CN107143432B - 一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机 - Google Patents
一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机，包括预引爆燃烧管（7）、高压点火头、等离子导流管、环面磁极板（14）、磁场线圈（15）、爆震喷管（16）、电流控制器（17）、高压点火‑喷油控制ECU（19）、燃料空气预混室（22）、风速传感器（25）、高压喷油泵（26）；通过多级高压点火和等离子气体放电，使得一个微小的脉冲爆震波在经过三级接力耦合点火之后，能量不断放大，最后达到最强，从燃气喷口（24）中喷出，确保爆震发生。具有1）能够解决爆震的起爆、控制和快速保持，可以对脉冲爆震波进行逐级放大；2）能够实现液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混；3）可以产生稳定推力，并可以实现低频至高频的连续工作；4）可以实现脉冲爆震发动机功率的调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力机械，特别是一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机，属于动力技术领域。
背景技术
脉冲爆震发动机(PDE)在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力。与传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。未来无论是火箭、导弹，还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机，它也被认为是21世纪最有潜力的空天动力项目。
PDE具有结构简单（无涡轮等旋转部件）、尺寸小（不大于2米）、适用范围广、成本低、可在低速下使用、燃烧效率高、高速性能优越。但存在如下技术难点没有解决
1）爆震的起爆、控制和保持快速并可靠地起爆是使PDE获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变（DDT）过程是近期PDE研究的最佳方案。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际PDE的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展PDE，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、DDT方法、DDT的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等；2）液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混。对于燃用液体燃料的PDE来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有高度可控性的喷射系统对满足PDE的高频运行十分重要。喷射系统必须满足成本、重量、体积和功率等方面的要求。因此，应研究与气体和液体燃料喷射、掺混有关的物理、化学和热力特性；3）PDE辅助系统的设计。实际应用的PDE应包括几个爆震室，它们与共同的进气道和喷管相连，而且实际应用PDE系统还包括增压燃油储存和供应系统、燃油/空气喷射系统和起爆系统以及推进剂喷射系统。作用于PDE爆震室末端的封闭壁（推力壁）上的爆震压力使化学能转化为动能。PDE需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与燃料阀和控制系统部件，以及先进的燃烧控制系统、有效的进口与喷管、考虑系统特殊零件综合设计方案；4）由于推力不稳定，实际应用的PDE需要采用高频（大于80赫兹）的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题；5）冷却问题：爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施；6）爆震现象的精确理论分析；7）爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机，其结构简单，利用爆震波前高压电等离子气接力耦合点火机制实现脉冲爆震发动机的稳定工作。
本发明特征是，包括：预混室内螺旋导流条（4）、预引爆燃烧管外螺旋导流条（5）、高压点火头b（6）、预引爆燃烧管（7）、高压点火头c（8）、高压点火头d（9）、上等离子导流管（10-1）、下等离子导流管（10-2）、点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）、环面磁极板（14）、磁场线圈（15）、爆震喷管（16）、电流控制器（17）、高压点火-喷油控制ECU（19）、燃料空气预混室（22）、预引爆燃烧管进气口（23）、风速传感器（25）、高压喷油泵（26）；
