CN108757220A - 一种后端点火的脉冲爆震燃烧发动机 - Google Patents

一种后端点火的脉冲爆震燃烧发动机 Download PDF

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张启斌
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Abstract

本发明公开了一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，包括可爆混合气和隔离气供给系统、点火起爆系统及爆震室系统。每个爆震室系统包括：爆震室入口1、爆震室2、点火器3、喷管4、射流传播管5，每个点火器3都与高压发生器6相连。多个爆震燃烧室系统周向分布在高压发生器6周围，爆震室2之间工作基本相互独立，互不干扰。高压发生器6包括高压发生器入口6‑1、火花塞6‑2、起爆管6‑3、二级爆震管6‑4、高压发生器外壳6‑5、高压发生器出口6‑6。工作时，高压发生器6产生的高温高压气体，通过射流传播管5进入点火器3并点燃可爆混合物。

Description

一种后端点火的脉冲爆震燃烧发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其是一种脉冲爆震发动机系统。
背景技术
爆震发动机技术是一种很有发展潜力的未来发动机技术。相比于其它燃烧形式，爆震波的传播速度很快，可以产生极高的压力和温度。以爆震燃烧为基础的推进系统在热循环效率上具有较高的优势，可广泛应用于航空航天飞行器，尤其是超音速飞行器。
由于爆震波的产生是间歇式的，具有周期性，所以每个爆震燃烧室通常需要一个周期性的点火源，当前主要采用的点火源有电火花点火、等离子点火、预爆管点火等等，每个爆震室都需要独立的点火系统和相应的控制系统，从而带来系统的复杂性；与此同时，这些点火方式点火能量较低，都需要较长的DDT管段；对于某些常用的可爆混合物，小能量点火的方式不能很好地起爆。
爆震燃烧后可爆混合物填充过程中，受点火频率影响，有些可爆混合物会不参与燃烧放热而直接排入大气，会造成一定的浪费和环境污染。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决上述缺陷，本发明提出了一种后端大热流点火起爆的多管脉冲爆震发动机系统。
本发明的技术方案是：一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，包括隔离气系统管路、燃料系统管路、氧化剂系统管路、隔离气分流器和混合气分流器，所述氧化剂系统管路和燃料系统管路与混合气分流器连接，且连接管道上设有阀门，隔离气供气管路与隔离气分流器连接，且连接管道上设有阀门；还包括若干个相同的相互并联的爆震燃烧室；隔离气分流器和混合气分流器分别与每个爆震燃烧室通过管道连接，且管道上设有阀门；
所述爆震燃烧室包括若干爆震管、点火器、喷管、射流传播管和高压发生器；若干爆震管通过射流传播管与高压发生器贯通连接；爆震管一端连接爆震室入口作为入口，另一端依次连有点火器和喷管，且点火器和喷管是位于爆震管气流下游的一端；隔离气分流器和混合气分流器分别向爆震管和高压发生器内充入隔离气和可爆混合气；高压发生器点火后，内部形成多级爆震波，产生高温高压气体，通过射流传播管引至点火器，导致点火器点火，并在爆震管内形成爆震波，爆震波逆向传播直至爆震管入口；爆震燃烧产生的高温高压气体通过喷管加速后喷出。
本发明的进一步技术方案是：所述高压发生器由高压发生器入口，火花塞，起爆管，二级爆震管，外壳体，高压发生器出口组成；高压发生器入口和火花塞安装在起爆管伸出外壳体的一端，起爆管嵌套在二级爆震管内，二级爆震管嵌套在外壳体内。
本发明的进一步技术方案是：所述点火器整体为柱状体，外壁上开有通孔作为点火器入口，内壁上周向开有一圈环形槽，作为稳焰槽，内壁轴线方向有棱状结构用于反射激波、形成点火热点。
