CN103133138B - 基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子及工作方法，属于新概念燃烧技术领域。内燃波转子的主要特征在于其主体部分的波转子是由多个通道构成，在利用非定常燃烧热循环效率高和增压技术优势的同时，多通道时序工作可以实现内燃波转子出口气流趋于稳定输出。本发明主要用于航空发动机的燃烧室，能够大幅度提高航空发动机的性能，促进航空科学技术的发展；亦可用于制冷循环、内燃机增压器、波过热器等国民经济的诸多领域，促进节能减排、能源交通等领域的科学技术发展，该项技术将会拥有广泛的市场前景，产生较好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子及工作方法，属于新概念燃烧技术领域
背景技术
目前，燃气涡轮发动机性能水平在当前基础上要进一步大幅度提高将面临巨大挑战，因为提高燃气涡轮发动机性能的主要途径是提高压气机和涡轮部件的效率或提高涡轮进口温度，但涡轮进口温度因材料和冷却技术发展水平的限制也难以显著提高。因此，为实现航空武器动力系统的跨越式发展，探索新的发展思路是重要的捷径。
波转子，也称压力交换器、能量交换器，是利用不稳定的波对不同能量密度的气流进行能量交换的设备，具有提高各种发动机和机械的性能与运行特性的特有优势。比较等压燃烧、等容燃烧和内燃波转子燃烧三种不同热力循环，三种燃烧热力循环下的发动机热释放增加量是相同的，但是，不同热力循环导致涡轮进口的气流总压不一致，其中内燃波转子燃烧热力循环涡轮进口总压最高，验证了内燃波转子能够提高燃气涡轮发动机总体性能，相对于传统发动机热力循环过程(等压燃烧)，内燃波转子发动机熵增减小，输出功增加，相对于等容燃烧的发动机(如脉冲爆震发动机等)，压力增益显著增加，并且多通道旋转时序工作克服了脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)阻力损失大、非定常输出推力(或非定常排气)等缺点，充分发挥了波转子增压技术和爆震燃烧热循环效率高的优点。
美国多家研究机构开展了内燃波转子技术应用于燃气涡轮发动机的基础理论和关键技术研究，如NASA开展了波转子作为未来燃气涡轮发动机核心机的内燃波转子理论分析研究，以501-KB5S发动机为基准发动机进行了内燃波转子取代核心机的分析验证，相对于基准机，验证机的压气机压比降低，压气机可以减少2-3级，轴马力提高17.7％，耗油率降低10.5％。Allison先进技术开发公司(AADC)和Purdue工程和技术大学(IUPUI)正在对采用爆震燃烧和接近爆震燃烧的内燃波转子内的燃烧过程和性能进行计算和试验研究，并且完成了内燃波转子平台建设，以气态丙烷为燃料，空气为氧化剂，采用热射流点火，进行了大量试验，内燃波转子试验转速为2100rpm。北京工业大学发明的“气波转子开发研究的测试装置”，发明专利号：CN202066694U,该装置主要包括气波转子、燃烧器、混合器等结构，其中气波转子上还有燃气入口、新鲜空气进口和增压空气出口。该装置利用燃气与新鲜空气直接接触时的焓差来实现能量快速交换，达到压缩新鲜空气的目的。将该装置应用于推进系统，虽然具有一定的增压效果改善了推进系统性能，但是增加了系统的结构复杂性，且此时推进系统仍采用等压燃烧循环，未能从根本上大幅度提高推进系统性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以取代传统燃烧室的非定常燃烧装置及其工作方法，将波转子增压技术与等容燃烧高效率相结合，实现推进系统总体性能和效率的大幅度提高。
一种基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子，其特征在于：包括底座、波转子、进口端盖、出口端盖、驱动电机；
其中进气端盖上具有进气端口，该进气端口由两个进口端口外侧壁面和一个内圆弧壁面、一个外圆弧壁面组成，且该进气端口被两个进口端口内侧壁面分成了吹除空气端口、可燃混气端口、隔离空气端口，其中可燃混气端口上还安装有燃料喷嘴，上述进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖平面之间有夹角α，且侧壁面的倾斜方向与波转子旋转方向相同，该夹角α满足Vincosα＝ωR，式中Vin为进气端口气流速度，ω为波转子转动角速度，R为波转子外径；
