CN106438014B - 一种内燃波转子强化燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃波转子强化燃烧装置，包括扰流装置、连接片和导杆.所述扰流装置通过连接片和导杆与转子通道固定连接；所述扰流装置安装在导杆上；所述导杆与连接片固定连接。本发明的内燃波转子强化燃烧装置，强化燃烧效果好且适用范围广。利用扰流装置加速火焰传播和强化激波反射从而提高内燃波转子通道内预混气的压力和增强火焰面放热速率。所用的扰流装置面积小、长度短，对安装空间要求低。并且扰流装置可拆换，可根据不同波转子实验工况进行更改。本发明的内燃波转子强化燃烧装置主要应用于内燃波转子试验装置，能够大幅提高内燃波转子燃烧性能，同时也可以用于其它非定常燃烧装置如脉冲爆震发动机、激波管等。

Description

一种内燃波转子强化燃烧装置

技术领域

本发明属于航空发动机新概念燃烧技术领域，具体是一种内燃波转子强化燃烧装置。

背景技术

内燃波转子是波转子预增压和高效等容燃烧等技术集合成一体的新概念燃烧系统，它是由一系列围绕轴旋转的面积固定的通道组成，像一个圆柱形的鼓筒转子。当波转子高速旋转时，转子通道周期性地暴露于两侧静止端板上的进排气端口中，当转子通道转到进气端口时（此时排气端口封闭），高速气流进入转子通道，于是在通道内部产生了激波、压缩波、膨胀波以及接触间断相互作用形成的复杂波系，复杂波系的作用促使能量快速交换从而实现对转子通道内混气进行预压缩，两侧端板上的端口控制波转子的进排气流动过程。当进气端口封闭时，利用布置在排气端口上的热射流点火器点燃转子通道内可燃混气，在内燃波转子通道的末端区域形成初始火焰，初始火焰以点火源为中心向周围发展，形成薄层火焰面，并在转子通道内复杂波系作用下，薄层火焰面不断扩展，诱使火焰面传播速度增加，形成紊流火焰面，紊流火焰面皱褶变形，产生剧烈的横向和纵向的小扰动波，火焰前沿后存在温度梯度，强化压缩波叠加而形成激波，在前导激波后横波碰撞叠加，产生“热点”，“热点”中混合物自燃，来自“热点”中心火焰加速并沿着“热点”周围温度梯度迅速扩散，诱使局部产生近似爆震燃烧或爆震燃烧。区别传统脉冲爆震发动机爆震燃烧过程，由燃烧形成的火焰和激波沿内燃波转子通道向上游未燃混气中传播，即燃烧产生的激波和火焰运动方向与充填气流方向相反。另外，内燃波转子通道是高速旋转部件，综合考虑其转子动力学特性、密封泄露等问题，内燃波转子通道一般长度不宜太长，从目前公开文献来看，内燃波转子技术处于领先地位的美国印第安纳大学-普渡大学印第安纳波利斯联合分校的内燃波转子通道长度为700mm左右，而本课题组内燃波转子长度仅为200mm，这给内燃波转子通道内的爆震燃烧起爆带来巨大技术挑战，可以采取在内燃波转子通道内安装不同结构的障碍物加速火焰传播和激波反射促进可燃混气的快速起爆，缩短初始火焰形成至爆震燃烧产生的时间和距离。内燃波转子强化燃烧装置通常采用在转子通道内设置一系列障碍物，按照实际的要求设计型面、堵塞比和阵列方式等满足强化燃烧和强化激波反射要求。从内燃波转子进气端口进入转子通道的可燃混气遇到障碍，改变流线，在障碍物后壁区形成湍流涡，湍流涡的脱落提高可燃混气的进一步掺混和湍流度，有利于形成更高质量的可燃混气，提高点火成功率，形成较强初始火焰，并提高火焰传播速度。从缓燃到爆震燃烧转捩过程来看，火焰加速，激波汇聚产生局部“热点”，以及火焰和激波的相互作用是成功实现缓燃到爆震燃烧转捩过程的关键。

