计寿命。障碍场22可呈螺旋、阻滞板、斜坡等的形式。
本发明的一个方面是PDC 10包括气室24，气室24具有大于PDC 10的其余部分的横截面积的横截面积。例如，气室24可具有比PDC 10其余部分的横截面积大大约1.1到大约2.0倍之间的横截面积。在一个特定实施例中，气室24具有比PDC 10的其余部分的横截面积大大约1.4倍的横截面积。
由气室24提供的附加容积的一个好处在于对于上游(以及下游部件)会有害的压力脉冲的峰值被降低，并且压力脉冲的高台和减压的持续时间被延长。现在参看图6，没有气室的常规燃烧器的压力迹线展示出快速下降至初始值的压力尖头部并且具有相对较低的平均压力。如图7中所示，具有气室24的PDC 10的压力迹线展示出被维持更长且缓慢下降回初始值的压力，并且平均压力较高。实际上，气室24延长了高台和减压过程，从而使PDC 10保持加压更长的时间段。
气室24用于若干目的，这些目的可以通过沿PDC 10将气室24定位于不同位置而选择性地调节。这些目的包括但不限于：
1)选择性地控制燃烧器壁上的机械负载；
2)选择性地控制在燃烧器中流动的流体的速率；以及
3)选择性地控制由燃烧器产生的压力。
以下讨论了这些目的的每一个。
机械负载控制
从小直径到大直径的横截面积变化上的突然改变帮助弱化爆燃波或冲击波，从而减少动态冲击负载，动态冲击负载导致非常高的瞬时峰值应力，并且还降低了在较大容积区中的“平均压力”。然而，此较大直径横截面积导致压力作用在其上的较大表面积，因此其会导致较高的静态负载(因此存在动态负载对静态负载的平衡)。
通常，对于机械负载气室24的最佳位置是空气阀12附近。如果气室24在燃料喷射器端口18和点火源20的上游，则燃料不会进入气室24(即气室不被供给燃料)。在此位置，有多个好处：
1)由于爆燃波被转换成冲击波的较低的峰值压力；
2)较低的温度，并且因而对于材料更好，因为在空气阀附近很少或没有燃烧；以及
3)由于爆燃/冲击波因为突然的面积变化而被弱化的较低的峰值压力，但是由于环向应力，与潜在的较高静态应力之间存在平衡。
流速率控制
大多数流过程，例如，燃料填充、爆燃发起、减压等都受总体流速率影响。在高水平上，PDC 10中的总体流速率主要由质量流率、密度(例如P和T)、PDC 10的直径以及出口喷嘴14的喉部面积控制。局部总体流速率可以通过选择性地调节PDC10的局部直径沿PDC 10的长度进行调节。这在至少两个区域会是有益的：
1)出口喷嘴14附近以帮助最小化燃料溢出。例如，具有局部减缓总体流的较大的直径。当试图用燃料接近100％的长度填充管时，会偶尔填充过满(导致燃料浪费)。通过在末端附近具有局部较大的直径，其延缓了流下并制造“缓冲区域”以允许流速率上的轻微变化而不导致填充过满。
2)在PDC 10的中部中在空气阀12和出口喷嘴之间在障碍场22的区域中。局部较小的直径增加了总体速率并增加了紊流和混合的量，从而使得DDT过程更加有效。然而，由于较小的直径意味着较高的速率，这会提供更加有效的DDT但提供更高的压降，因而存在着平衡。
压力控制
通常，管容积越大，将获得的平均压力升高越高。在任何位置具有局部更大的直径均可以帮助增加压力升高并延长减压时间(对于喷嘴喉部直径和操作频率存在平衡)。
预想了气室24可沿PDC 10定位于五个(5)不同的位置。这些位置包括但不限于：
1)燃料喷射器上游并在空气阀12附近；
2)燃料喷射器和点火源之间；
3)沿PDC 10的中间长度位于点火源下游；
4)出口喷嘴14附近；
5)1)和4)两者；以及
6)上述位置的任意组合。
1)到5)的各位置均以不同的方式影响PDC 10的机械负载控制、流速率控制和压力升高控制。在图1中所示的图示实施例中，气室24在燃料喷射器端口18和点火源20两者的上游定位在PDC 10的一端处的空气阀12附近。在此位置，气室24呈现对上游行进冲击(回)波的横截面积上的突然改变。当回波抵达空气阀12时，气室24没有被供给燃料并且只是被增压。由气室24提供的较大的容积延长了回波的高台和减压时间。此外，回波轻微弱化并且回波的峰值被降低，从而对空气阀12提供了机械性益处。另外，气室24可进行调节以利用PDC 10的声学模式并协助填充和吹扫过程。
现在参考图2，用于气室24的另一个位置在燃料喷射器端口18和点火源20之间(即，燃料喷射器端口18下游和点火源20上游)。在此位置，气室24被供给燃料(燃料点可以或者在空气阀12上游，或者在空气阀12下游，或者两者均可)。由于被供给燃料，气室24经历来自回波和热排放产物的增压以及爆燃燃烧。由气室24提供的较大的容积延长了回波的高台和减压时间。此外，回波轻微弱化并且峰值被降低，从而对空气阀24提供了机械性益处。然而，由于较大的直径，气室24可能局部地导致潜在更高的应力(且应力与直径成比例)。