在燃料空气预混室（22）顶端设置有进气口（1），进气口的中心位置设有燃料喷注头（2），燃料空气预混室（22）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（4），燃料空气预混室（22）的后端为爆震喷管（16），在燃料空气预混室（22）内置入预引爆燃烧管（7），并在预引爆燃烧管（7）前端设有预引爆燃烧管进气口（23），预引爆燃烧管（7）通过单向膜预引爆燃烧管固定架（3）固定于燃料空气预混室（22）腔体内，单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜，防止气流反流，预引爆燃烧管（7）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（5），预引爆燃烧管（7）的外径小于燃料空气预混室（22）内径的1/3，预引爆燃烧管（7）的长度大于L，预引爆燃烧管（7）内的前端b点位置连接高压点火头b（6），并连接点火头b高压点火线（11），预引爆燃烧管（7）内后端c点位置连接高压点火头c（8），并连接点火头c高压点火线（12），bc两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）外后端气流混合交汇处d的位置，设置有高压点火头d（9），并连接点火头d高压点火线（13），cd两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）的尾端与爆震喷管（16）之间的位置设置有上等离子导流管（10-1）和下等离子导流管（10-2），均具有圆环形管结构，上等离子导流管（10-1）与爆震喷管（16）的外壁连通，并有e1和e2两个连通口，同样，下等离子导流管（10-2）与爆震喷管（16）的外壁连通，并有f1和f2两个连通口，e1与e2的间距为L，f1与f2的间距也为L，d点与e1和f1的连线的垂直距离为L，整个爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段在环面磁极板（14）内，磁力线穿透爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段，在爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段内部构成稳定的磁场，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17），点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）均连接高压静电发生器（18），高压静电发生器（18）和高压点火-喷油控制ECU（19）连接；风速传感器（25）信号线连接高压点火-喷油控制ECU（19），高压点火-喷油控制ECU（19）控制线连接高压喷油泵（26）。
爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段由环面磁极板（14）构成爆震喷管管壁，环面磁极板（14）为耐高温铁磁材料，左右两侧环面磁极板（14）之间嵌入非磁性陶瓷材料，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17）。
工作原理：在燃料空气预混室（22）顶端设置有进气口（1），进气口的中心位置设有燃料喷注头（2），来流空气穿过单向膜预引爆燃烧管固定架（3）进入燃料空气预混室（22）之后，和燃料进行混合，形成非均匀可爆混合气，单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜，防止气流反流，气流分两部分：一部分流入预引爆燃烧管（7）内，由于预引爆燃烧管（7）内置于燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）前端有预引爆燃烧管进气口（23），燃料喷注头（2）直接对着预引爆燃烧管进气口（23），因而预引爆燃烧管（7）进入的是浓可爆混合气，而浓可爆混合气是很容易点燃的，存在的缺陷是无法充分燃烧，但进入预引爆燃烧管（7）内的浓可爆混合气，在b点高压点火头b（6）点燃，气体爆炸燃烧并向后运动，构成一个微小的高压脉冲爆震波，这个高压脉冲爆震波的波前以音速v传播，这个传播速度v在预引爆燃烧管（7）内是不变的，考虑到气体的流速Δv，该高压脉冲爆震波波前的速度V=v+Δv，满足L=VT，高压点火-喷油控制ECU（19）根据风速传感器可以知道Δv，于是可以精确计算T=L/V，这样就可以在高压脉冲爆震波前到达点火头c（8）这时刻进行点火，bc两点的间距为L，没有充分燃烧的可爆混合气体再次被点燃，实现第一级接力耦合点火，燃烧中的气体从预引爆燃烧管（7）喷出，到达d位置；与此同时，另一部分可爆混合气在气体燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）之外流动，由于腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（4），预引爆燃烧管（7）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（5），预引爆燃烧管（7）的外径小于燃料空气预混室（22）内径的1/3，预引爆燃烧管（7）的长度大于L，在燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）外后端气流混合交汇处d的位置，在高压脉冲爆震波波前到达高压点火头d（9）的时候，高压点火、喷油控制ECU控制高压点火头d（9）进行点火，cd两点的间距为L，实现第二级接力耦合点火，在这过程中，产生更强烈的高压脉冲爆震波，火焰温度极高，部分燃烧气体形成高速流动的等离子气体流经e-f段。