CN106124217A - 一种单通道内燃波转子实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单通道内燃波转子实验装置，包括闸阀支架、闸阀、波转子通道、微调移动平台、水冷系统及管路系统；利用微调移动平台调节波转子通道端面与闸阀平面之间的间隙，可以精确控制、研究泄露间隙对内按波转子点火及燃烧特性的影响。本发明主要应用新型非定常燃烧装置—内燃波转子的基础科学研究。

Description

一种单通道内燃波转子实验装置

技术领域

本发明属于新概念非定常燃烧技术领域，具体指代一种基于等效作用时序和泄露间隙控制的单通道内燃波转子实验装置。

背景技术

内燃波转子是一中基于非定常燃烧的增压燃烧装置，可以在不增加涡轮进口温度的前提下，通过增加涡轮进口压力达到实现推进系统性能大幅度提高的目的，而且由于多个波转子通道顺序工作，可以实现进去口近似稳定均匀的流动状态，另外它还具有低排放、结构简单等一系列优势动力装置的燃烧室。正因为如此，内燃波转子技术近年来获得了国内外学者的广泛研究。如美国专利申请号为09/558704，名称为"Wave Rotor DetonationEngine"，提出了一种采用爆震燃烧模式的内燃波转子装置，该装置包括进排气端口、点火装置以及波转子等结构，其中进口端口沿周向分成若干区域，每个区域通入不同种类及成分的气体，使燃料在波转子通道内呈层状分布，以满足组织燃烧的要求；美国专利申请号为09/899801，名称为"Partitioned multi-channel combustor"中，将波转子进口端口同时沿周向和径向进行分割，可以更精确地控制波转子通道内的油气分布；美国专利申请号为12/625181，名称为"Constant Volume Combustor Having a Rotating Wave Rotor"，提出了一种利用脉冲爆震原理和波转子技术的压力波装置，该装置主要包括进排气端口和具有多个通道的波转子，该装置的特点在于可以旋转波转子形成内燃波转子发动机，同时也可以固定波转子，而通过定位销将开有端口的端盖与转轴连接形成旋转阀式非定常燃烧装置。

需要指出的是，作为新概念的燃烧技术，内燃波转子相关技术尚不成熟，如国内外对其非定常流动与燃烧机制掌握，点火问题、泄露对其总体性能影响等问题有待深入研究，缺乏展开基础研究的有力工具等。目前国内外的研究结果大多只是在理论上验证了内燃波转子方案可行性及其提高推进系统性能的潜在优势，所提出的发明也多体现在内燃波转子的总体方案上，要开展基础理论和关键技术研究，迫切需要一些更具体更有针对性的装置装置，如中国专利申请号为CN201410605584.5，名称为“一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置”，提出了一种包含两通道的简化内按波转子装置，其特点在于波转子通道可以旋转也可以精致，保证在模拟内燃波转子工作时序的情况下，减少了研究的复杂性。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单通道内燃波转子实验装置，以解决现有技术中内燃波转子结构复杂型对其基础理论和关键技术研究带来的复杂性的问题。

为达到上述目的，本发明的一种单通道内燃波转子实验装置，包括：闸阀支架、闸阀、波转子通道、微调移动平台、水冷系统及管路系统，其中：

闸阀支架上设置闸阀槽，闸阀槽侧壁设置滚珠槽，闸阀上正反面分别开有凹槽，闸阀通过凹槽与滚珠接触，安装在闸阀支架上，顶梁在闸阀安装进闸阀槽后通过螺钉与闸阀支架链接，闸阀支架和顶梁上布置凸台，其限制闸阀的移动行程，闸阀上方设置挂钉，铁丝绳固定于挂钉上，铁丝绳另一端穿过顶梁中心孔，用于悬挂闸阀；闸阀上还开有矩形孔，矩形孔周围均匀布置四个螺纹孔，用于安装移动滑块，移动滑块中心处开有射流孔，移动滑块随闸阀下落过程中，由射流喷管产生的热射流经过射流孔进入波转子通道点火；

