CN109630277B - 一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，主要由燃烧室盖板1、进气环腔2、燃烧室内环3和燃烧室外环4组成，在进气环腔内嵌入了扰流装置，由扰流块9、弹簧10、传动结构11和自锁开关12组成。在发动机起始阶段或不稳定工作时，扰流块增大了燃烧室的湍流度，加快了火焰传播速度，快速实现缓燃向爆震转变的过程。随着燃烧室的压力不断增大，扰流块被压入椭圆孔内。当发动机稳定工作时，扰流装置不会影响稳定传播的爆震波，同时也不会造成发动机的性能损失。本发明省去了传统的预爆管装置，能有效减小发动机的体积。同时扰流装置可以实现多次启动，有效地解决了发动机出现不稳定工作状态，需要再启动的问题，保证了发动机的稳定性。

Description

一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，具体为一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机。

背景技术

现有的各类航空航天动力装置，基本都基于等压燃烧方式，其技术水平已经趋于成熟，很难取得进一步突破。与等压燃烧方式相比，爆震燃烧在理论上具有更高的热循环效率和更快的热量释放速率。基于爆震燃烧方式的发动机具有潜在的性能优势。旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)作为新概念爆震发动机的一种，具有结构简单、工作频率高和单次起爆等优势，因此有着广阔的应用前景。

旋转爆震发动机通常采用环腔型燃烧室结构。理论上，起始阶段建立爆震波工作模态后，便可以实现稳定工作。因此，避免了每个工作循环，都需要缓燃向爆震转变的过程(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)，发动机的工作频率能够达到数千赫兹。但在实际工作过程中，受到填充过程等因素的影响，尤其在接近极限工况时，爆震波会出现解耦，并转变为缓燃波。爆震波转变为缓燃波后，由于燃烧室内缺少Shchelkin螺旋等能够增加流场湍流度的结构，缓燃波需要较长时间才能转变为爆震波，甚至无法转变为爆震波模态。具体表现为发动机出现交替的爆震波和缓燃波模态工作，严重影响发动机的稳定性。

另外，现有的旋转爆震发动机通常在燃烧室外环，连接一根预爆管。其主要作用是先在预爆管内形成稳定传播的爆震波，然后爆震波从预爆管出口沿切向射入到燃烧室内，爆震波在燃烧室内沿周向继续传播，从而在环腔内形成稳定的爆震波工作模态。虽然预爆管能够快速建立爆震波工作模态，但该装置会增加燃烧室的体积，并且在燃烧室外环设计冷却水套等其他结构时，该装置会增加设计的复杂度，不利于燃烧室的结构设计。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术存在的不足,克服传统的RDE需要预爆管起爆，不稳定工作时再启动等问题；本发明提出一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机。首先，本发明在能够实现快速起爆的条件下，省去了RDE的预爆管结构，可明显减小燃烧室的体积；其次，当发动机开始出现不稳定工作状态时，即以缓燃波模态工作时，扰流装置能够对流场产生有效地扰动，快速实现DDT过程，可有效避免发动机出现长时间不稳定工作。

本发明的技术方案为：

所述一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，主体由燃烧室盖板、进气环腔、燃烧室内环、燃烧室外环和扰流装置组成。

所述发动机盖板中心分布了燃料进气孔和氧化剂进气孔，分别供给燃料和氧化剂；所述进气环腔与发动机盖板通过周向均布的12个螺钉进行连接，其沿周向均布了两组供气孔，每组供气孔为60个，供气孔与轴向的夹角为45°，两组供气孔分别供给燃烧室所需的氧化剂和燃料；所述燃烧室外环与进气环腔通过周向均布的12个螺钉进行连接，燃烧室外环上预留了火花塞安装孔和两个压力传感器安装孔，两个压力传感器安装孔沿周向间隔为90°；燃烧室内环与进气环腔通过沿周向均布的4个螺钉进行连接，燃烧室外环和燃烧室内环组成了RDE的环腔型燃烧室。

