CN106065830B - 一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，包括前管、爆震管、旋转阀、旋转阀外壳、导流块、预爆管、气动阀及喷油环；导流块安装在前管内，旋转阀和气动阀分别与导流块连接，预爆管一端位于气动阀内，喷油环安装在气动阀上；旋转阀外壳安装在旋转阀外部，旋转阀和爆震管之间形成环形通道。本发明的脉冲爆震燃烧室装置结合了旋转阀与气动阀的性能优势，通过旋转阀控制部分气流交替进入爆震管通道与环形通道，防倒流性能较好；采用旋流片作为气动阀，另一部分气流通过气动阀通道进入爆震管，提高爆震管内进气稳定性。解决了现有脉冲爆震发动机进气稳定性与防倒流性能之间的矛盾以及点火起爆的难题。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机非定常增压燃烧技术领域，具体是一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置。
背景技术
燃烧波分为爆燃波和爆震波两种形式，前者通过传热传质的方式使得未燃混气发生反应，其传播速度取决于质量扩散率与反应速率；爆震燃烧依靠激波的压缩使得未燃混气温度升高并自燃，爆震波以每秒数千米的速度传播至未燃混气。目前应用于航空航天的传统推进系统通常采用了等压燃烧模式，发动机效率很难进一步大幅提高，而爆震燃烧循环效率比等压燃烧高50%，能量释放率更快，有潜力作为下一代航空航天的高性能推进装置。与现有的涡扇发动机技术相比，脉冲爆震发动机没有压气机、涡轮等复杂转子部件，结构较为简单，可以作为独立的推进装置应用于飞行器及巡航导弹，也能与现有发动机组合作为加力动力源，广受国内外研究学者关注。
由于脉冲爆震发动机自身的工作特点，燃烧室的进口端需要周期性的打开和关闭。阀门种类主要分为气动阀式与机械阀式两大类。气动阀工作原理是利用了气流的气动特性，使得气流从正向与反向通过阀门时的流阻差异较大，实现单向阀的作用。在进气过程中，气流在爆震管内的流动处于准稳态。然而气动阀并不是完善的单向阀，在工作过程中并不能有效防止高压高温燃气倒流至发动机进口。与气动阀相比，机械阀具有良好的气密性及单向阀性能，在机械阀关闭时爆震管内的高温燃气不会倒流至进气道，影响发动机的工作过程。在各种机械阀选择中，又以旋转阀的应用较为广泛。如公开号为US6505462B2的美国专利“Rotary Valve For Pulse Detonation Engines”，提出了一种旋转阀式脉冲爆震发动机装置，该装置包括了进排气端口、脉冲爆震管、旋转阀以及传送室等结构。其中旋转阀安装在爆震管前端，有四个内部的流动通道，旋转阀转动过程中与爆震管进气孔配合，在爆震管前端周期性地形成流动通道。公开号为CN 101818704 A的中国专利“单管旋转阀式双涵道脉冲爆震发动机”，通过周期性开启与关闭旋转阀的进气孔，控制捕获气流在内外涵道切换，保持了较低的流动阻力。
从上述发明所涉及的阀门技术可以看出，在进气过程中，旋转阀的运动使得爆震管内处于非稳态流动状态，进气稳定性较差，给爆震管内燃料的掺混以及点火过程带来一定的困难。另一方面，由于旋转阀系统自身的结构复杂性，点火位置离爆震管前端较远，点火能量较低，难以在短距离快速获得爆震波，严重影响脉冲爆震燃烧室的起爆性能。因此，如何在充分利用气动阀与旋转阀的性能优势的同时，解决爆震管内点火起爆等难题，使得脉冲爆震发动机能应用于工程实际，迫切需要一种新的技术方案解决相关问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，该装置结合了旋转阀和气动阀的优点，解决现有脉冲爆震发动机进气稳定性与防倒流性能之间的矛盾以及点火起爆的难题。
为了实现上述发明目的，本发明的一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置包括前管、爆震管、旋转阀、旋转阀外壳、导流块、预爆管、气动阀及喷油环；所述导流块安装在所述前管内，所述旋转阀和气动阀分别与所述导流块连接，所述预爆管一端位于所述气动阀内，所述喷油环安装在气动阀上；所述旋转阀外壳安装在旋转阀一部分的外部，所述导流块与旋转阀通过所述旋转阀外壳连接安装，所述旋转阀位于前管和爆震管之间，所述旋转阀和爆震管之间形成环形通道。
