CN105972638B - 一种回流式脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种回流式脉冲爆震燃烧室，包括扩压机匣、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃烧室头部机匣、涡流导向器、喷油喷嘴、电火花、燃气整形室、J型回流爆震管和Shchelkin螺纹增强装置。J型回流脉冲爆震管头部进气混合段上设有轴向主进气孔和径向辅进气孔，进气混合段通过点火座与燃烧室外机匣相连；尾部排气弯段固定在燃烧室内机匣上的安装孔与燃气整形室相连，涡轮导向器安装在燃气整形室之后。本发明通过排气弯段可缩短爆震室轴向距离，利用燃烧室内外套间的容积减小爆震回传的影响，并利用排气弯段预热空气使可燃物混合更加充分，使爆震燃烧更易组织。

Description

一种回流式脉冲爆震燃烧室

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体为一种回流式脉冲爆震燃烧室。

背景技术

脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDC)是利用周期性的爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的新概念发动机，这种发动机因为具有循环热效率高，结构简单等优点而受到国内外研究人员的广泛关注。根据其是否自带氧化剂，脉冲爆震发动机可在吸气式和火箭式两种模式下工作.吸气式脉冲爆震发动机又分为基本型脉冲爆震发动机、脉冲爆震涡轮发动机和组合式脉冲爆震发动机.基本型脉冲爆震发动机主要由进气道、爆震燃烧室和尾喷管组成，高温、高速爆震燃气从爆震燃烧室经尾喷管后直接排出.与传统发动机高温燃气先经涡轮做功再经尾喷管加速排出相比，基本型脉冲爆震发动机的热利用率变低，大部分热量都耗散在环境中.为了提高热利用率，国外学者提出了脉冲爆震涡轮发动机的概念，它与基本型脉冲爆震发动机不同，主要由脉冲爆震燃烧室(PDC)、压气机和涡轮等组成，它可提高发动机循环热效率(从传统等压循环的0.27提高到爆震循环的0.49)，提高发动机单位功率，降低耗油率；并且爆震燃烧室进出口增压比可达6左右，从而减少高压部件级数，甚至替代核心机，大大减轻发动机重量，提高发动机的功重比。

然而在实际应用过程中，以碳氢燃料与空气可爆混合物的直管爆震室存在较长的爆燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称"DDT")距离，DDT长于现有发动机燃烧室，故涡轮与压气机间的轴向距离将增长，从而导致发动机整机发动过长等问题。如何有效解决爆震室轴向距离过长问题，是成功研制脉冲爆震涡轮发动机的关键技术。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：为了解决脉冲爆震燃烧室轴向距离过长难题，本发明提供一种回流式脉冲爆震燃烧室，该爆震燃烧室能够显著缩短压气机出口和涡轮进口之间的轴向距离，尤其适用于代离心压气机的发动机和轴向长度受严格限制的直升机发动机。

本发明的技术方案是：一种回流式脉冲爆震燃烧室，包括扩压机匣1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、燃烧室头部机匣4、涡流导向器6、喷油嘴8、火花塞7；还包括燃气整形室5、J型回流爆震管和Shchelkin螺纹增强装置；燃烧室头部机匣4周向均布有若干孔；若干所述J型回流爆震管置于燃烧室外机匣2和燃烧室内机匣3之间形成的腔室内，J型回流爆震首尾两端的轴线相互平行且不重合；J型回流爆震管和腔室壁之间留有空隙，形成燃烧室；每一个J型回流爆震管弯曲尾部穿过燃烧室头部机匣4上的孔与一个燃气整形室5一侧连接，燃气整形室5另一侧与涡流导向器6上游部分过盈配合，J型回流爆震管头部与燃烧室外机匣2的出气端相连，且头部的尾端开有轴向主进气孔，侧壁上开有径向辅进气孔；J型回流爆震管内设有Shchelkin螺纹增强装置；所述整形室有6个单独的圆形燃气入口，入口后不断扩张最终链接成一体呈一环形出口；高压空气经过扩压机匣1上的扩压叶片减速扩压后进入燃烧室外机匣2和燃烧室内机匣3之间的腔室后，通过主进气孔与辅进气孔进入J型回流爆震管，同时喷油嘴8将燃油喷入主进气孔，与空气混合形成均匀的可爆混合物，位于喷油嘴8下游的火花塞点燃形成爆燃，经过Shchelkin螺纹增强装置后火焰加速转变为爆震燃烧从排气弯段回转180°后传出爆震管，同时一部分气体经主辅进气孔反向流出，减小爆震回传对压气机的影响。