波转子通道是一扇形直通道，通道两端分别焊接第一法兰和第二法兰，波转子通道内弧面焊接两个连接架，连接架另一端通过螺钉与微调移动平台连接；

水冷系统包括：水腔、冷却水进口和冷却水出口，水腔位于闸阀内部；

管路系统包括：连接管道、快速阀、真空泵、循环泵、真空表，各部分通过连接管道相连接，该管道系统通过连接管道与上述波转子通道相连接。

优选地，所述的微调移动平台包括连接器、平台及螺旋杆。

优选地，所述的移动滑块可拆换，根据不同的作用时序，选择不同的射流孔，选择依据为：

$\mathrm{\τ}=\frac{\left(\sqrt{2g(d+s+D)}\right)-\sqrt{2gs}}{g},$

其中D为喷管出口直径，d为移动滑块的射流孔尺寸，s为初始状态射流孔下边缘距射流喷管出口上边缘距离，τ为射流进入波转子通道持续时间。

优选地，所述的波转子通道上的第一法兰端面及闸阀上与之相邻的面均具有较高的平整度，且要求通过调节微调移动平台，实现这两个面的紧密、平行接触，并将此位置螺旋杆上的读数标定为零刻度。

优选地，所述的闸阀支架上的滚珠槽中心距闸阀槽边缘距离为0.5mm，滚珠在滚珠槽内转动。

本发明将完整的内燃波转子结构进行简化，简化后试验系统只包含一个静止的波转子通道，波转子通道固定在微调移动平台上，通过微调移动平台可以调节波转子通道端面和闸阀之间的间隙，即内燃波转子的泄露间隙，为了实现内燃波转子工作过程的旋转工作时序，针对点火及燃烧过程，主要是热射流进入波转子通道的时间及渐开闭过程，闸阀上设置移动滑块，移动滑块随闸阀下降过程，热射流经过移动滑块上的射流孔，相对于波转子通道，依次经历封闭—逐渐打开—持续进入—逐渐关闭的过程。

当内燃波转子作用时序(波转子转速)改变时，可以通过选择具有不同尺寸射流孔的移动滑块，来模拟相应的作用时序。

本发明的有益效果：

1、本发明所涉及实验系统仅还有一个波转子通道，结构简单，方便操作。

2、本发明所涉及的波转子通道静止，波转子旋转的作用时序采用闸阀的平移运动替代，大大增加了系统的工作稳定性及安全性。

3、本发明所涉及移动滑块可拆换，可以根据需要模拟不同的作用时序。

4、本发明的所涉及的泄露间隙，通过微调移动平台来调节，可调节范围广，调节精度更高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为简化内燃波转子实验装置工作示意图；

图3为闸阀支架结构第一示意图；

图4为闸阀支架结构第二示意图；

图5为图4的A部放大图；

图6为闸阀结构示意图；

图7为移动滑块结构示意图；

图8为闸阀与闸阀支架装配结构示意图；

图9为微调移动平台结构示意图；

图中：1闸阀支架，2闸阀，3波转子通道，4微调移动平台，5水冷系统，5a水腔，5b冷却水进口，5c冷却水出口，6管路系统，7闸阀槽，8滚珠槽，9凹槽，10滚珠，11顶梁，12凸台，13挂钉，14铁丝绳，15中心孔，16矩形孔，17螺纹孔，18移动滑块，19射流孔，20射流喷管，21第一法兰，22第二法兰，23连接架，24连接器，25平台，26螺旋杆，27连接管道，28快速阀，28a快速阀K₁，28b快速阀K₂，28c快速阀K₃，28d快速阀K₄，28e快速阀K₅，29真空泵，30循环泵，31真空表，32射流孔尺寸，33滚珠槽尺寸，34盖板，35橡胶垫片。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1至图9所示，本发明的一种单通道内燃波转子实验装置，包括：闸阀支架1、闸阀2、波转子通道3、微调移动平台4、水冷系统5及管路系统6，其中：