进一步的，所述旋转阀上开设有旋转阀矩形进气槽和旋转阀扇形进气槽；所述旋转阀外壳上开设有外壳矩形进气槽、外壳扇形进气槽。
进一步的，所述导流块为扇环形体。
进一步的，所述旋转阀上开设有第一环形槽和第二环形槽，所述前管与旋转阀之间通过第一石墨环密封，所述第一石墨环嵌入所述旋转阀上的第一环形槽；所述爆震管与旋转阀之间安装第二密封石墨环，所述第二密封石墨环嵌入旋转阀上的第二环形槽。
进一步的，所述旋转阀上套装轴承组件；所述旋转阀与轴承外壳之间安装两个滚针轴承，所述两个滚针轴承之间安装内环与外环；所述旋转阀上设置台阶与挡圈，限制轴承内圈的移动范围。
进一步的，所述旋转阀上安装齿轮，通过电机实现旋转阀的转动。
进一步的，所述气动阀包括内筒、外筒和若干片旋流片，所述旋流片固定在内筒与外筒上。
进一步的，所述基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置还包括密封环、燃油喷管和导流环；所述喷油环上开设有切向孔，所述密封环固定安装在喷油环上，所述燃油喷管固定安装在密封环上，所述导流环安装在喷油环一端。
进一步的，所述预爆管包括电嘴座、氢气喷杆、氧气喷杆和螺旋线圈；所述电嘴座安装在预爆管前端，所述氢气喷杆和氧气喷杆安装在预爆管上，所述螺旋线圈安装在预爆管内。螺旋线圈用来强化火焰在预爆管内的加速过程。
进一步的，所述旋转阀具有旋转阀圆锥面，所述旋转阀圆锥面的半顶角为5°~7°。
本发明的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，为在爆震管前端点火且点火能量较大的双通道脉冲爆震燃烧室装置，其工作原理如下：旋转阀达到预定转速，来自气源的空气流从前管的前端面流入脉冲爆震燃烧室装置，旋转阀控制部分空气交替进入爆震管和环形通道；另一部分空气通过旋流片进入气动阀通道。燃油通过燃料喷杆进入喷油环，在切向孔作用下形成油膜后，通过气动阀通道的内外两股高速气流下破碎雾化，并随着气流进入爆震管。当旋转阀控制空气流入爆震管时，氢气与氧气通过喷杆充填至预爆管；当旋转阀控制空气流入环形通道，预爆管前端的电嘴放电，点燃氢气与氧气混气，在预爆管内燃烧并形成爆震射流，随后进入爆震管点燃并起爆液态燃料。由于旋转阀矩形进气槽关闭，爆震管高压燃气仅仅从气动阀通道倒流至进口，倒流流量较低。而爆震管内压力远远大于供入喷油环的油压，此时燃油供应停止。
本发明的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明所述的脉冲爆震燃烧室装置，结合了旋转阀与气动阀的性能优势，通过旋转阀控制部分气流交替进入爆震管通道与环形通道，防倒流性能较好；采用旋流片作为气动阀，另一部分气流通过气动阀通道进入爆震管，提高爆震管内进气稳定性。
2、将驱动旋转阀的动力源放置在旋转阀侧边，同时将轴承后置，使得旋转阀头部（爆震管前端）能够安装预爆管系统。预爆管采用可爆性较好的气体燃料，促进了脉冲爆震燃烧室的起爆性能。
3、喷油环安装在气动阀后，通过爆震管内的高压环境实现燃油的自适应控制。燃油在气动阀通道内的高速气流作用下雾化，并在爆震管内进一步掺混，提高了燃油的雾化与掺混性能。
附图说明
图1是本发明的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置整体结构示意图，展示了对称面剖开的状态；
图2是旋转阀结构示意图；
图3是图2的旋转阀另一个视角的结构示意图；
图4是前管与爆震管示意图；
图5是轴承组件爆炸图；
图6是图5的轴承组件另一角度的爆炸图；
图7是导流块结构示意图；
图8是图7的导流块另一视角的结构示意图；
图9是旋转阀外壳结构示意图；
图10是图9的旋转阀外壳另一视角的结构示意图；
图11是气动阀通道示意图；
图12是图11的气动阀通道另一个视角的示意图；
图13是喷油环示意图；
图14是预爆管结构示意图；
图15是图14的预爆管另一角度的结构示意图。
图中零部件编号如下：
