CN106051821B - 一种分流式多管脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室,气流经过燃烧室前置扩压器后，一部分从爆震管头部流入爆震管，一部分从爆震管外流过，在爆震管头部有一阀片，在爆震管上有四个放气圆环，在填充状态时，头部阀片打开进气，前两个放气圆环辅助进气，加快填充速度，后两个放气圆环内有装有单向阀，在填充阶段阀门关闭。在爆震波形成传播与燃烧产物排出阶段，爆震管内气体压力高于管外，头部进气阀片关闭，排气阀门打开，一部分高压高温气体从放气圆环排出与爆震管外气流混合，另一部分从爆震管尾部排出，在燃烧室机匣内混合后排入涡轮。通过两次掺混过程，起到调节爆震室排气温度以及减缓排气对涡轮的冲击作用。

Description

一种分流式多管脉冲爆震燃烧室

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体为一种分流式多管脉冲爆震燃烧室。

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，它将爆震循环效率高、能够自增压的优势与传统燃气涡轮发动机功率提取方便的优势相结合，能够大幅度提高发动机的推重比/功重比，并降低耗油率。

然而脉冲爆震燃烧室是一个高度的非定常装置。在爆震室工作过程中，爆震室出口的气流温度从爆震燃烧时的2000+K高温与填充时几百K之间交替变化，瞬间的高温将会灼蚀涡轮叶片，爆震室出口的气流速度也从亚音速到高超音速不断变化，在涡轮上形成轴向变化的作用力，减少涡轮轴承使用寿命，与此同时周期性的爆震波将会不断产生强激波冲击涡轮，给涡轮带来许多不利影响。

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与涡轮匹配工作中，瞬态的高温对涡轮叶片的灼蚀，以及周期性的气流对涡轮的冲击等问题，本发明提供一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，通过多对爆震室进气排气的合理分配，起到调节爆震室排气温度以及减缓排气对涡轮的冲击的作用。

本发明的技术方案是：一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，包括前置扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3；还包括爆震管、Shchelkin螺纹增强装置17、头部圆形阀片、导流环12；若干所述爆震管位于燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3之间形成的环形腔室内，且若干所述爆震管沿燃烧室内机匣3轴线周向均布；爆震管从头端到尾端依次连接为进气段、点火段、爆震段a、爆震段b、爆震段c和爆震段d；爆震管内部设有Shchelkin螺纹增强装置17，从头端一直延伸至尾端；进气段设有旋流器，且旋流器内环通过燃油喷嘴14连通至燃烧室外机匣2外部；旋流器内环上设有头部圆形阀片，且该头部圆形阀片能够沿旋流器内环轴线进行轴向滑动，进气时头部圆形阀片打开，排气时头部圆形阀片关闭；点火段通过点火安装座13连通至燃烧室外机匣2外部；点火段、爆震段a、爆震段b、爆震段c和爆震段d的连接处的管壁呈梯形向外突起，梯形凸台后腰上开有气孔和爆震管壁之间的空隙形成放气环；爆震段b和爆震段c的连接处、爆震段c和爆震段d的连接处形成的放气环内部装有弹簧和头部圆形阀片，弹簧一端连接头部圆形阀片，另一端连接爆震段c；头部圆形阀片在弹簧作用下进气时，头部圆形阀片关闭；排气时，头部圆形阀片开启；导流环12为一环状片体，用于稳定爆震燃气，导流环12通过肋片一端连接在燃烧室外机匣2上，另一端焊接在爆震段d上；火花塞位于圆形点火段7上；气流经过燃烧室前置扩压器1后，一部分推开头部圆形阀片16从爆震管头部流入爆震管，一部分从放气环流入爆震管，一部分从爆震管外与燃烧室内机匣3之间的间隙流过，此时爆震管内进行喷油，当油气混合物充满整个爆震管时，喷油关闭，火花塞点火，同过Shchelkin螺纹增强装置17使火焰加速后形成爆震波，此时爆震管内压力高于管外，头部圆形阀片被顶到旋流器上处于关闭状态，气流从放气环和爆震管尾部排出；随着燃气的排出管内压力下降后，重复上述进气过程。