所述的扰流装置嵌入在进气环腔内，由扰流块、弹簧、传动结构、自锁开关和密封圈组成；扰流块安装在进气环腔的椭圆孔内，且与燃烧室的轴向平行；弹簧的一端安装在进气环腔内部的环缝中，另一端与扰流块进行连接；所述传动结构由两块垂直的矩形板组成，通过矩形槽结构进行连接，传动结构一端安装在沿径向分布的圆孔内，另一端嵌套在自锁开关的中心；自锁开关安装在进气环腔内的肋板结构中，其外环为圆柱体，内部为空心的正六边形；自锁开关能接受计算机的控制信号，收到控制信号后，自锁开关自动沿顺时针转动20°；另外，当自锁开关转动的角度超过15°后，自动恢复到初始状态；密封圈安装在进气环腔的椭圆孔内，起到密封和防回火的作用。

有益效果

本发明一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，采用嵌入式的扰流装置，可以省去旋转爆震发动机的预爆管装置，能有效减小发动机的体积；扰流装置可以实现多次启动，有效地解决了工作过程中爆震波解耦，发动机再启动的问题，保证了发动机工作的稳定性；在发动机稳定工作时，扰流装置不会对燃烧室内的流场产生任何影响，不会造成性能损失；燃烧室环腔内均布的供气孔与扰流块采用间隔分布，能有效减小扰流块对燃料和氧化剂的供给与掺混过程的影响；发动机部件基本都采用机械装置，设计合理，能够保证工作的可靠性和稳定性。

附图说明

图1：燃烧室示意图；

图2：燃烧室半剖视图；

图3：供气环腔示意图；

图4：扰流装置示意图；

图5：传动结构示意图；

图6：不同工作状态时扰流块的位置；

其中，1-发动机盖板，2-进气环腔，3-燃烧室外环，4-燃烧室内环，5-氧化剂进气孔，6-燃料进气孔，7-氧化剂供气环腔，8-燃料供气腔，9-扰流块，10-弹簧，11-传动结构，12-自锁开关，13-密封圈，14-供气孔，15-火花塞安装孔，16-传感器安装孔，17-螺钉，18-火花塞，19-动态压力传感器，20-计算机，21-信号线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，附图描述本发明：

参阅图1和图2所示，本发明主体由燃烧室盖板1、进气环腔2、燃烧室内环3、燃烧室外环4组成。发动机盖板1中心分布了燃料进气孔6，外界气源供给的气态燃料，通过燃料进气孔6供给到进气环腔的空心腔体8内，发动机盖板1沿周向均布的6个氧化剂进气孔5，外界气源供给的气态氧化剂，通过氧化剂进气孔5供给到进气环腔的空心环腔7内。进气环腔2与发动机盖板1通过周向均布的螺钉17进行连接，进气环腔中心处的空心腔体和靠外环的空心环腔的壁面上，分别沿周向均布了两组供气孔14，每组供气孔为60个，供气孔与轴向的夹角为45°。外界气源供给到空心腔体的燃料，通过空心腔体一侧的供气孔供给到环腔型燃烧室内，外界气源供给到供气环腔的氧化剂，通过环腔一侧的供气孔供给到环腔型燃烧室内。燃烧室外环3与进气环腔2通过周向均布的12个螺钉进行连接，燃烧室外环3上预留了火花塞安装孔15和两个动态压力传感器安装孔16，两个传感器安装孔沿周向间隔90°。火花塞18安装在火花塞安装孔内，发动机开始工作时起到点火的作用。动态压力传感器19安装在传感器安装孔16内，监测燃烧室内燃烧波的压力和传播速度，采集的压力信号通过信号线21传输到发动机控制系统中的计算机20。燃烧室内环4与进气环腔2通过沿周向均布的4个螺钉进行连接，燃烧室外环3和燃烧室内环4组成了RDE的环腔型燃烧室。