考虑在燃料空气预混室（22）的尾端与爆震喷管（16）之间的位置设置有上等离子导流管（10-1）和下等离子导流管（10-2），均具有圆环形管结构，上等离子导流管（10-1）与爆震喷管（16）与外壁连通，并有e1和e2两个连通口（参见图1），同样，下等离子导流管（10-2）与爆震喷管（16）与外壁连通，并有f1和f2两个连通口，e1与e2的间距为L，f1与f2的间距也为L，d点与e1与f1的连线的垂线间距为L，整个爆震喷管（16）e-f段放置在环面磁极板（14）内（参见图2），磁力线穿透爆震喷管（16）e-f段，在爆震喷管（16）e-f段内部构成稳定的磁场，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈连接电流控制器（17），控制磁场的强弱。当等离子气体流经e-f段时，在磁场中受到洛伦兹力的作用，发生偏转，于是带正电的气体粒子以带负电的气体粒子发生偏转的方向相反，按图1所示，带正电的等离子气体进入到下等离子导流管（10-2）内；带负电的等离子气体进入到上等离子导流管（10-1）内，在经过几个周期的工作之后，等离子导流管（10-1）内装满了等离子气体。当脉冲爆震波波前到达e1和f1两个连通口时，对两个等离子导流管造成强烈的冲击，冲击波迫使正负等离子气体分别从e2和f2两个连通口中喷出，由于是高温等带异性电荷的离子气体相遇，发生强烈放电，再次对没有燃烧的可爆混合气进行再次点火，而这种点火能量是巨大的，实现了第三级接力耦合点火，每次点火都在脉冲爆震波波前位置，使得可爆混合气充分燃烧，这一过程使得一个微小的脉冲爆震波在经过三级接力耦合点火之后，能量不断放大，最后达到最强，从燃气喷口（24）中喷出。
脉冲爆震波进行放大原理：风速传感器（25）把风速信号传递给高压点火-喷油控制ECU（19），于是可以计算出脉冲爆震波波前传播L的时间间隔T，在2T时刻，发出高压脉冲，使得高压点火头c（9）进行点火，在3T时刻，发出高压脉冲，使得高压点火头d再次进行接力耦合点火，通过这样顺序点火，就可以精确实现在不同风速条件下脉冲爆震波的逐级放大，利用爆震波的传播效应，使得等离子导流管喷出异性电荷等离子气体，实现对可爆混合气的完全燃烧，对脉冲爆震波进行最后的放大；
功率控制原理：对于燃油供给是通过高压点火-喷油控制ECU（19）控制高压喷油泵（26）进行控制的，通过第一次喷油这时间T0为基点，每隔一个时间T间隔发出一个高压点火脉冲。因此，在某一个时间段t中有n个T0时间基点，即n/t就构成喷油频率，这样通过控制喷油频率，我们就可以实现功率的调整。
本发明的有益效果是: 1）能够解决爆震的起爆、控制和快速保持，可以对脉冲爆震波进行逐级放大；2）能够实现液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混；3）可以产生稳定推力，并可以实现低频至高频的连续工作；4）可以实现脉冲爆震发动机功率的调整。该发明同时解决了脉冲爆震发动机的所面临的主要困难，具有良好的市场前景。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为环面磁极板结构示意图。
图1-2中：1、进气口，2、燃料喷注头，3、单向膜预引爆燃烧管固定架，4、预混室内螺旋导流条，5、预引爆燃烧管外螺旋导流条，6、高压点火头b，7、预引爆燃烧管，8、高压点火头c，9、高压点火头d，10-1、上等离子导流管，10-2、下等离子导流管，11、点火头b高压点火线，12、点火头c高压点火线，13、点火头d 高压点火线，14、环面磁极板，15、磁场线圈，16、爆震喷管，17、电流控制器，18、高压静电发生器， 19、高压点火-喷油控制ECU， 20、电源， 21、电容，22、燃料空气预混室，23、预引爆燃烧管进气口，24、燃气喷口，25、风速传感器，26、高压喷油泵。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。
本发明由预混室内螺旋导流条（4）、预引爆燃烧管外螺旋导流条（5）、高压点火头b（6）、预引爆燃烧管（7）、高压点火头c（8）、高压点火头d（9）、上等离子导流管（10-1）、下等离子导流管（10-2）、点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）、环面磁极板（14）、磁场线圈（15）、爆震喷管（16）、电流控制器（17）、高压点火-喷油控制ECU（19）、燃料空气预混室（22）、预引爆燃烧管进气口（23）、风速传感器（25）、高压喷油泵（26）构成；
本发明所采用的技术方案是：在燃料空气预混室（22）顶端设置有进气口（1），进气口的中心位置设有燃料喷注头（2），燃料空气预混室（22）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（4），燃料空气预混室（22）的后端为爆震喷管（16），在燃料空气预混室（22）内置入预引爆燃烧管（7），并在预引爆燃烧管（7）前端设有预引爆燃烧管进气口（23），预引爆燃烧管（7）通过单向膜预引爆燃烧管固定架（3）固定于燃料空气预混室（22）腔体内，单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜，防止气流反流，预引爆燃烧管（7）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（5），预引爆燃烧管（7）的外径小于燃料空气预混室（22）内径的1/3，预引爆燃烧管（7）的长度大于L，预引爆燃烧管（7）内的前端b点位置设置连接点火头b（6），并连点火头b高压点火线（11），预引爆燃烧管（7）内后端c点位置设置连接点火头c（8），并连接点火头c高压点火线（12），bc两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）外后端气流混合交汇处d的位置，设置有高压点火头d（9），并连接点火头d高压点火线（13），cd两