本发明进一步的技术方案是：所述爆震管的截面形状为扇形时，旋流器和头部圆形阀片的形状均为扇形；当爆震管的截面形状为圆形时，旋流器和头部圆形阀片的形状均为圆形。

本发明进一步的技术方案是：所述六个爆震管成环形分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角为60°。

本发明进一步的技术方案是：爆震管管壁上，点火段下游和爆震段a上游之间、爆震段a下游和爆震段b上游之间、爆震段b下游和爆震段c上游之间、爆震段c下游和爆震段d上游之间形成4个放气环，且4个放气环分别位于沿爆震管轴线距离燃油喷嘴1/3、1、1.5、3倍的管径处。

本发明进一步的技术方案是：爆震管出口与燃烧室出口间轴向距离为2-2.5倍的管径。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，通过放气环，将部分高温高压的爆震产物通过轴向不同位置排出，分段与燃烧室机匣内气体混合，可增加混合时间和空间，使燃气混合更充分并减少混合过程的压力损失。之后通过缓冲室可大大减小爆震产物的脉动性，减小爆震对涡轮的冲击和热灼蚀，等诸多由非定常燃烧排气给涡轮带来的不利影响。

附图说明

图1：一种分流式多管脉冲爆震燃烧室实施实例一结构图

图2：一种分流式多管脉冲爆震燃烧室实施实例二结构图

图3：一种分流式多管脉冲爆震燃烧室进气阶段剖面图

图4：一种分流式多管脉冲爆震燃烧室排气阶段剖面图

附图标记说明：1—前置扩压器，2—燃烧室外机匣，3—燃烧室内机匣，4—圆形爆震管，5—头部圆形旋流器，6—头部圆形进气段，7—圆形点火段，8—圆形爆震段a,9—圆形爆震段b,10—圆形爆震段c,11—圆形爆震段d，12—导流环，13—点火安装座，14—燃油喷嘴，15—导流环肋片，16—头部圆形阀片，17—Shchelkin螺纹增强装置，18—圆形阀片a，19—圆形阀片b，20—扇形爆震管，21—放气环a，22—放气环b，23—放气环c，24—放气环d，25—头部扇形旋流器，26—头部扇形进气段，27—扇形点火段，28—扇形爆震段a,29—扇形爆震段b,30—扇形爆震段c,31—扇形爆震段d，32—头部扇形阀片，33—扇形障碍物。

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4，所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，六个爆震管成环形分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角为60°，爆震管安装在燃烧室机内匣3与燃烧室外机匣2之间，进入燃烧室的气流一部份进入爆震管，一部分流经爆震管外，在爆震管尾部与脉动的高温高压爆震产物混合后排入涡轮。爆震管头部，即靠近前置扩压器1的一端的入口处成扩张型，这样可以降低入口气流速度，利于组织燃烧。入口处装有旋流器5，旋流器叶片与爆震室头部圆形进气段6内壁焊接在一起，旋流器后有一可自由运动的头部圆形阀片16，进气时阀片打开，排气时阀片关闭。喷油嘴14安装在爆震室头部，火花塞安装在喷油嘴后一倍管经处，在火花塞后设有Shchelkin螺纹增强装置17，Shchelkin螺纹增强装置17一直延伸至离爆震室尾部1.5倍管径处，用于实现爆燃向爆震的转变。在管壁上沿爆震管轴线距火花塞1/3、1、1.5、3倍管径处，分别设有放气环a21，放气环b22，放气环c23，放气环d24。前两个放气环根据爆震管内外压力变化，可排气也可进气，后两个放气环内装有阀片18、19，爆震管进气时，在弹簧作用下，阀片被弹簧顶住成关闭状态，排气时由于管内压力大于管外，在弹簧作用下，阀片被顶开成开启状态。爆震管通过放气环，将高温高压的爆震产物通过轴向不同位置排出，分段与燃烧室机匣内气体混合。爆震管出口与燃烧室出口间轴向距离为2-2.5倍管径，在燃烧室机匣内形成一缓冲空间。爆震管尾部缓冲空间处，安装导流环12，导流环12通过固定肋15连接燃烧室机匣和爆震管。