在脉冲爆震发动机爆震燃烧起爆研究领域中，Shchelkin等人（Soviet Journalof Technical Physics,Vol.10,pp.823-827,1940）将螺旋障碍物安置在爆震管中能够加速缓燃到爆震燃烧转捩实现。S.Y.Lee等人（AIAA 2000-3217）采用在方管中安装圆形平板障碍物，实现乙烯/空气混合物的缓燃到爆震燃烧转捩过程，平板障碍物提高了爆震室内的紊流强度，促进火焰加速，未燃混气中局部热爆炸更进一步加速火焰传播，平板障碍物堵塞比0.3～0.6之间能够有效增加火焰传播速度。B.de Witt（AIAA 2004-3747）等人研究了高速火焰/激波组合体和障碍物之间相互作用的起爆技术，采用平板和环形孔板组合以及圆锥体和环形孔板组合的两种强化激波反射装置，以乙烯为燃料、氮气稀释的氧气为氧化剂，在内径140mm，长3100mm的爆震管中研究缓燃到爆震燃烧转捩过程，研究结果表明：对于恰当比的乙烯/空气混合物，在距离点火位置1320mm处完成DDT过程，实现爆震起爆。因此，在内燃波转子中安装障碍物能够加速火焰传播，强化激波反射聚焦，促进缓燃到爆震燃烧转捩的完成。针对内燃波转子通道内缓燃向爆震转捩过程及起爆装置尚没有涉及，因为内燃波转子的通道是高速旋转部件，并且通常火焰和激波传播方向与来流方向相反，用于脉冲爆震发动机中的强化燃烧装置很难直接应用于内燃波转子的缓燃向爆震转捩过程的起爆，需要开发适用于内燃波转子工作特点的强化燃烧装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种内燃波转子强化燃烧装置，该装置能够提高预混气体的压力和火焰面的放热速率，实现内燃波转子强化燃烧效果。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种内燃波转子强化燃烧装置，包括扰流装置、连接片和导杆；所述扰流装置通过连接片与转子通道固定连接；所述导杆安装在扰流装置上；所述导杆与连接片固定连接。扰流装置通过使流体产生流动漩涡来增加流体的湍流度。

进一步的，所述扰流装置的截面包括梯形、三角形、矩形、圆形以及上底边带有半圆形的梯形。

进一步的，所述扰流装置的排列方式包括对排和错排两种。错排方式有利于扰流装置深入影响火焰燃烧核心区，对排方式有利于增加两壁面的湍流度。

进一步的，所述导杆为三棱柱型导杆。三角形截面增加了导杆的抗弯强度，当三棱柱型导杆受热时会产生弯曲应力。

更进一步，所述扰流装置与导杆通过螺栓连接，扰流装置正面开有两个三角形通道用于扰流装置在三棱柱型导杆上的定位；扰流装置两侧面开有螺纹孔用于与螺栓螺纹连接实现三棱柱型导杆与扰流装置的固定。三棱柱型导杆的三角形截面有利于增大与螺栓的接触面积。

进一步的，所述三棱柱型导杆两端带有螺纹柱，通过螺母与连接片固定连接。实现三棱柱型导杆和连接片的装配。

进一步的，所述连接片与转子通道端面的凹槽相吻合，不影响转子通道在内燃波转子实验装置上的安装。同时连接片通过螺栓与转子通道固定，实现三棱柱型导杆和转子通道的位置关系的固定。