1旋转阀，2旋转阀外壳，3导流块，4前管，5预爆管，6气动阀，7喷油环，8爆震管，9环形通道，10旋转阀矩形进气槽，11旋转阀扇形进气槽，12第一环形槽，13第二环形槽，14旋转阀圆锥面，15第一石墨环，16第二石墨环，17台阶，18挡圈，19齿轮，20轴承外壳，21a第一滚针轴承，21b第二滚针轴承，22内环，23外环，24轴承端盖，25端盖通孔，26轴承外壳螺纹孔，27注油孔，28外环凹槽，29外环孔，30导流块第一螺纹孔，31前管通孔，32外壳矩形进气槽，33外壳扇形进气槽，34导流块第二螺纹孔，35旋转阀外壳通孔，36导流块第三螺纹孔，37旋流片，38内筒，39外筒，40外筒螺纹孔，41外筒通孔，42外筒圆锥面，43环切向孔，44密封环，45燃油喷管，46导流环，47电嘴座，48a氢气喷杆，48b氧气喷杆，49螺旋线圈。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，包括前管4、爆震管8、旋转阀1、旋转阀外壳2、导流块3 、预爆管5、气动阀6及喷油环7；导流块3安装在前管4内，旋转阀1和气动阀6分别与导流块3连接，预爆管5一端位于气动阀6内，喷油环7安装在气动阀6上；旋转阀外壳2安装在旋转阀1一部分的外部，导流块3与旋转阀1通过所述旋转阀外壳2连接安装，旋转阀1位于前管4和爆震管8之间，旋转阀1和爆震管8之间形成环形通道9。
旋转阀1上开设有旋转阀矩形进气槽10和旋转阀扇形进气槽11；旋转阀1外部安装有旋转阀外壳2；所述旋转阀外壳2上开设有外壳矩形进气槽32和外壳扇形进气槽33。
旋转阀1上开设有第一环形槽12和第二环形槽13，前管4与旋转阀1之间通过第一石墨环15密封，第一石墨环15嵌入旋转阀1上的第一环形槽12；爆震管8与旋转阀1之间安装第二密封石墨环16，第二密封石墨环16嵌入旋转阀1上的第二环形槽13。由于旋转阀1是转动部件，前管4、爆震管8与旋转阀1之间的密封是通过石墨环15、16实现的。
旋转阀1上套装轴承组件；旋转阀1与轴承外壳20之间安装两个滚针轴承21a、21b，两个滚针轴承21a、21b之间安装内环22与外环23，减小了旋转阀1的径向跳动，保证了旋转阀1与前管4的同心度。旋转阀1上设置台阶17与挡圈18，限制轴承内圈的移动范围。通过轴承外壳20与轴承端盖24，限制轴承的外圈移动范围。轴承外壳20开有端盖通孔25，与轴承外壳螺纹孔26通过螺钉连接。轴承外壳20开有注油孔27，将滑油注入，通过外环凹槽28以及沿周向均布的外环孔29，滑油流入内环22与外环23之间，实现对滚针轴承21a与21b的润滑。旋转阀1上安装齿轮，通过电机实现旋转阀1的转动。
导流块3为扇环形体，导流块3设置导流块第一螺纹孔30，导流块3与前管4的通孔31通过螺钉连接。导流块3设置导流块第二螺纹孔34，旋转阀外壳2设置旋转阀外壳通孔35，导流块3和旋转阀外壳2通过螺钉连接。
气动阀6包括内筒38、外筒39和若干片旋流片37，本发明选用18片旋流片37，只是为了举例说明，并不限制旋流片的数量，旋流片37固定在内筒38与外筒39上。外筒39设置外筒螺纹孔40，外筒39与导流块第三螺纹孔36通过螺钉连接。
上述基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置还包括密封环44、燃油喷管45和导流环46；喷油环7上开设有切向孔43，密封环固定安装在喷油环7上，燃油喷管45固定安装在密封环44上，导流环46安装在喷油环7一端。
预爆管5为一圆形管道，包括电嘴座47、氢气喷杆48a、氧气喷杆48b和螺旋线圈49；电嘴座47安装在预爆管5前端，氢气喷杆48a和氧气喷杆48b安装在预爆管5上，螺旋线圈49安装在预爆管5内。螺旋线圈49用来强化火焰在预爆管5内的加速过程。该燃烧室装置的点火方式通过预爆管5实现的，预爆管5的长度一般为300mm~400mm。
旋转阀1具有旋转阀圆锥面14，旋转阀圆锥面14的半顶角为5°~7°。
本发明实施例所述的固定安装，可根据需要采用焊接或螺栓固定等方式，不限制具体的方式，只要是满足技术方案所需的强度、刚度等条件即可。例如，预爆管5与内筒38通过焊接固定，保证出口端平齐；旋流片37焊接在内筒38与外筒39的进口端；喷油环7在与密封环44和导流环46焊接固定后，通过燃油喷管45固定在外筒39上。
旋转阀控制气流交替进入双通道的具体过程是：当旋转阀矩形进气槽10与外壳矩形进气槽32重合时，旋转阀扇形进气槽11与外壳扇形进气槽33错开，气流从燃烧室进口流入爆震管8；当旋转阀扇形进气槽11与外壳扇形进气槽33重合时，旋转阀矩形进气槽10与外壳矩形进气槽32错开，气流从进口流入环形通道9。