本申请中有如下两种实施方式：

实施方式一：

本实施例所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室如图一所示，包括燃烧室前置扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、燃油喷嘴14、火花塞、圆形爆震管4以及导流环12。六个爆震管成环形分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角为60°，爆震管4通过燃油供给座，点火安装座13和导流环肋片15固定在燃烧室外机匣上。在燃烧室外，靠涡轮导流叶片和压气机扩压叶片连接内外机匣2、3，导流环12为一环片状体，到稳定爆震燃气，减小掺混损失的作用，点火安装座用于安装火花塞嘴。爆震管由头部圆形进气段6、圆形点火段7、圆形爆震段a8、圆形爆震段b9、圆形爆震段c10、圆形爆震段d11组成。爆震管头部进气段6呈扩张形，长度为0.5倍管径并且装有旋流器5，旋流器内环比叶片长3-5mm，多出部分形成一中心导轨，导轨上装有0.5-1mm厚的头部圆形阀片16，头部圆形阀片16可沿中心导轨轴向滑动。如图3所示当爆震管进气时，滑片被顶向导轨后端；如图4所示当爆震管排气时，管内压力大于管外，滑片·6被顶回到旋流器叶片处，此时爆震管头部封闭。旋流器内环通过燃油喷嘴14与燃烧室外机匣2连接。点火段7呈圆筒形状，长度为0.5-1倍管径，与进气段6之间通过焊接相连，火花塞安装在点火段7中间位置的爆震管壁上。爆震段a8主体为一圆筒，总长为2/3倍管径，圆筒前端外壁呈梯形凸台形式，梯形凸台高为1/15倍管径、上底长1/15倍管径、前腰与底边夹角为60°、后腰与底边夹角为45°，梯形凸台前腰底部端焊接在点火段尾部上游1/10倍管径处，使点火段与爆震管段a8在圆壁上形成一条环形细缝，在梯形凸台后腰上开有若干小孔，环形细缝和带有放气孔的梯形凸台形成放气环爆震管内气体可经放气环a21自由进出。爆震段b9总长为1倍管径，其前端与爆震段a8前端结构一样，同样的爆震段b9前端焊接在爆震段a8尾部上游1/10倍管径处，形成放气环b22。爆震段b9尾部呈向内凹1.5mm长4mm的环形平台。爆震段c10总长为1.3倍管径，其前端与爆震段a8前端相似，不同在于在梯形凸台前腰处开有4个压力平衡小孔，爆震段c10前端焊接在爆震段b11尾部上游1/10倍管径处，形成放气环c23，放气环c23内装有弹簧和阀片18，阀片18可沿爆震段b9尾部环形平台自由移动。爆震段d11总长2.5-3倍管径，其前端与爆震段c10前端一样，同样的组成放气环d24，爆震段d11尾部程收缩形式，用来降低爆震室内填充气体速度，有利于组织爆震燃烧，出口直径为管径的1/2倍。参见图3，在爆震管填充新鲜可爆混合物时，管内压力略小于管外，阀片18、19通过弹簧顶住排气孔，使管外气体不能通过放气环c23，d24进入爆震管。参见图4所示当爆震管内可爆混合物起爆后，管内压力升高，阀片18、19在管内外压差作用下被推开，高温高压燃气通过排气孔向管外排出，随着爆震波向外传播，爆震管内压力逐渐降低，当内外压差不足以抵挡弹簧作用力时，阀片18、19再次顶住排气孔。之后爆震管重新填充可爆混合物，开始下一个循环。在点火段后的爆震管内设有Shchelkin螺纹增强装置17，Shchelkin螺纹增强装置17一直延伸至离爆震段d11的收缩段前。

导流环12通过肋片15一端连接在燃烧室外机匣2上，一端焊接在爆震管尾部11。导流环12呈收缩喷管型，平段长0.7-1倍爆震管直径，导流环12直径是爆震管直径的2-2.5倍。