本发明进一步的技术方案是：所述J型回流爆震管从头部到弯曲尾部依次分为进气混合段、起爆直段和排气弯段；进气混合段通过点火座与燃烧室外机匣2相连，且进气混合段上设有轴向主进气孔和径向辅进气孔，喷油喷嘴8从轴向主进气孔伸入；尾部排气弯段固定在燃烧室内机匣3上，与燃气整形室5一侧相连，燃气整形室5另一侧与涡流导向器6相连；Shchelkin螺纹增强装置位于J型回流爆震管内起爆直段至排气弯段中部。

本发明进一步的技术方案是：当J型回流爆震管首尾两端的轴线所在平面穿过燃烧室头部机匣4底部的轴线时，若干所述J型回流爆震管的排气弯段相对分布；当首尾两端的轴线所在平面未穿过燃烧室头部机匣4底部的轴线时，若干所述J型回流爆震管的排气弯段交错分布；且当所述J型回流爆震管的排气弯段相对分布时，起爆直段与混合段之间呈10-30°的斜角。

本发明进一步的技术方案是：所述J型回流爆震管进气混合段离燃烧室外机匣(2)末端的距离为0.5-1倍的管径，排气弯段的弯曲半径为2.5-3倍管径。

本发明进一步的技术方案是：所述J型回流爆震管为6个J型回流爆震管。

本发明进一步的技术方案是：所述6个J型回流脉冲爆震管，能够同时点火工作或分时点火工作。

本发明进一步的技术方案是：所述Shchelkin螺纹增强装置为实心螺旋状结构，焊接在点火室至排气弯段之间。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出的一种回流式脉冲爆震燃烧室，有益效果包括三个方面：首先，由于爆震成J型，相比与普通爆震管可有效缩短轴向距离。其次来流空气首先经过高温的排气弯段，可以先带走部分热量降低爆震管壁温，延长爆震管使用时间，同时被加热的空气能有利于可燃物的混合和爆震起爆燃烧过程。此外回流脉冲爆震管与燃烧室内外套之间形成一定空间的容积，在爆震燃烧时产生的回传爆震波在传到压气机前会首先在容积空间里缓冲减弱，减小爆震回传对压气机的影响，从而提高爆震涡轴发动机的工作稳定性。

附图说明

图1：本发明的结构图

图2：本发明的J型回流爆震管A型的结构图。

图3：本发明的J型回流爆震管B型的结构图。

图4：燃气整形室和燃烧室机匣的结构图

图5：实施方式一爆震管分布图

图6：实施方式二爆震管分布图

图7：燃烧整形室结构示意图。

附图标记说明：1—扩压机匣，2—燃烧室外机匣，3—燃烧室内机匣，4—燃烧室头部机匣，5—燃气整形室，6—涡轮导向器，7—火花塞，8—燃油喷嘴，9—J型回流爆震管A，10—进气混合段A，11—起爆直段A，12—排气弯段A型，13—主进气孔，14—辅进气孔，15—点火孔，16—Shchelkin螺旋A，17—J型回流爆震管B，18—进气混合段B，19—起爆直段B，20—排气弯段B，21—Shchelkin螺旋B，22—点火座，23—燃油喷嘴安装座，24—排气弯段安装孔。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