参阅图3、图4和图5所示，扰流装置嵌入进气环腔2内，由扰流块9、弹簧10、传动结构11、自锁开关12和密封圈13组成。扰流块9安装在进气环腔2的椭圆孔内，且与燃烧室的轴向平行。弹簧10的一端安装在进气环腔2内部的环缝中，另一端与扰流块9进行连接。传动结构11由两块垂直的矩形板组成，通过矩形槽结构进行连接，两块矩形板能在一定幅度内运动。其中，沿燃烧室径向的矩形板由于圆孔的限制，只能沿径向运动，另一块矩形板只能以自锁开关12为圆心进行旋转。自锁开关12安装在进气环腔内的肋板结构中，其外环为圆柱结构，内部为空心的正六边形，矩形板的一端凸出的正六边形结构，正好嵌套在自锁开关中，与自锁开关同步转动。自锁开关12能通过信号线21接受计算机20的控制信号，收到控制信号后，自锁开关12自动沿顺时针转动20°。另外，当自锁开关12转动的角度超过15°后，自动恢复到初始状态。密封圈13安装在椭圆孔中，起到密封和防回火的作用，密封圈的材料。

工作循环过程

发动机点火前，扰流装置的状态参阅图6(a)所示，扰流块9伸入燃烧室环腔内。发动机供气后，氧化剂和燃料分别从供气孔14进入到燃烧室环腔内，火花塞18点火，火焰在燃烧室环腔内传播。当火焰锋面经过扰流块9时，扰流块9能增大流场的湍流度，对火焰起到加速的作用。经过数个扰流块加速作用后，火焰传播速度迅速增加，燃烧室内的压力也会升高。参阅6(b)所示，扰流块9受到气体的压力作用后，沿燃烧室轴向运动，其后的弹簧10被压缩。扰流块9沿轴向运动过程中，会挤压传动装置11，其中一块矩形板沿径向运动，两块矩形板的相对位置随之变化，另一块矩形板以自锁开关12为圆心，带动自锁开关同步旋转。缓燃波转变为爆震波的过程中，随着燃烧室内的压力不断升高，弹簧10产生形变量越来越大。当燃烧室内的燃烧波转变为爆震波后，燃烧室内的压力达到最大值，扰流块被全部压入椭圆孔内，参阅6(c)所示。此时，扰流块9不再与传动装置11接触，传动装置的径向位移达到最大值，与其连接的自锁开关12沿顺时针转动的角度超过15°。在不受力的条件下，自锁开关12自动沿逆时针旋转到初始状态。扰流块9受到传动装置和环腔壁面的限制，无法沿轴向运动，此时弹簧10处于形变量最大的压缩状态。建立了上述的稳定工作状态后，扰流装置11不会对燃烧室内的流场产生任何影响，发动机处于稳定工作状态。

在爆震波传播过程中，受到填充等因素的影响，爆震波会出现解耦的现象，转变为缓燃波。具体表现为，燃烧波峰值压力迅速降低，并且传播速度大幅度衰减。通过动态压力传感器19采集的信号，经过控制系统中的计算机20分析后，可以立即捕捉到爆震波解耦的现象，计算机的控制程序自动发出信号。自锁开关通过信号线21接收到信号后，自锁开关12自动沿顺时针转动20°，带动传动装置11沿径向运动一定的距离，矩形板不再限制扰流块9的运动，处于压缩状态的弹簧10，推动扰流块进入燃烧室环腔中。扰流块9的头部刚好不再挤压传动装置11时，传动装置恢复到初始状态，参阅6(a)所示。此时，扰流块能够对流场进行有效地扰动，火焰在经过数个扰流块的加速作用后，再次转变为爆震波模态。扰流块9受压力作用后，被全部压入椭圆孔内，参阅6(c)所示。扰流块9不再与传动装置11接触，传动装置的径向位移达到最大值，自锁开关12沿顺时针转动的角度超过15°，在不受力的条件下，自锁开关自动沿逆时针旋转到初始状态。扰流块受到传动装置和环腔壁面的限制，无法沿轴向运动，此时弹簧10处于形变量最大的压缩状态。此时，燃烧室再次恢复到稳定的爆震波工作模态。