其中出口端盖上具有排气端口，该排气端口由两个侧壁面和一个内圆弧壁面、一个外圆弧壁面组成，侧壁面与出口端盖平面之间有夹角β，且侧壁面的倾斜方向与波转子旋转方向相同，该角度β满足Voutcosβ＝ωR，式中Vout为排气端口气流速度，ω为波转子转动角速度，R为波转子外径，出口端盖上还安装有热射流装置；其中进气端盖和出口端盖分别安装于所述波转子的前端和后端；并且通过端盖座安装于所述底座上；
上述波转子由内向外依次包括传动轴、内鼓筒、外鼓筒，其中传动轴和内鼓筒之间通过连接部件连接，内鼓筒和外鼓筒之间通过径向插板连接，其中径向插板将内鼓筒和外鼓筒之间的空间均匀划分成转子通道；上述传动轴前端和后端分别穿过所述进气端盖和出口端盖后通过轴承座安装于所述底座上；
上述驱动电机安装于传动轴的前端；
上述进气端盖和出口端盖沿周向位置均可调；使得进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差可调，其中相位差满足γ/ω＝L/Va，式中L为波转子长度，Va为波转子内压缩波的传播速度，ω为波转子的转动角速度，γ进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差；
上述进气端盖由外进气端盖和内进气端盖组成，所述进气端口固定于外进气端盖，内进气端盖上设有与进气端口对应的开口；外进气端盖和内进气端盖之间可在周向调节，使得进气端口可在全部打开与1/2打开范围内可调；
上述排气端盖由外排气端盖和内内气端盖组成，所述排气端口固定于外排气端盖，内进气端盖上设有与排气端口对应的开口；外排气端盖和内排气端盖之间可在周向调节，使得排气端口可在全部打开与1/2打开范围内可调。
所述的基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子的工作方法，其特征在于包括以下过程：
根据具体试验条件确定进口端口开孔角度范围，使其满足θ1/ω＝λ1L/Vincosα，式中θ1为进口端口开孔角度范围，ω为波转子的转动角速度，L为波转子长度，Vin为进气端口气流速度，α为进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖平面之间的夹角，λ1为进口预留倍数；
根据试验系统流量确定燃料流量，气流经进气端口进入，燃料经喷嘴注入可燃混气端口，与气流混合形成可燃混气，并进入波转子通道完成填充过程；
根据上述燃料流量和空气流量可计出理论排气速度，进而确定排气端口的开孔角度范围，使其满足θ2/ω＝λ2L/Voutcosβ，式中θ2为进口端口开孔角度范围，ω为波转子的转动角速度，L为波转子长度，Vout为进气端口气流速度，β为出口端口侧壁面与端盖平面间的夹角，λ2为预留倍数；
根据进气温度确定进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差，使其满足γ/ω＝L/Va式中L为波转子长度，Va为波转子内压缩波的传播速度，ω为波转子的转动角速度，γ进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差，转子通道在进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差范围内，出口端关闭，进气端继续进气，气流在出口端盖上滞止产生逆行压缩波，压缩波传播到通道左端时，通道被进口端盖封闭，完成内燃波转子的预压缩过程。
热射流18进入波转子通道，点燃混气，混气在封闭的波转子通道内完成等容燃烧过程；
燃烧过程结束后，波转子通道转到出口端口处，排气端口产生膨胀波，高温燃气经排气端口排出波转子通道；
吹除空气端口和隔离空气端口的气流将高温燃气与可燃混气隔开，防止热自燃。