供入燃烧室装置的燃油通过为预膜式气动雾化方式进行雾化。燃油通过燃油喷管45、切向孔43进入喷油环7与导流环46之间的腔体，在喷油环7的内表面上形成较为均匀的油膜。气流通过旋流片37后，同时流经喷油环7的内侧与外侧，油膜在内外两股高速气流作用下雾化，由于外筒圆锥面42的存在，形成渐缩通道，混气加速进入爆震管8，与来自旋转阀矩形进气槽10的气流进行二次掺混。
当气流进入爆震管8时，燃油经雾化进入爆震管8，氢气与氧气通过喷杆48a与48b充填至预爆管5；随着旋转阀转动，空气流入环形通道9，矩形进气槽10关闭，氢气氧气的混合气体被点燃，在螺旋线圈49的促进作用下，预爆管5内形成爆震射流，并进入爆震管8内起爆液态燃料，产生高温高压燃气，远远大于供油压力，这样供油停止。由于气动阀通道6的流通面积较小，且有旋流片37存在，气动阀通道6的倒流量较小。当矩形进气槽10与32开始重合时，爆震管8的压力下降，气流重新填充至爆震管8，供油与供气过程恢复，进行下一循环的工作。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (10)
1.一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，包括前管、爆震管、旋转阀、旋转阀外壳、导流块 、预爆管、气动阀及喷油环；所述导流块安装在所述前管内，所述旋转阀和气动阀分别与所述导流块连接，所述预爆管一端位于所述气动阀内，所述喷油环安装在气动阀上；所述旋转阀外壳安装在旋转阀一部分的外部，所述导流块与旋转阀通过所述旋转阀外壳连接安装，所述旋转阀位于前管和爆震管之间，所述旋转阀和爆震管之间形成环形通道。
2.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述旋转阀上开设有旋转阀矩形进气槽和旋转阀扇形进气槽；所述旋转阀外壳上开设有外壳矩形进气槽、外壳扇形进气槽。
3.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述导流块为扇环形体。
4.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述旋转阀上开设有第一环形槽和第二环形槽，所述前管与旋转阀之间通过第一石墨环密封，所述第一石墨环嵌入所述旋转阀上的第一环形槽；所述爆震管与旋转阀之间安装第二密封石墨环，所述第二密封石墨环嵌入旋转阀上的第二环形槽。
5.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述旋转阀上套装轴承组件；所述旋转阀与轴承外壳之间安装两个滚针轴承，所述两个滚针轴承之间安装内环与外环；所述旋转阀上设置台阶与挡圈。
6.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述旋转阀上安装齿轮，通过电机实现旋转阀的转动。
7.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述气动阀包括内筒、外筒和若干片旋流片，所述旋流片固定在内筒与外筒上。
8.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置还包括密封环、燃油喷管和导流环；所述喷油环上开设有切向孔，所述密封环固定安装在喷油环上，所述燃油喷管固定安装在密封环上，所述导流环安装在喷油环一端。
9.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述预爆管包括 电嘴座、氢气喷杆、氧气喷杆和螺旋线圈；所述电嘴座安装在预爆管前端，所述氢气喷杆和氧气喷杆安装在预爆管上，所述螺旋线圈安装在预爆管内。
10.根据权利要求1所述的基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置，其特征在于，所述旋转阀具有旋转阀圆锥面，所述旋转阀圆锥面的半顶角为5°~7°。
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