实施方式二：

作为本发明的第二种实施方式，参见图2，将圆形爆震管4替换为扇形爆震管20。扇形爆震管20对应的圆心角为45°，内圆弧半径为燃烧室内机匣3半径的1.25倍，外圆弧半径为燃烧室外机匣2的7/8。点火座在点火段的外圆弧上。扇形爆震管20同样由头部扇形进气段26、扇形点火段27、扇形爆震段a28、扇形爆震段b29、扇形爆震段c30、扇形爆震段d31组成。扇形爆震管20上使用的阀片32也为扇形，爆震增强装置改为为扇形障碍物33，扇形爆震管工作方式同实施方式一中圆形爆震爆震管相同。

在本实施方式中通过将爆震管由圆形改为扇形，可以使分流式多管脉冲爆震燃烧室的结构更紧凑，增大燃烧室的容热强度，使发动机可以获得更大的推力/功率。

Claims (5)

1.一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，包括前置扩压器(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内机匣(3)；其特征在于，还包括爆震管、Shchelkin螺纹增强装置(17)、头部圆形阀片、导流环(12)；若干所述爆震管位于燃烧室外机匣(2)、燃烧室内机匣(3)之间形成的环形腔室内，且若干所述爆震管沿燃烧室内机匣(3)轴线周向均布；爆震管从头端到尾端依次连接为进气段、点火段、爆震段a、爆震段b、爆震段c和爆震段d；爆震管内部设有Shchelkin螺纹增强装置(17)，从头端一直延伸至尾端；进气段设有旋流器，且旋流器内环通过燃油喷嘴(14)连通至燃烧室外机匣(2)外部；旋流器内环上设有头部阀片，且该头部阀片能够沿旋流器内环轴线进行轴向滑动，进气时头部圆形阀片打开，排气时头部圆形阀片关闭；点火段通过点火安装座(13)连通至燃烧室外机匣(2)外部点火段、爆震段a、爆震段b、爆震段c和爆震段d的连接处的管壁呈梯形向外突起，梯形凸台后腰上开有气孔和爆震管壁之间的空隙形成放气环；爆震段b和爆震段c的连接处、爆震段c和爆震段d的连接处形成的放气环内部装有弹簧和头部圆形阀片，弹簧一端连接头部圆形阀片，另一端连接爆震段c；头部圆形阀片在弹簧作用下进气时，头部圆形阀片关闭；排气时，头部圆形阀片开启；导流环(12)为一环状片体，用于稳定爆震燃气，导流环(12)通过肋片一端连接在燃烧室外机匣(2)上，另一端焊接在爆震段d上；火花塞位于圆形点火段(7)上；气流经过燃烧室前置扩压器(1)后，一部分推开头部圆形阀片从爆震管头部流入爆震管，一部分从放气环流入爆震管，一部分从爆震管外与燃烧室内机匣(3)之间的间隙流过，此时爆震管内进行喷油，当油气混合物充满整个爆震管时，喷油关闭，火花塞点火，通过Shchelkin螺纹增强装置(17)使火焰加速后形成爆震波，此时爆震管内压力高于管外压力，头部圆形阀片被顶到旋流器上处于关闭状态，气流从放气环和爆震管尾部排出；随着燃气的排出管内压力下降后，重复上述进气过程。

2.如权利要求1所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述爆震管的截面形状为扇形时，旋流器和头部圆形阀片的形状均为扇形；当爆震管的截面形状为圆形时，旋流器和头部圆形阀片的形状均为圆形。

3.如权利要求1所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于，六个所述爆震管成环形分布，相邻的两个爆震管中心轴线的圆心角为60°。

4.如权利要求1所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于，爆震管管壁上，点火段下游和爆震段a上游之间、爆震段a下游和爆震段b上游之间、爆震段b下游和爆震段c上游之间、爆震段c下游和爆震段d上游之间形成4个放气环，且4个放气环分别位于沿爆震管轴线距离燃油喷嘴1/3、1、1.5、3倍的管径处。

5.如权利要求1所述的一种分流式多管脉冲爆震燃烧室，其特征在于：爆震管出口与燃烧室出口间轴向距离为2-2.5倍的管径。