本发明的工作原理：电机转速到达预定转速后，气源开始供气，本发明波转子的最大转速可达4000rpm。压缩气体进入进气端口，燃料经燃料喷嘴进入可燃混气端口与压缩气体混合，初步形成混气。以其中一个通道为例分析内燃波转子的工作过程，当通道位于可燃混气端口位置时，可燃混气进入波转子通道，并进一步掺混，当通道旋转到隔离气体端口时，纯净空气进入通道将通道内的可燃混气与进口端隔开，有效防止可燃混气燃烧时高温燃气沿转子与进口端盖之间的缝隙进入相邻通道或可燃混气端口内，造成热自燃，转子通道转过出口端口开度之后，气流在出口端盖上滞止产生逆行压缩波，对通道内气流进行压缩，这里要求事先根据具体试验工况调整进排气端盖之间的相对位置，保证压缩波运动到通道进口端时通道在预定转速下刚好转过进口端口开度，尽量实现最大预压缩效果，此时通道内为一封闭空间。通道继续旋转到热射流装置时，热射流进入通道，点燃通道内的可燃混气，产生爆震燃烧，爆震波沿通道轴向传播，在内燃波转子通道内完成等容燃烧过程后，通道再一次旋转到出口端盖开孔位置，在通道出口处产生逆行膨胀波，通道内高温高压燃气开始排出，当通道旋转到进气端口的吹除气端口时，新鲜空气进入通道，加速高温燃气的排出，并将高温燃气与新一轮填充的可燃混气隔开，防止混气发生热自燃，通道再次旋转到可燃混气端口时，开始新一循环的填充过程。需要说明的是，上述过程有多个通道时序周期性完成，本发明波转子包含24个波转子通道，保证了进排气端口的气流依然为定常流动，因此，虽然内燃波转子是周期性工作的非定常装置，但是内燃波转子进排气属于定常流动，保证了压气机和涡轮的稳定工作。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明的内燃波转子燃烧过程在封闭的转自通道内完成，且采用的是等容燃烧模式，可以取代传统推进系统的燃烧室，在不增加系统复杂性的前提下，大幅度提高推进系统的性能。
(2)本发明的内燃波转子可采用气态燃料或液态燃料，适用燃料选择范围宽，考虑了内燃波转子工程应用燃料的选择。
(3)本发明的内燃波转子的最大转速可达4000rpm，是国外现有内燃波转子转速的2倍，克服了内燃波转子高速旋转下的动平衡、振动等转子动力学问题。
(4)本发明的内燃波转子是内燃波转子实验平台的主体，内燃波转子实验平台填补了国内空白，为开展内燃波转子诸多关键技术研究提供研究平台。整个实验平台采用模块化设计，便于移动和拆装，进排气端口的端盖均有两块同心的圆盘构成，圆盘通过圆弧状的腰形孔相连，并固定于底座，这样有利于调节进排气端口的开孔角度，还可以调节进排气端口开孔的周向相对位置，达到调节工作时序的作用，内燃波转子多通道时序工作实现了进排气以及能量输出具有连续性，便于和功输出设备协调工作。
(5)本发明主要用于航空发动机的燃烧室，能够大幅度提高航空发动机的性能，促进航空科学技术的发展；亦可用于制冷循环、内燃机增压器、波过热器等国民经济的诸多领域，促进节能减排、能源交通等领域的科学技术发展，该项技术将会拥有广泛的市场前景，产生较好的经济和社会效益。
附图说明
图1是内燃波转子的转子结构；
图2是进气端盖结构；
图3是排气端盖结构；
图4是内燃波转子系统图；
图5是进口端口开孔角度的说明；
图6是出口端口开孔角度的说明；
图7是进排气端口开孔角度之间相位差说明。
图中标号名称：1、插板，2、外鼓筒，3、内鼓筒，4、转子通道，5、连接部件，6、传动轴，7、进气端盖，7a、外进气端盖，7b、内进气端盖，8、进气端口，8a、吹除气体，8b、可燃混气，8c、隔离气体，9、腰形孔，10、轴承座，11、底座，12、端盖座，13、驱动电机，14、喷嘴，15、排气端口，16、出口端盖，16a、外排气端盖，16b、内排气端盖17、转子，18、热射流，19、进口端口开孔角度，20、出口端口开孔角度，21、进排气端口开孔角度之间相位差，22、进口端口外侧壁面，23、进口端口内侧壁面，24、进口端口侧壁面与端盖平面间夹角，25、出口端口侧壁面，26、出口端口侧壁面与端盖平面间夹角。
具体实施方式
内燃波转子的转子17部分如图1所示，沿周向均匀布置的插板1与内外鼓筒2、3一起构成波转子通道4，其内鼓筒3通过连接部件5与传动轴6连接；进气端盖7和排气端盖16如图2和图3所示，分别由同心的内外端盖所构成，端盖上开有腰形孔9，改变内外端盖的相对位置可以调节端口的开孔角度，如图5所示，开孔角度改变时内外端盖间通过腰形孔9连接，开孔角度范围由具体试验工况确定，其作用是要保证填充、燃烧以及排气等过程发展充分，具体方法为：根据具体试验条件(流量和状态参数Pt2、Tt2)确定进口端口开孔角度19范围，使其满足θ1/ω＝λ1L/Vincosα，式中θ1为进口端口开孔角度范围，ω为波转子17的转动角速度，L为波转子长度，α为进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖7平面之间的夹角，为进气端口8内气流速度，λ1为进口预留倍数，由经验确定，用于预防转子通道4内波系作用时填充速度变慢，R为气体常数；喷嘴14的流量为，式中fa为试验要求的油气比，则排气端口根据排气速度确定，如图6所示，具体的开孔角度应为：θ2/ω＝λ2L/Voutcosβ，Vout＝mRTt3/(ΠPt2)，式中θ2为排气端口开孔角度范围20，ω为波转子的转动角速度，L为波转子长度，Vout为排气端口15气流速度，β为排气端口侧壁面与进口端盖7平面之间的夹角，λ2为预留倍数,R为气体常数,Π为波转子压比，一般取Π＝1.3(由性能分析得出)。