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）的尾端与爆震喷管（16）之间的位置设置有上等离子导流管（10-1）和下等离子导流管（10-2），均具有圆环形管结构，上等离子导流管（10-1）与爆震喷管（16）与外壁连通，并有e1和e2两个连通口（参见图1），同样，下等离子导流管（10-2）与爆震喷管（16）与外壁连通，并有f1和f2两个连通口，e1与e2的间距为L，f1与f2的间距也为L，d点与e1与f1的连线的垂线间距为L，整个爆震喷管（16）e-f段放置在环面磁极板（14）内（参见图2），磁力线穿透爆震喷管（16）e-f段，在爆震喷管（16）e-f段内部构成稳定的磁场，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17），点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）均连接高压静电发生器（18），高压点火-喷油控制ECU（19）；风速传感器（25）信号线连接高压点火-喷油控制ECU（19），高压点火-喷油控制ECU（19）控制线连接高压喷油泵（26）。
爆震喷管（16）e-f段由环面磁极板（14）构成爆震喷管管壁，为耐高温铁磁材料，左右两侧环面磁极板（14）之间嵌入非磁性陶瓷材料，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17）。
Claims (2)
1.一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机，其特征是，包括：预混室内螺旋导流条（4）、预引爆燃烧管外螺旋导流条（5）、高压点火头b（6）、预引爆燃烧管（7）、高压点火头c（8）、高压点火头d（9）、上等离子导流管（10-1）、下等离子导流管（10-2）、点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）、环面磁极板（14）、磁场线圈（15）、爆震喷管（16）、电流控制器（17）、高压点火-喷油控制ECU（19）、燃料空气预混室（22）、预引爆燃烧管进气口（23）、风速传感器（25）、高压喷油泵（26）；
在燃料空气预混室（22）顶端设置有进气口（1），进气口的中心位置设有燃料喷注头（2），燃料空气预混室（22）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（4），燃料空气预混室（22）的后端为爆震喷管（16），在燃料空气预混室（22）内置入预引爆燃烧管（7），并在预引爆燃烧管（7）前端设有预引爆燃烧管进气口（23），预引爆燃烧管（7）通过单向膜预引爆燃烧管固定架（3）固定于燃料空气预混室（22）腔体内，单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜，防止气流反流，预引爆燃烧管（7）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（5），预引爆燃烧管（7）的外径小于燃料空气预混室（22）内径的1/3，预引爆燃烧管（7）的长度大于L，预引爆燃烧管（7）内的前端b点位置连接高压点火头b（6），并连接点火头b高压点火线（11），预引爆燃烧管（7）内后端c点位置连接高压点火头c（8），并连接点火头c高压点火线（12），bc两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）内，预引爆燃烧管（7）外后端气流混合交汇处d的位置，设置有高压点火头d（9），并连接点火头d高压点火线（13），cd两点的间距为L，在燃料空气预混室（22）的尾端与爆震喷管（16）之间的位置设置有上等离子导流管（10-1）和下等离子导流管（10-2），均具有圆环形管结构，上等离子导流管（10-1）与爆震喷管（16）的外壁连通，并有e1和e2两个连通口，同样，下等离子导流管（10-2）与爆震喷管（16）的外壁连通，并有f1和f2两个连通口，e1与e2的间距为L，f1与f2的间距也为L，d点与e1和f1的连线的垂直距离为L，整个爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段在环面磁极板（14）内，磁力线穿透爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段，在爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段内部构成稳定的磁场，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17），点火头b高压点火线（11）、点火头c高压点火线（12）、点火头d高压点火线（13）均连接高压静电发生器（18），高压静电发生器（18）和高压点火-喷油控制ECU（19）连接；风速传感器（25）信号线连接高压点火-喷油控制ECU（19），高压点火-喷油控制ECU（19）控制线连接高压喷油泵（26）。
2.根据权利要求1所述的一种爆震波前高压电等离子气接力耦合点火爆震发动机，其特征是，爆震喷管（16）的e1-e2段、f1-f2段由环面磁极板（14）构成爆震喷管管壁，环面磁极板（14）为耐高温铁磁材料，左右两侧环面磁极板（14）之间嵌入非磁性陶瓷材料，环面磁极板（14）具有U形磁铁结构，在环面磁极板（14）的顶端设置有磁场线圈（15），磁场线圈一端接地，另一端连接电流控制器（17）。
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