现在参考图3，用于气室24的另一个位置在燃料喷射器端口18和点火源20的下游。在此位置，气室24被供给燃料(燃料点可以或者在空气阀12上游，或者在空气阀12下游，或者两者均可)。由于被供给燃料，气室24经历来自回波和热排放产物的增压以及爆燃燃烧。由气室24提供的较大的容积延长了回波的高台和减压时间。此外，气室24可进行调节以利用PDC 10的声学模式并协助填充和吹扫过程。
现在参考图4，用于气室24的另一个位置在出口喷嘴14附近。在此位置，气室24可供给燃料或不供给燃料，取决于PDC 10的期望填充部分。由气室24提供的较大的容积可用于增强对填充部分的控制，因为PDC 10依赖于总体流动速率来沿其长度使燃料对流。由气室24提供的局部较大的直径降低了总体流动速率，从而减少燃料填充时间上的任何误差/跳动，从而防止过度填充或者不足填充。由气室24提供的较大的容积也延长了爆燃波和回波的高台和减压时间。此外，气室24可进行调节以利用PDC 10的声学模式并协助填充和吹扫过程。增加的容积协助增加燃烧器中燃烧气体的驻留时间。驻留时间的此增加允许化学反应完整进行。容积的此增加还用于调整PDC的操作频率。在后端处(即靠近出口喷嘴14)增加的面积也降低了燃烧器的最热部分中的流动速率，这有利于燃烧器壁的冷却。
将会理解的是本发明沿PDC 10的长度可具有多个气室24，以按需要实现温度、速率和/或机械负载的调整。图5图示了沿PDC 10的长度具有多个气室24的本发明的一个示例性实施例。在该图示的实施例中，一个气室24在空气阀附近，而另一个气室24在出口喷嘴14附近。注意此构造突出了在所有之前的附图中暗示但在此处使得其明显得多的另一个类型的速率控制。在图5中，清楚的是障碍场22位于PDC 10的减小的直径部分中。用于障碍场22的此位置通常是有益的，因为其增大了局部速率，这增加了障碍物内的紊流，从而改善了爆燃形成的效率。
在图示的实施例中，气室24和燃烧器10的其余部分之间的过渡是大约九十度的陡峭角度26(即垂直于PDC 10的壁)。然而，将会理解的是本发明不由燃烧器10的壁和气室24之间的过渡角26限制，并且本发明可以通过零和九十度之间的任何期望的角度来实施。例如，过渡角26可小于九十度，如图5b中所示。
如上所述，气室24降低了压力脉冲的“峰值”，其对于下游(以及上游)部件会是有害的，并且延长了脉冲爆燃燃烧器10中高台和减压的持续时间。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是可做出各种改变，并且可用等价物替代其要件，而不背离本发明的范围。此外，可做出许多修改来使特定的情形或材料适于本发明的教导而不背离其实质精神。因此，本发明意图在于不限于考虑作为用来实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种脉冲爆燃燃烧器(10)，其具有壁并且沿所述脉冲爆燃燃烧器的长度包括至少一个气室(24)，用于控制所述壁上的机械负载、在燃烧器内流动的流体的速率以及由所述脉冲爆燃燃烧器产生的压力的其中一个。
2. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)具有比所述脉冲爆燃燃烧器(10)的其余部分大大约1.1到大约2.0倍的横截面积。
3. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)具有比所述脉冲爆燃燃烧器(10)的其余部分的横截面积大大约1.4倍的横截面积。
4. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)位于所述脉冲爆燃燃烧器(10)的空气阀(12)附近。
5. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)位于所述脉冲爆燃燃烧器(10)的燃料喷射端口(18)和点火源(20)之间。
6. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)位于所述脉冲爆燃燃烧器(10)的燃料喷射端口(18)和点火源(20)二者的下游。
7. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)位于所述脉冲爆燃燃烧器(10)的出口喷嘴(14)附近。
8. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述脉冲爆燃燃烧器(10)包括多个气室(24)。
9. 如权利要求8所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述多个气室(24)的其中一个在所述脉冲爆燃燃烧器(10)的空气阀(12)附近，而所述多个气室(24)的其中另一个在所述脉冲爆燃燃烧器(10)的出口喷嘴(14)附近。
10. 如权利要求1所述的脉冲爆燃燃烧器，其特征在于，所述气室(24)与所述脉冲爆燃燃烧器(10)的其余部分之间的过渡角(26)小于九十度。
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