CN103953459B

CN103953459B - 一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法

Info

Publication number: CN103953459B
Application number: CN201410169700.3A
Authority: CN
Inventors: 范玮; 张启斌; 王可; 鲁唯
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: CN103953459A

Abstract

本发明提出一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，包括燃料及氧化剂供给系统及谐振腔装置和控制方法。燃料及氧化剂供给系统包括高压气瓶、截止阀、过滤器、压力表、减压器、节流阀和电控阀；谐振腔是一端封闭的圆管状装置，腔体上开有火花塞安装孔、压力测量孔及进气孔。通过控制减压器、节流阀开闭和谐振腔腔体结构，将燃料和氧化剂的供给压力、当量比、填充位置和填充角度控制在合适范围内，便可在谐振腔中较短距离内获得高频爆震波。本发明提出的短距起爆高频爆震波装置及其控制方法对脉冲爆震发动机的工程应用具有重要意义，可以有效提高发动机工作频率进而增大其推力，同时可缩短发动机长度。

Description

一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，是一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法。

背景技术

脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngine，简称PDE)是一种利用间歇式爆震波产生推力的新概念发动机。根据是否白带氧化剂，脉冲爆震发动机可分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。由于PDE具有热效率高、结构简单、重量轻等潜在优点，近年来，很多国家均在积极开展相关研究。

虽然PDE相对于现有的推进系统具有很大的潜在优势，但是要把这些潜在的优势变成现实，尚面临许多挑战和难题。其中一个关键难题就是如何实现PDE的高频工作。提PDE的工作频率不仅可以减少机身振动，延长其使用寿命，还可以有效提高发动机的推力，所以实现PDE的高频工作是爆震发动机研究领域的难点，也是将爆震发动机向工程实际应用推进的瓶颈技术之一。

谐振腔是一种脉动燃烧器，在发生脉动燃烧时其腔体内存在两个激励过程：燃烧在某种条件下激发谐振腔中的声学脉动；反过来，声学脉动改变燃烧的特性，使燃烧更加剧烈。脉动燃烧过程是周期性的，而且本身的频率较高，可用来提高PDE的工作频率。

发明内容

缩短脉冲爆震发动机长度和提高其工作频率是实现脉冲爆震发动机工程应用的两个关键问题，为了解决脉冲爆震发动机的短距高频起爆的难题，本发明提出一种短距起爆高频爆震波装置及其控制方法，包括燃料及氧化剂供给系统及谐振腔的装置和控制方法。按本发明中表述的正确操作步骤，控制调节燃料和氧化剂的供给压力、当量比及可燃混合物的填充位置和填充角度，便可在谐振腔中较短距离内获得高频爆震波。

本发明的技术方案为：

一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，包括燃料和氧化剂供给系统及谐振腔装置。如图1所示：燃料和氧化剂供给系统包括高压气瓶(1-1)、高压气瓶(2-1)、截止阀(1-2)、截止阀(2-2)、过滤器(1-3)、过滤器(2-3)、压力表(1-41)、压力表(1-42)、压力表(2-41)、压力表(2-42)、减压器(1-5)、减压器(2-5)、节流阀(1-6)、节流阀(2-6)、电控阀(1-7)、电控阀(2-7)，各个零件按照图1中所标示的顺序连接成为氧化剂和燃料两套供给系统；高压气瓶(1-1)和高压气瓶(2-1)分别用来储存高压的燃料和氧化剂；截止阀(1-2)和截止阀(2-2)分别用来控制燃料和氧化剂气瓶开闭；过滤器(1-3)和过滤器(2-3)分别用来净化燃料和氧化剂；压力表(1-41)和压力表(2-41)分别用来读取燃料和氧化剂的气源压力，压力表(1-42)和压力表(2-42)分别用来读取燃料和氧化剂的供给压力；减压阀(1-5)和减压阀(2-5)分别用来调节燃料和氧化剂的供给压力；节流阀(1-6)和节流阀(2-6)分别用来调节燃料和氧化剂的供给流量，进一步调节可燃混气的当量比；电控阀(1-7)和(2-7)分别用来实现对燃料和氧化剂两路供给系统的远程控制；燃料和氧化剂经混合后供入谐振腔(8)；谐振腔(8)是高频爆震波产生的场所。如图2所示，谐振腔(8)是一端封闭的管状装置，其内径为20mm，总长为390mm；腔内没有爆震增强装置。从封闭端到开口端，在腔体上依次开有压力测量孔(p₁)、压力测量孔(p₂)、压力测量孔(p₃)、压力测量孔(_p4)、火花塞安装孔(spark)和进气孔(inlet)。其中，压力测量孔(p₁)、压力测量孔(p₂)、压力测量孔(p₃)和压力测量孔(_p4)可安装压力传感器，测量爆震过程中各测点处的压力值，并以此判断是否形成爆震波；进气孔(inlet)位于距谐振腔开口端1/3管长处，进气孔(inlet)的轴线方向与腔体轴线方向的夹角大约在15°～45°之间，进气方向为从开口端朝向封闭端；火花塞安装孔(spark)可安装火花塞，用来点火，点火能量小于50mJ。