转子通过轴承连接在轴承座10并固定于底座11上，进排气端盖布置在转子的两端，通过端盖座12固定于底座，如图4所示。工作时，端盖保持固定不动，转子4由驱动电机13驱动，电机转速由变频器进行精确控制，在预定转速确定的情况下，需要调节变频器，使电机实际转速逐渐增加到预定转速。进气端口8分为三个部分，每个部分流动的气体不同，分别为吹除空气8a，起吹除作用，可燃混气8b，隔离空气8c，起隔离作用。当转子达到预定转速后，来自压气机的气流开始进入进气端口8，同时安装在进气端口8之上的喷嘴14向端口内供入液态或气态燃料，燃料与纯净空气在进气端口内初步混合并进入转子通道4，随着时间的推移，转子通道4出口端被出口端盖16封闭，气流在出口端盖上滞止，产生一束逆行激波，对通道内气流进行压缩，当压缩波传播到转子通道进口端时，转子通道进口端被进气端盖7封闭，此时通道内的气体压力、温度比进气有所提高，达到内燃波转子冷态增压效果。为保证压缩波运动到左端进口端恰好封闭，该进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差21要满足γ/ω＝L/Va式中L为波转子长度，如图7所示，为波转子内压缩波的传播速度，ω为波转子的转动角速度，γ进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差，k为比热比，R为气体常数，Tt2为进口温度。由于隔离空气的作用，此时通道内的可燃混气与进气端之间被隔离气所隔开，避免了高温燃气泄漏导致进气端口内混气热自燃的危险。需要说明的是，进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖7平面之间有夹角α24，排气端口侧壁面24与出口端盖16平面之间有夹角β26，夹角起导流作用，其作用结果是使气流周向运动速度与转子转速相当，减小内燃波转子的气流损失。为了降低试验的复杂性，实际操作过程中该角度按设计工况确定，试验工况改变时，该角度不变。当通道旋转到热射流装置18位置时，热射流点燃通道内的可燃混气，在通道内完成等容燃烧，内燃波转子采用的燃烧模式一般为爆震燃烧或接近爆震燃烧，由于爆震燃烧火焰传播速度较快，热射流与出口端口之间的封闭区域足够转子通道4内的燃料完成燃烧过程。燃烧过程结束后，通道旋转到排气端口15位置，高温高压燃气从排气端口15排出，随后在吹除气流的作用下，残余高温燃气进一步排出通道，开始下一循环的填充过程。
在实现冷态增压基础上，能否实现增压燃烧的关键技术之一是实现可靠点火，这要求在转子通道内形成有利于燃烧的混气分布，且要求在点火位置充满可燃混气，如果因作用时序的变化导致通道点火位置燃料浓度降低或没有燃料分布，可以考虑在通道运动到点火位置之前在出口端设置补充燃料进口，保证点火位置附近油气比在点火要求的范围之内，补充的燃料一般不大于总流量的5％。
Claims (2)
1.一种基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子，其特征在于：包括底座(11)、波转子(17)、进口端盖(7)、出口端盖(16)、驱动电机(13)；
其中进气端盖(7)上具有进气端口(8)，该进气端口(8)由两个进口端口外侧壁面(22)和一个内圆弧壁面、一个外圆弧壁面组成，且该进气端口(8)被两个进口端口内侧壁面(23)分成了吹除空气端口(8a)、可燃混气端口(8b)、隔离空气端口(8c)，其中可燃混气端口(8b)上还安装有燃料喷嘴(14)，上述进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖(7)平面之间有夹角α(24)，且侧壁面的倾斜方向与波转子(17)旋转方向相同，该夹角α满足Vincosα＝ωR，式中Vin为进气端口气流速度，ω为波转子转动角速度，R为波转子外径；