本发明的内燃波转子强化燃烧装置工作原理是：利用扰流装置改变流体流通面积使流体产生流动漩涡来增加流场的湍流度，同时利用扰流装置反射激波，增强激波与火焰的相互作用，从而强化燃烧。高速气流进入转子通道，遇到扰流装置会在扰流装置后方形成稳定的回流区，当火焰传播到回流区时，诱使火焰锋面皱褶变形，形成紊流火焰面，并在回流区开始脱落，大大提高火焰面放热强度。同时高速气流进入转子通道内会产生一系列的压缩波，压缩波叠加形成激波，激波遇到扰流装置时发生反射，反射激波和激波叠加区压力值迅速增加，形成热点有利于发展成爆震燃烧，实现内燃波转子等容燃烧。在利用内燃波转子非定常等容燃烧热循环效率高和增压技术优势的同时，内燃波转子强化燃烧装置可以加速火焰传播性能，提高预混气压力。

本发明的一种内燃波转子强化燃烧装置，与现有技术相比，具有以下优点：

1、强化燃烧效果好且适用范围广；

2、本发明的内燃波转子强化燃烧装置利用扰流装置加速火焰传播和激波反射从而提高预混气的压力和增强火焰面放热速率；

3、本发明的内燃波转子强化燃烧装置所涉及的扰流装置面积小、长度短，对安装空间要求低；

4本发明的内燃波转子强化燃烧装置所涉及的扰流装置可拆换，可根据不同波转子实验工况进行更改；

本发明的内燃波转子强化燃烧装置主要应用于内燃波转子试验装置，能够大幅提高内燃波转子燃烧性能，同时也可以用于其它非定常燃烧装置如脉冲爆震发动机、激波管等。

附图说明

图1为本发明的内燃波转子强化燃烧装置的结构示意图；

图2为本发明用于内燃波转子结构示意图；

图3为本发明工作原理示意图；

图4为扰流装置一个实施例的结构示意图，本图中扰流装置的截面为梯形；

图5为扰流装置另一个实施例的结构示意图，本图中扰流装置的截面为长方形；

图6为扰流装置一个实施例的排列示意图，图中显示为错排；

图7为扰流装置另一个实施例的排列示意图，图中显示为对排；

图8为本发明的内燃波转子强化燃烧装置的爆炸图；

图9为连接片结构示意图；

图10为导杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种内燃波转子强化燃烧装置进行详细说明。

如图1和8所示，本发明的一种内燃波转子强化燃烧装置，包括扰流装置4、连接片1和导杆3；扰流装置4通过连接片1和导杆3与转子通道2固定连接；扰流装置4安装在导杆3上；导杆3与连接片1固定连接。扰流装置4通过使流体产生流动漩涡来增加流体的湍流度。

扰流装置4可自由拆除更换和固定，根据不同内燃波转子实验工况，选择不同扰流装置组合和不同扰流装置排列方式。本实施例中，如图4和5所示，扰流装置4的截面可以包括梯形、三角形、矩形、圆形以及上底边带有半圆形的梯形。

如图6和7所示，扰流装置4的排列方式包括对排和错排两种。错排方式有利于扰流装置4深入影响火焰燃烧核心区，对排方式有利于增加两壁面的湍流度。

导杆3横截面为三角形，三角形截面增加了导杆3的抗弯强度，当三棱柱型导杆3受热时会产生弯曲应力。

扰流装置4与导杆3通过螺栓5连接，扰流装置4正面开有两个三角形通道用于扰流装置4在三棱柱型导杆3上的定位；扰流装置4两侧面开有螺纹孔用于与螺栓5螺纹连接实现三棱柱型导杆3与扰流装置4的固定。三棱柱型导杆3的三角形截面有利于增大与螺栓5的接触面积。如图6、7，螺栓5可以选择沉头螺栓，比如六角螺栓5a或者一字形沉头螺栓5b，当然也可以选择十字形沉头螺栓等。

如图10所示，三棱柱型导杆3两端带有螺纹柱，通过螺母6与连接片1固定连接。实现三棱柱型导杆3和连接片1的装配。

连接片1与转子通道2端面的凹槽相吻合，不影响转子通道2在内燃波转子实验装置上的安装。如图9所示，连接片1上设置螺纹孔，连接片1通过螺栓5与转子通道2固定，实现三棱柱型导杆3和转子通道2的位置关系的固定。