1、参见图1-图7，下面结合具体实施方式描述本发明。本实施例中，燃气整形室5底端为一圆盘形，一面与涡流导向器6相连接，另一面上设有6个中空凸起，且从凸起顶端至燃气整形室5底端的内径逐渐增大，呈扩张型，最终连接成为一体，形成环形出口，凸起顶端为一圆形入口，J型回流爆震管与该入口相连接设有六个J型回流脉冲爆震管9，所有的爆震管的中心轴线沿圆周方向均匀分布，J型回流脉冲爆震管9由进气混合段10、起爆直段11和排气弯段12组成。进气混合段离燃烧室外机匣2末端的距离为0.5-1倍管径，混合段10上开有主进气孔13和辅进气孔14，主进气孔13用于轴向进油进气，辅进气孔14用于径向进气促进可燃物的混合，距离主进气孔1-1.5管径处设有火花塞安装座22，爆震管通过火花塞安装座固定在燃烧室外机匣2上。起爆直段11与混合段10之间程10-30°的斜角，起爆直段11内设有Shchelkin螺纹增强装置16，Shchelkin螺纹增强装置16一直延伸至排气弯段12中部，用于实现爆燃向爆震的转变。排气弯段12前端与起爆直段11相连，末端固定在燃烧室内机匣3上，弯段弯曲半径为2.5-3倍管径，其尾端有一0.5-1倍管径的直段，排气弯段使燃烧产物回转180°排入燃气整形室5后进入涡轮导向器6。6个J型回流脉冲爆震管，可以根据需要同时点火工作也可以分时点火工作。分时点火工作时6个爆震管依次顺序点火，从而燃烧室的工作频率为爆震管工作频率的六倍，从而提高燃烧室的工作频率。

实施方式一：

本实例中的回流式脉冲爆震燃烧室的扩压器结构1可根据压气机形式改变，在本实施方式中，在扩压器圆盘上均匀分布着15个径向三角扩压叶片，相邻三角扩压叶片间隔24°。在扩压器圆盘周向均匀分布着40个整流叶片，叶片入口与轴向成45°，出口与轴向平行。扩压器通过整流叶片与机匣链接，扩压器圆盘上开有4个螺栓孔用于固定轴承。

本实例中的回流式脉冲爆震燃烧室包含6个J型回流爆震管A型9,参见图2，每个爆震管由混合段10、起爆直段11、排气弯段12组成，爆震管的中心轴线沿圆周方向均匀分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角相同均为60°，其分布参见图2。每个爆震管的混合段10外都有轴向安装的燃油喷嘴8，燃油喷嘴8从燃烧室外机匣上伸入混合段的主进气孔13。

在本实例回流式脉冲爆震燃烧室工作时，从压气机来的高压空气首先经过扩压器扩压减速进入燃烧室，减速后的空气在燃烧末端转折180°后，从混合段10的主进气孔13与辅进气孔14进入爆震管，同时燃油喷嘴8将燃油喷入主进气孔13，与空气混合形成均匀的可爆混合物，之后充分掺混的可爆混合物填充满J型回流爆震管9，然后被火花塞7点燃形成爆燃，爆燃波经过起爆直段的爆震增强装置后强度逐渐增强，在局部形成很多高温高压点。这些高温高压点向后发展成稳定的爆震波，爆震波沿排气弯管转折180°后传出爆震管。由于爆震增压作用，J型回流爆震管9内部分燃气将从主辅进气孔反向流出，反传的气流在爆震管与燃烧室内外套间的容积空间中逐渐消弱，使得反传对压气机的影响减弱，在J型回流爆震管9内的压力降低至来流压力时，爆震管内开始重新填充可爆混合物，重复进行上述过程。六个J型回流爆震管9可以同时进行上述过程，也可以分时进行上述过程，在分时工作时6个J型回流爆震管依次顺序喷油、点火。