一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，控制方法可具体表述为：先向谐振腔内填充燃料和氧化剂，再用火花塞进行一次点火，则谐振腔内产生爆震波；其后连续向谐振腔内供入燃料和氧化剂，由于爆震波向谐振腔封闭端传播，在封闭端形成一个高温高压区，可燃混合物被谐振腔内封闭端的高温高压产物点燃，即不再需要火花塞，谐振腔中可通过自适应点火实现长时间稳定工作；由于爆震波产生后，谐振腔内压力高于供给压力，使得供给过程暂时中断，但随着爆震波过后排气过程的进行，谐振腔内压力下降，当低于燃料和氧化剂的供给压力时，燃料和氧化剂再次供入谐振腔，即谐振腔中新鲜可燃混气的高频供给可通过自适应过程来实现，无需专用阀门控制；与传统爆震发动机相比，谐振腔实现高频爆震不需要隔离过程。

采用本发明提供的短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，合适压力的新鲜可燃混气从进气孔(inlet)进入谐振腔，进气孔位于距谐振腔开口端1/3管长处，且方向为从开口端朝向封闭端，由于谐振腔的几何结构和湍流火焰与供给激励的相互作用，谐振腔内在没有任何爆震增强装置的情况下可实现爆震波的短距起爆，在本专利实施例1中，由实验波形可以看出：在距点火位置朝向封闭端60mm处已经成功起爆爆震波；谐振腔内产生爆震波后压力迅速升高，高于新鲜可燃混气供给压力，使得新鲜可燃混气供给暂时中断，此后随着燃烧产物的排出，腔体内压力下降，当低于新鲜可燃混气供给压力时，新鲜可燃混气重新供入，可以实现白适应高频供给；新鲜可燃混气进入谐振腔后第一次由火花塞点燃，产生爆震波后混气供给中断，腔体中压力下降后再进入谐振腔中的新鲜混气均靠与前一循环的燃烧产物接触点燃，可以实现自适应点火且不需要隔离过程。

采用本发明提供的短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，可以省去爆震发动机的高频供给阀门系统、隔离供应系统和爆震增强装置，进而大大缩短脉冲爆震发动机的长度，简化爆震发动机结构，并提高脉冲爆震发动机的工作频率，最终增加发动机推力、延长发动机使用寿命，对于脉冲爆震发动机的工程实际应用具有重要的意义。

附图说明

附图1：燃料及氧化剂供给系统结构示意图

附图2：谐振腔腔体结构示意图

附图3：实施例1中谐振腔内压力波形图

以上图中，(1-1)为高压燃料气瓶；(2-1)为高压氧化剂气瓶；(1-2)和(2-2)为截止阀；(1-3)和(2-3)为过滤器；(1-41)、(1-42)、(2-41)和(2-42)为压力表；(1-5)和(2-5)为减压器；(1-6)和(2-6)为节流阀；(1-7)和(2-7)为电控阀；(8)为谐振腔；(spark)为火花塞安装孔；(p₁)、(p₂)、(p₃)和(p₄)为压力传感器；(inlet)为进气孔。