本发明的进一步技术方案是：所述点火器入口轴线与点火器轴线垂直，与稳焰槽槽底内壁相切。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明的爆震发动机系统可以使用如煤油-空气组成的难以起爆的可爆混合物；并且可以缩减可爆混合物由爆燃转爆震的时间；由于采用后端点火，爆震波的传播速度、燃烧产物的排放速度都比较快；充气阶段，由于点火气流产生的气流会对爆震室2形成封堵，可有效避免可爆混合物未经燃烧而直接排入大气，防止造成燃料浪费和环境污染问题；整个循环过程中，点火气流持续工作，相对来说可以提高点火系统的稳定性、减小发动机输出功率的波动；对提高发动机运行的稳定性也有益处；各爆震室之间既相互协作，又彼此独立，当其中一个爆震管出现故障时，不会影响到其它爆震管的工作。
附图说明
图1是爆震燃烧室系统的技术示意图
图2是点火器示意图
图3是高压发生器内部结构示意图
图4是可爆混合气供给系统示意图
图5是点火起爆时序示意图
附图标记说明：1-爆震室入口，2-爆震室，3-激波发生器，4-喷管，5-射流传播管，6-高压发生器；3-1激波发生器入口，3-2稳焰槽，3-3棱状结构；6-1高压发生器入口，6-2火花塞，6-3起爆管，6-4二级爆震管，6-5外壳体，6-6高压发生器出口。
具体实施方式
参见图1-图5，一种后端大热流点火的多管并联脉冲爆震发动机系统，各部件按照图1和图4所示进行组装，整个系统包括可爆混合气和隔离气供应装置、点火起爆装置、多个并联的爆震室系统。燃料供给系统由氧化剂贮箱、隔离气贮箱、燃料贮箱、可爆混合气分流器、隔离气分流器、爆震室入口高频电磁阀，以及这些部件的连接管路、阀门系统组成，此外，还包括有相应的阀门开关相位控制系统。每个爆震室系统包括爆震室入口1、爆震室2、点火器3、喷管4和射流传播管5；爆震室入口1在进气来流方向的上游，喷管4在爆震室2气流的最下游；点火器3位于喷管4和爆震室2之间，高压发生器6与点火器3通过射流传播管5相连结；爆震室系统周向布置于高压发生器6周围，爆震室系统的数量和位置可根据任务要求做出相应的调整。
爆震室系统和高压发生器6均为模块化设计；爆震室系统和高压发生器6的数量、形状和布置位置可根据任务的不同进行灵活调整，以适应不同任务对不同输出功率的需求。
高压发生器6相当于一个储气室，用于生成和储存点火所需的高温高压的气体。高压发生器由高压发生器入口6-1、火花塞6-2、起爆管6-3、二级爆震管6-4、外壳体6-5、高压发生器出口6-6。
射流传播管5连接高压发生器6与点火器3，射流传播管5将高压发生器6产生的高温高压气体传导至点火器3。
点火器3用于形成点火区，以加速爆震波的形成；点火器3由点火器入口3-1，稳焰槽3-2，棱状结构3-3，高温高压气流从点火器入口3-1沿切向进入点火器3，在稳焰槽3-2和棱状结构3-3的共同作用下，产生稳定的高温紊流点火区。
喷管4用于加速爆震燃烧室内的高温高压燃气，增加发动机的推力；另一方面，喷管4对气流的阻滞作用可以有效提高爆震室2内填充混合气的压力水平。
本发明工作时序如图5所示，主要包括下述步骤：首先，隔离气供气管路、燃料系统管路、氧化剂系统管路上的阀门系统相继打开，分别向隔离气分流器和可爆混合气分流器充填隔离气和可爆混合气，其中阀门如图4中所示，从左至右依次为截止阀、调节阀和单向阀。
其次，爆震室入口1和高压发生器入口6-1上的高频电磁阀打开，分别向爆震室和高压发生器先后充入隔离气和可爆混合气；第三，火花塞6-2点火，在高压发生器起爆管6-3中形成爆震波，爆震波再先后传入二级爆震室6-4和高压发生器外壳体6-5内；第四，在高压发生器6内产生的高温高压气体，通过射流传播管5加速并引导至点火器3，点火器3内产生高能点火区，可爆混合气填充锋面到达点火器3后，可爆混合气被点燃，并在爆震室2内形成爆震波；爆震波逆向传播直至爆震室入口1；爆震燃烧产生的高温高压气体通过喷管4加速后喷出；在压力降到隔离气填充压力后，进气阀打开，开始新的隔离气和可爆混合物的填充，进入下一轮爆震燃烧循环。
高压发生器内的爆震频率与爆震管内的爆震频率不需要相同，可根据运行工况作相应调整；爆震室内的高压气体也可以通过射流传播管5进入高压发生器。
当爆震室2内的可爆混合气起爆后，由于爆震室2内的压力高于高压发生器6内的压力，高压发生器6不再向爆震室2输出点火气；当爆震室内压力高于高压发生器6时，爆震室2向高压发生器6通过射流传播管5注入高温高压气体，并存储在高压发生器中，所以，当有多个爆震管同时工作时，高压发生器可以适当减小爆震频率。
当爆震室2内燃烧产物排出停止、新的可爆混合物开始填充等过程中，高压发生器6一直持续向点火器3内喷射高温高压气体，这种稳态的工作模式，对提高点火系统的稳定性具有非常有益的效果。