闸阀支架1上设置闸阀槽7，闸阀槽7侧壁设置滚珠槽8，闸阀2上正反面分别开有凹槽9，闸阀2通过凹槽9与滚珠10接触，安装在闸阀支架1上，顶梁11在闸阀2安装进闸阀槽7后通过螺钉与闸阀支架1链接，闸阀支架1和顶梁11上布置凸台12，用于限制闸阀2的移动行程，闸阀2上方设置挂钉13，铁丝绳14固定于挂钉13上，铁丝绳14另一端穿过顶梁中心孔15，用于悬挂闸阀2；闸阀2上还开有矩形孔16，矩形孔16周围均匀布置四个螺纹孔17，用于安装移动滑块18；移动滑块18中心处开有射流孔19，移动滑块18随闸阀2下 落过程中，由射流喷管20产生的热射流经过射流孔19进入波转子通道3点火。

波转子通道3是一扇形直通道，通道两端分别焊接第一法兰21和第二法兰22，波转子通道3内弧面焊接两个连接架23，连接架23另一端通过螺钉与微调移动平台4连接，其中微调移动平台4为市场商品，微调移动平台4包括连接器24、平台25及螺旋杆26。

水冷系统5包括水腔5a、冷却水进口5b和冷却水出口5c，水腔5a位于闸阀2内部，冷却水循环保证闸阀2在热射流的作用下，不会出现热变形。

管路系统包括6：连接管道27、快速阀28、真空泵29、循环泵30、真空表31，各部分通过连接管道27相连接，该管道系统通过连接管道27与上述波转子通道3相连接。

应用该装置时，首先将连接架23通过螺钉与微调移动平台4紧固，同时微调移动平台4与闸阀支架1紧固。波转子通道3与连接架23之间采用焊接连接，焊接时须保证第一法兰21一端靠近闸阀2，且保证通过调节螺旋杆26，可以使第一法兰21端面与闸阀2一面平行紧密接触。滚珠10安装在滚珠槽8内，滚珠槽尺寸33，L＝d_ball+0.5mm，确保滚珠10在滚珠槽8内运动而不会发生脱落，为保证滚珠10正常转动，滚珠10安装后需往滚珠槽8内滴注润滑油。闸阀2安装在闸阀槽7内，此时闸阀槽7上的凹槽9与滚珠10接触。闸阀2安装好之后，将顶梁11安装在闸阀支架1上，顶梁11与闸阀支架1上设有凸台12，用来限制闸阀2的行程。铁丝绳14一端固定在挂钉13上，另一端穿过顶梁11上的中心孔15。

实验前需要先选择合适的移动滑块18，即射流孔尺寸32，具体为保证热射流通过射流孔19进入波转子通道3的时间与实际情况下波转子通道3旋转过热射流所在位置的时间相等，即保证作用时序等效，有：

$\mathrm{\τ}=\frac{\left(\sqrt{2g(d+s+D)}\right)-\sqrt{2gs}}{g}=60(\frac{2\mathrm{\π}r}{N}+D)/2\mathrm{\π}r\mathrm{\ω}$