具体实施方式

现结合具体实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种短距起爆高频爆震波的装置及其控制方法，包括燃料及氧化剂供给系统及谐振腔装置和控制方法。如图1所示，燃料及氧化剂供给系统包括高压气瓶(1-1)、高压气瓶(2-1)、截止阀(1-2)、截止阀(2-2)、过滤器(1-3)、过滤器(2-3)、压力表(1-41)、压力表(1-42)、压力表(2-41)、压力表(2-42)、减压阀(1-5)、减压阀(2-5)、节流阀(1-6)、节流阀(2-6)、电控阀(1-7)、电控阀(2-7)和谐振腔(8)；各个部件按照如图1所示顺序连接。高压气瓶(1-1)和高压气瓶(2-1)分别用来储存高压的燃料和氧化剂；截止阀(1-2)和截止阀(2-2)分别用来控制燃料和氧化剂气瓶开闭；过滤器(1-3)和过滤器(2-3)分别用来净化燃料和氧化剂；压力表(1-41)和压力表(2-41)分别用来读取燃料和氧化剂的气源压力，压力表(1-42)和压力表(2-42)分别用来读取燃料和氧化剂的供给压力；减压阀(1-5)和减压阀(2-5)分别用来调节燃料和氧化剂的供给压力；节流阀(1-6)和节流阀(2-6)分别用来调节燃料和氧化剂的供给流量，进一步调节可燃混气的当量比；电控阀(1-7)和(2-7)分别用来实现对燃料和氧化剂两路供给系统的远程控制；谐振腔(8)是高频爆震波产生的场所。如图2所示，谐振腔(8)是一端封闭的管状装置，其内径20mm，总长390mm。从封闭端到开口端，在腔体上依次开有压力测量孔(p₁)、压力测量孔(p₂)、压力测量孔(p₃)、压力测量孔(p₄)、火花塞安装孔(spark)和进气孔(inlet)。其中，压力测量孔(p₁)、压力测量孔(p₂)、压力测量孔(p₃)和压力测量孔(p₄)可安装压力传感器，测量爆震过程中各测点处的压力值，并以此判断是否形成爆震波；进气孔(inlet)的方向与腔体轴线方向的夹角大约在15°～45°之间，进气方向从开口端朝向封闭端；火花塞安装孔(spark)可安装火花塞，用来点火，点火能量小于50mJ，点火后谐振腔(8)内产生缓燃波，缓燃波经一段距离后发展为爆震波，产生高频爆震波后，谐振腔(8)封闭端残留的高温燃烧产物可实现自点火，不再需要火花塞进行点火。

实施例1如图1所示，检查管路气密性和装置完好性，在确认没有故障的情况下打开高压气瓶(1-1)、高压气瓶(2-1)之后的截止阀(1-2)、截止阀(2-2)；一定压力的新鲜可燃混气从高压气瓶供出，依次经过截止阀、过滤器、气源压力表、减压器、供给压力表、节流阀和电控阀，从谐振腔进气孔(inlet)进入腔体；读取(1-41)、压力表(2-41)读数，在确认气源压力正常后，调整减压器(1-5)、减压器(2-5)，参照压力表(1-42)、压力表(2-42)的读数，将燃料和氧化剂的供给压力调整到合适的范围(0.5～1.5MPa)；调整节流阀(1-6)、节流阀(2-6)使燃料和氧化剂的供给比例，即当量比在合适的范围(0.5～1.5)；先开启火花塞开关，火花塞于(spark)处点火，点火能量小于50mJ，后开启电控阀(1-7)、电控阀(2-7)使燃料氧化剂供给开始，新鲜可燃混气流向谐振腔(8)封闭端，点火后谐振腔(8)内产生缓燃波，缓燃波经一段距离后发展为爆震波；谐振腔内稳定爆震1s，通过压力传感器(p₁)、传感器(p₂)、传感器(p₃)和传感器(p₄)测量腔体内压力变化；测量完毕，依次关闭电控阀(1-7)、电控阀(2-7)、火花塞和截止阀(1-2)、截止阀(2-2)，谐振腔(8)中停止爆震。谐振腔(8)中稳定工作后压力波形如图3所示，从图中可以看出p₁、p₂处压力较高，峰值压力均在2MPa以上，p₃处大部分和p₄处一部分压力峰值甚至超过3MPa。由于本实施例中使用乙烯作燃料，使用体积分数分别为60％和40％的氮氧混合物作氧化剂，利用C-J爆震波理论计算得到的爆震波压力约为2.3MPa，所以可断定在腔体内p₁～p₄位置处已产生爆震波，其中p₄处距离火花塞(spark)最近，大约为60mm距离，是目前已知的最短爆震波起爆距离，所以本发明可以有效缩短传统爆震发动机的机身长度；产生爆震波后腔体内压力迅速升高，高于混合气供给压力，使得混合气供给暂时中断，此后随着燃烧产物的排出，腔体内压力下降，当腔体内压力低于新鲜可燃混气供给压力时，可燃混气重新供入，腔体内实现新鲜可燃混气的自适应高频供给，不需要专用阀门控制；进入谐振腔腔体中的新鲜可燃混气通过与前一循环产生的高温高压燃烧产物接触，实现自适应点火，不再需要火花塞点火；高压新鲜可燃混气持续稳定供给，谐振腔内即产生连续的高频爆震波，从图3中可以看出p₁～p₄处的压力峰值频率基本达到100Hz。理论上，调整谐振腔结构可以获得1000Hz以上的高频爆震波，远高于已知的各种脉冲爆震发动机的工作频率。由此，采用本发明提供的方法，在谐振腔中获得了短距起爆的连续高频爆震波。