其中出口端盖(16)上具有排气端口(15)，该排气端口由两个侧壁面和一个内圆弧壁面、一个外圆弧壁面组成，侧壁面(24)与出口端盖(16)平面之间有夹角β(26)，且侧壁面的倾斜方向与波转子(17)旋转方向相同，该角度β满足Voutcosβ＝ωR，式中Vout为排气端口气流速度，ω为波转子转动角速度，R为波转子外径，出口端盖(16)上还安装有热射流装置(18)；其中进气端盖(7)和出口端盖(16)分别安装于所述波转子(17)的前端和后端；并且通过端盖座(12)安装于所述底座(11)上；
上述波转子(17)由内向外依次包括传动轴(6)、内鼓筒(3)、外鼓筒(2)，其中传动轴(6)和内鼓筒(3)之间通过连接部件(5)连接，内鼓筒(3)和外鼓筒(2)之间通过径向插板(1)连接，其中径向插板(1)将内鼓筒(3)和外鼓筒(2)之间的空间均匀划分成转子通道(4)；上述传动轴(6)前端和后端分别穿过所述进气端盖(7)和出口端盖(16)后通过轴承座(10)安装于所述底座(11)上；
上述驱动电机(13)安装于传动轴(6)的前端；
上述进气端盖(7)和出口端盖(16)沿周向位置均可调；使得进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差可调，其中相位差满足γ/ω＝L/Va，式中L为波转子长度，Va为波转子内压缩波的传播速度，ω为波转子的转动角速度，γ进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差；
上述进气端盖(7)由外进气端盖和内进气端盖组成，所述进气端口(8)固定于外进气端盖，内进气端盖上设有与进气端口(8)对应的开口；外进气端盖和内进气端盖之间可在周向调节，使得进气端口(8)可在全部打开与1/2打开范围内可调；
上述排气端盖(16)由外排气端盖和内内气端盖组成，所述排气端口(15)固定于外排气端盖，内进气端盖上设有与排气端口(15)对应的开口；外排气端盖和内排气端盖之间可在周向调节，使得排气端口(15)可在全部打开与1/2打开范围内可调。
2.权利要求1所述的基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子的工作方法，其特征在于包括以下过程：
根据具体试验条件确定进口端口开孔角度(19)范围，使其满足θ1/ω＝λ1L/Vincosα，式中θ1为进口端口开孔角度范围，ω为波转子的转动角速度，L为波转子长度，Vin为进气端口(8)气流速度，α为进口端口外侧壁面和进口端口内侧壁面与进口端盖(7)平面之间的夹角，λ1为进口预留倍数；
根据试验系统流量确定燃料流量，气流经进气端口(8)进入，燃料经喷嘴(14)注入可燃混气端口(8b)，与气流混合形成可燃混气，并进入波转子通道(4)完成填充过程；
根据上述燃料流量和空气流量可计出理论排气速度，进而确定排气端口的开孔角度(20)范围，使其满足θ2/ω＝λ2L/Voutcosβ，式中θ2为进口端口开孔角度范围，ω为波转子的转动角速度，L为波转子长度，Vout为进气端口气流速度，β为出口端口侧壁面与端盖平面间夹角，λ2为预留倍数；
根据进气温度确定进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差(21)，使其满足γ/ω＝L/Va式中L为波转子长度，Va为波转子内压缩波的传播速度，ω为波转子的转动角速度，γ进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差(21)，转子通道在进气端盖开孔角度和排气端口开孔角度之间的相位差(21)范围内，出口端关闭，进气端继续进气，气流在出口端盖上滞止产生逆行压缩波，压缩波传播到通道左端时，通道被进口端盖(7)封闭，完成内燃波转子的预压缩过程；
热射流(18)进入波转子通道，点燃混气，混气在封闭的波转子通道(4)内完成等容燃烧过程；
燃烧过程结束后，波转子通道(4)转到出口端口处，排气端口(15)产生膨胀波，高温燃气经排气端口(15)排出波转子通道(4)；
吹除空气端口(8a)和隔离空气端口(8c)的气流将高温燃气与可燃混气隔开，防止热自燃。
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