其中，D为射流喷管20出口直径，d为移动滑块18的射流孔尺寸32，s为初始状态射流孔19下边缘距射流喷管20出口上边缘距离，τ为射流进入波转子通道3持续时间，r为波转子通道3中径面半径，N为简化前波转子所包含通道个数，ω为波转子转速(转/分钟)。选择好的移动滑块18安装在闸阀2上的矩形孔16内。调节螺旋杆26使波转子通道3第一法兰21与闸阀2平行紧密接触，将螺旋杆26此刻读数标定为零刻度，波转子通道3的第二法兰22用盖板34封闭。调节螺旋杆26，提起铁丝绳14，使闸阀2处于其行程的最上端，在闸阀2与第一法兰21之间放置一橡胶垫片35，再次调节螺旋杆26使第一法兰21压紧橡胶垫片35，此时波转子通道3内行成一封闭空间，打开快速阀K₁28a、K₂28b、K₃28c，开启真空泵29将波转子通道3内抽至真空状态，然后关闭真空泵29及快速阀K₁28a。打开快速阀K₄28d向通道内填充一定量燃料，燃料填充量由真空表31示数定量，然后打开快速阀K₅28e使波转 子通道3内恢复到常压状态，随后关闭快速阀K₅28e。打开循环泵30使填充的混气充分混合。打开冷却水，冷却水从冷却水进口5b进入，在水腔5a中与闸阀2换热后，从冷却水出口5c排出，这可以保证闸阀2在受到热射流作用时，不会产生热变形。调节射流点火器，使射流稳定(射流点火器在中国专利申请号为CN201410084262.0，名称为“一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置”中有详细论述，此处不再叙述)，此时关闭循环泵30，并关闭快速阀K₂28b、K₃28c。调节螺旋杆26，取出橡胶垫片35，并精确调节第一法兰21与闸阀2之间的间隙，即泄露间隙。放开铁丝绳14，使闸阀2自由下落，当移动滑块18上的射流孔19经过射流时，热射流进入波转子通道3完成点火。在此过程中，随着闸阀2的运动，热射流相对于波转子通道3，依次经历封闭—逐渐打开—持续进入—逐渐关闭的过程，即渐开闭过程。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单通道内燃波转子实验装置，其特征在于，包括：闸阀支架、闸阀、波转子通道、微调移动平台、水冷系统及管路系统，其中：

闸阀支架上设置闸阀槽，闸阀槽侧壁设置滚珠槽，闸阀上正反面分别开有凹槽，闸阀通过凹槽与滚珠接触，安装在闸阀支架上，顶梁在闸阀安装进闸阀槽后通过螺钉与闸阀支架链接，闸阀支架和顶梁上布置凸台，其限制闸阀的移动行程，闸阀上方设置挂钉，铁丝绳固定于挂钉上，铁丝绳另一端穿过顶梁中心孔，用于悬挂闸阀；闸阀上还开有矩形孔，矩形孔周围均匀布置四个螺纹孔，用于安装移动滑块，移动滑块中心处开有射流孔，移动滑块随闸阀下落过程中，由射流喷管产生的热射流经过射流孔进入波转子通道点火；

波转子通道波转子通道是一扇形直通道，通道两端分别焊接第一法兰和第二法兰，波转子通道内弧面焊接两个连接架，连接架另一端通过螺钉与微调移动平台连接；

水冷系统包括：水腔、冷却水进口和冷却水出口，水腔位于闸阀内部；

管路系统包括：连接管道、快速阀、真空泵、循环泵、真空表，各部分通过连接管道相连接，该管道系统通过连接管道与上述波转子通道相连接。

2.根据权利要求1所述的单通道内燃波转子实验装置，其特征在于，所述的微调移动平台包括连接器、平台及螺旋杆。

3.根据权利要求2所述的单通道内燃波转子实验装置，其特征在于，所述的波转子通道上的第一法兰端面及闸阀上与之相邻的面均具有较高的平整度，且要求通过调节微调移动平台，实现这两个面的紧密、平行接触，并将此位置螺旋杆上的读数标定为零刻度。

4.根据权利要求1所述的单通道内燃波转子实验装置，其特征在于，所述的移动滑块可拆换，根据不同的作用时序，选择不同的射流孔，选择依据为：

$\mathrm{\τ}=\frac{\left(\sqrt{2g\left(d+s+D\right)}\right)-\sqrt{2gs}}{g},$

其中D为喷管出口直径，d为移动滑块的射流孔尺寸，s为初始状态射流孔下边缘距射流喷管出口上边缘距离，τ为射流进入波转子通道持续时间。

5.根据权利要求1所述的单通道内燃波转子实验装置，其特征在于，所述的闸阀支架上的滚珠槽中心距闸阀槽边缘距离为0.5mm，滚珠在滚珠槽内转动。