Claims

1.一种短距起爆高频爆震波的装置，包括燃料和氧化剂供给系统及谐振腔装置，其特征在于：燃料供给系统包括第一高压气瓶(1-1)、第一截止阀(1-2)、第一过滤器(1-3)、第一压力表(1-41)、第一减压器(1-5)、第二压力表(1-42)、第一节流阀(1-6)、第一电控阀(1-7)，各零件按照上述前后顺序依次连接；氧化剂供给系统包括第二高压气瓶(2-1)、第二截止阀(2-2)、第二过滤器(2-3)、第三压力表(2-41)、第二减压器(2-5)、第四压力表(2-42)、第二节流阀(2-6)、第二电控阀(2-7)，各零件按照上述前后顺序依次连接；燃料和氧化剂经混合后供入谐振腔(8)；谐振腔(8)是一端封闭的圆管状装置，在腔体上从封闭端到开口端依次开有第一压力测量孔(p₁)、第二压力测量孔(p₂)、第三压力测量孔(p₃)、第四压力测量孔(p₄)、火花塞安装孔(spark)和进气孔(inlet)；火花塞安装孔(spark)位于进气孔(inlet)和谐振腔(8)开口端之间；进气孔(inlet)位于距谐振腔(8)开口端1/3管长处，进气孔(inlet)轴线方向与谐振腔(8)轴线方向之间的夹角为15°～45°，且进气方向为从开口端朝向封闭端。

2.如权利要求1所述的一种短距起爆高频爆震波的装置，其特征在于：谐振腔内没有爆震增强装置，短距起爆高频爆震波的实现仅依赖于腔体结构和湍流火焰与供给激励的相互作用。

3.如权利要求1所述的一种短距起爆高频爆震波的装置的控制方法，该控制方法的特征在于：向谐振腔内填充燃料和氧化物后，用火花塞进行一次点火，谐振腔内产生爆震波；爆震波向谐振腔封闭端传播，在封闭端形成一个高温高压区；连续向谐振腔内供入燃料和氧化剂，可燃混合物被谐振腔内封闭端的高温高压产物点燃，即不再需要火花塞，谐振腔中可通过自适应点火实现长时间稳定工作。

4.如权利要求1所述的一种短距起爆高频爆震波的装置的控制方法，该控制方法的特征在于：与传统爆震发动机相比，谐振腔实现高频爆震不需要隔离过程。

5.如权利要求1所述的一种短距起爆高频爆震波的装置的控制方法，该控制方法的特征在于：向谐振腔内填充燃料和氧化物后，用火花塞进行一次点火，谐振腔内产生爆震波；爆震波产生后，谐振腔内压力高于供给压力，使得供给过程暂时中断；随着排气过程的进行，谐振腔内压力下降，当低于燃料和氧化剂的供给压力时，燃料和氧化剂再次供入谐振腔，即谐振腔中新鲜可燃混气的高频供给可通过自适应过程来实现，无需专用阀门控制。