Claims (4)

1.一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，包括隔离气系统管路、燃料系统管路、氧化剂系统管路、隔离气分流器和混合气分流器，所述氧化剂系统管路和燃料系统管路与混合气分流器连接，且连接管道上设有阀门，隔离气供气管路与隔离气分流器连接，且连接管道上设有阀门；其特征在于，还包括若干个相同的相互并联的爆震燃烧室；隔离气分流器和混合气分流器分别与每个爆震燃烧室通过管道连接，且管道上设有阀门；
所述爆震燃烧室包括若干爆震管(2)、点火器(3)、喷管(4)、射流传播管(5)和高压发生器(6)；若干爆震管(2)通过射流传播管(5)与高压发生器(6)贯通连接；爆震管(2)一端连接爆震室入口(1)作为入口，另一端依次连有点火器(3)和喷管(4)，且点火器(3)和喷管(4)是位于爆震管(2)气流下游的一端；隔离气分流器和混合气分流器分别向爆震管(2)和高压发生器(6)内充入隔离气和可爆混合气；高压发生器(6)点火后，内部形成多级爆震波，产生高温高压气体，通过射流传播管(5)引至点火器(3)，导致点火器(3)点火，并在爆震管(2)内形成爆震波，爆震波逆向传播直至爆震管(2)入口；爆震燃烧产生的高温高压气体通过喷管(4)加速后喷出。
2.如权利要求1所述的一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，其特征在于，所述高压发生器(6)由高压发生器入口(6-1)，火花塞(6-2)，起爆管(6-3)，二级爆震管(6-4)，外壳体(6-5)，高压发生器出口(6-6)组成；高压发生器入口(6-1)和火花塞(6-2)安装在起爆管伸出外壳体(6-5)的一端，起爆管(6-3)嵌套在二级爆震管(6-4)内，二级爆震管(6-4)嵌套在外壳体(6-5)内。
3.如权利要求1所述的一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，其特征在于，所述点火器(3)整体为柱状体，外壁上开有通孔作为点火器入口(3-1)，内壁上周向开有一圈环形槽，作为稳焰槽(3-2)，内壁轴线方向有棱状结构(3-3)用于反射激波、形成点火热点。
4.如权利要求3所述的一种后端大热流点火的脉冲爆震发动机系统，其特征在于，所述点火器入口(3-1)轴线与点火器(3)轴线垂直，与稳焰槽槽底内壁相切。
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