具体安装过程为：选择好扰流装置4的组合形式和排列方式，通过扰流装置4正面的三角形通道将扰流装置4穿着在三棱柱导杆3上，然后通过扰流装置4侧面的螺纹孔与沉头螺栓5将扰流装置4固定在三棱柱导杆3上。三棱柱导杆3一端穿过连接件1通过螺母6与连接件1固定，连接件1放入转子通道2的凹槽内通过沉头螺栓5与转子通道2固定，然后再将三棱柱型导杆3的另一端穿过连接件1通过螺母6与连接件1固定。连接件1放入转子通道2的凹槽内通过沉头螺栓5与转子通道2固定，实现内按波转子强化燃烧装置在转子通道2内的安装。

图3中A1和A2给出了扰流装置4增强流场湍流度和强化气动激波过程，高速填充气体从内燃波转子进气管道8进入内燃波转子通道2，遇到扰流装置4会在扰流装置4后方区域形成流动漩涡a，增加转子通道2内流体的湍流度，同时，内燃波转子通道2进气端处于打开状态，内燃波转子通道2排气端处于关闭状态，就会在内燃波转子通道2内产生一系列压缩波，压缩波叠加形成单一激波e，激波e遇到扰流装置4后发生马赫反射，激波e和反射激波d相互作用形成了一道强化激波o。强化激波o有利于提高预混气的压力从而提高火焰传播速度。

图3中B1和B2给出了扰流装置4诱导层流火焰h转变为湍流火焰j和由扰流装置4产生的流动漩涡a促使层流火焰h转变湍流火焰j的过程，由于湍流火焰面j的皱褶使火焰面积增加，加速燃烧速率，从而达到强化燃烧效果。热射流g点燃未燃混气，形成燃烧速率很低的层流火焰h，层流火焰在点火区内膨胀，传播至扰流装置4同时和扰流装置4附近的漩涡a相互作用，快速增加火焰面，火焰不断加速。形成湍流火焰面j。

图3中C1和C2给出了扰流装置4强化燃烧激波和激波与火焰面相互作用的过程。湍流火焰j经过加速，火焰面前的压缩波不断叠加，形成激波r。激波r在传播的过程中遇到扰流装置4发生反射，使得反射激波q能够作用于火焰面j，增加火焰面积提高放热速率从而加速火焰传播，达到强化燃烧效果。同时，在激波叠加区，产生“热点m”，“热点m”中混合物自燃，诱使局部产生近似爆燃燃烧或爆震燃烧，达到强化燃烧效果。

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 (4)

1.一种内燃波转子强化燃烧装置，其特征在于，包括扰流装置（4）、连接片（1）和导杆（3）；所述扰流装置（4）通过连接片（1）和导杆（3）与转子通道（2）固定连接；所述扰流装置（4）安装在导杆（3）上；所述导杆（3）与连接片（1）固定连接；

所述扰流装置（4）的截面包括梯形、三角形、矩形、圆形、上底边带有半圆形的梯形；

所述导杆（3）横截面为三角形；

所述扰流装置（4）与导杆（3）通过螺栓（5）连接，扰流装置（4）正面开有两个三角形通道用于扰流装置（4）在导杆（3）上的定位；扰流装置（4）两侧面开有螺纹孔用于与螺栓（5）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的内燃波转子强化燃烧装置，其特征在于，所述扰流装置（4）的排列方式包括对排和错排两种。

3.根据权利要求1所述的内燃波转子强化燃烧装置，其特征在于，所述导杆（3）两端带有螺纹柱，通过螺母（6）与连接片（1）固定连接。

4.根据权利要求1所述的内燃波转子强化燃烧装置，其特征在于，所述连接片（1）与转子通道（2）端面的凹槽相吻合；所述连接片（1）通过螺栓（5）与转子通道（2）固定。