实施方式二：

本实例中的回流式脉冲爆震燃烧室包含6个J型回流爆震管B型17参见图3，B型相对与A型，其进气混合段18和起爆直段19间没有夹角，其排气弯段20比A型长42.9％，更有利于爆震波的形成。不同于A型爆震管，B型爆震管排气弯段20的出口安装在相邻的涡轮导向器6出口上，6管总体成交错分布，同样的B型爆震管的中心轴线沿圆周方向均匀分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角相同均为60°，其分布参见图6。

在本实例中爆震管通过交错分布，在同样的轴向距离下，爆震管总体长度增加，可以使爆震波形成的更充分，产生更大的热功率。

Claims (7)

1.一种回流式脉冲爆震燃烧室，包括扩压机匣(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内机匣(3)、燃烧室头部机匣(4)、涡流导向器(6)、喷油嘴(8)、电火花(7)；其特征在于，还包括燃气整形室(5)、J型回流爆震管和Shchelkin螺纹增强装置；燃烧室头部机匣(4)周向均布有若干孔；若干所述J型回流爆震管置于燃烧室外机匣(2)和燃烧室内机匣(3)之间形成的腔室内，J型回流爆震首尾两端的轴线相互平行且不重合；J型回流爆震管和腔室壁之间留有空隙，形成燃烧室；每一个J型回流爆震管弯曲尾部穿过燃烧室头部机匣(4)上的孔与燃气整形室(5)上的每个入口一侧连接，燃气整形室(5)另一侧与涡流导向器(6)上游部分过盈配合，J型回流爆震管头部与燃烧室外机匣(2)的出气端相连，且头部的尾端开有轴向主进气孔，侧壁上开有径向辅进气孔；J型回流爆震管内设有Shchelkin螺纹增强装置；高压空气经过扩压机匣(1)上的扩压叶片减速扩压后进入燃烧室外机匣(2)和燃烧室内机匣(3)之间的腔室后，通过主进气孔与辅进气孔进入J型回流爆震管，同时喷油嘴(8)将燃油喷入主进气孔，与空气混合形成均匀的可爆混合物，位于喷油嘴(8)下游的火花塞点燃形成爆燃，经过Shchelkin螺纹增强装置后火焰加速转变为爆震燃烧从排气弯段回转180°后传出爆震管，同时一部分气体经主辅进气孔反向流出，减小爆震回传对压气机的影响。

2.如权利要求1所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述J型回流爆震管从头部到弯曲尾部依次分为进气混合段、起爆直段和排气弯段；进气混合段通过点火座与燃烧室外机匣(2)相连，且进气混合段上设有轴向主进气孔和径向辅进气孔，喷油喷嘴(8)从轴向主进气孔伸入；尾部排气弯段固定在燃烧室内机匣(3)上，与燃气整形室(5)一侧相连，燃气整形室(5)另一侧与涡流导向器(6)相连；Shchelkin螺纹增强装置位于J型回流爆震管内起爆直段至排气弯段中部。

3.如权利要求2所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，当J型回流爆震管首尾两端的轴线所在平面穿过燃烧室头部机匣(4)底部的轴线时，若干所述J型回流爆震管的排气弯段相对分布；当首尾两端的轴线所在平面未穿过燃烧室头部机匣(4)底部的轴线时，若干所述J型回流爆震管的排气弯段交错分布；且当所述J型回流爆震管的排气弯段相对分布时，起爆直段与混合段之间呈10-30°的斜角。

4.如权利要求1或3所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述J型回流爆震管进气混合段离燃烧室外机匣(2)末端的距离为0.5-1倍的管径，排气弯段的弯曲半径为2.5-3倍管径。

5.如权利要求1所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述J型回流爆震管为6个J型回流爆震管。

6.如权利要求5所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述6个J型回流爆震管，能够同时点火工作或分时点火工作。

7.如权利要求1所述的一种回流式脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述Shchelkin螺纹增强装置为实心螺旋状结构，焊接在点火室至排气弯段之间。