当发动机结束工作时，通过氧化剂进气孔5喷注氮气，火焰不能维持传播状态，发动机熄火。此时自动触发计算机20的控制系统，自锁开关12接到开启的命令后，会沿顺时针旋转20°，传动系统正好不再限制扰流块9的运动。处于压缩状态的弹簧10，推动扰流块进入燃烧室环腔中。扰流块的头部刚好不再挤压传动装置时，传动装置恢复到初始状态，参阅图6(a)所示。

Claims (9)

1.一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：包括发动机盖板、进气环腔、燃烧室内环、燃烧室外环和扰流装置；所述发动机盖板采用圆柱结构，位于旋转爆震发动机的头部，与进气环腔通过周向均布的螺钉进行连接；进气环腔位于发动机盖板和燃烧室外环之间，两侧均通过周向均布的螺栓进行连接，进气环腔在靠近发动机盖板一侧，中心处为空心圆柱形腔体，靠外环处为空心环腔结构A，进气环腔在靠近燃烧室外环一侧设置有一圈位于空心圆柱形腔体和靠近外环处空心环腔结构A之间的空心环腔结构B，用于放置扰流装置；燃烧室外环采用空心圆环结构，燃烧室内环采用圆柱结构，燃烧室外环和燃烧室内环组成了环腔型燃烧室，与进气环腔通过沿周向均布的螺钉进行连接，位于发动机的尾部；扰流装置嵌入在进气环腔内部的空心环腔结构B中，其由扰流块、弹簧、传动结构、自锁开关和密封圈组成；扰流块的一端安装在进气环腔的椭圆孔内，且与燃烧室的轴向平行，另一端与弹簧进行了连接；弹簧的另一端安装在进气环腔内部的环缝中，其与扰流块的方向相同，即与燃烧室的轴向平行，扰流块和弹簧都嵌入在进气环腔内部；传动结构由两块相互垂直的矩形板组成，通过矩形槽结构进行连接，传动结构一端安装在沿径向分布的圆孔内，另一端嵌套在自锁开关的中心；自锁开关的外环为圆柱形结构，内部为空心的正六边形，安装在进气环腔内的肋板结构中，自锁开关和传动结构都嵌入在进气环腔内部的空心环腔结构B内；密封圈安装在椭圆孔中，起到密封和防回火的作用。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：发动机盖板中心分布了燃料进气孔，外界气源供给的气态燃料，通过燃料进气孔供给到进气环腔的空心圆柱形腔体内；发动机盖板沿周向均布的6个氧化剂进气孔，外界气源供给的气态氧化剂，通过氧化剂进气孔供给到进气环腔的空心环腔结构A内。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：进气环腔中心处的空心圆柱形腔体和靠外环的空心环腔结构A的壁面上，分别沿周向均布了两组供气孔，每组供气孔为60个，供气孔与轴向的夹角为45°，外界气源供给到进气环腔的燃料，通过空心圆柱形腔体一侧的供气孔供给到环型燃烧室内，外界气源供给到进气环腔的氧化剂，通过空心环腔结构A一侧的供气孔供给到环型燃烧室内。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：扰流块的一端为椭圆柱结构，在相同的阻塞比条件下，椭圆柱结构能减小扰流块的体积；扰流块的另一端，采用与轴向的夹角为15°的圆台结构，并且头部进行倒圆角的处理，使得在挤压传动装置时，可以实现平滑过渡；扰流块采用具有轻质、耐高温和抗冲击特性的材料。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：密封圈安装在椭圆孔中，可以防止未燃或已燃气体进入扰流装置的环腔内，消除安全隐患，其材料采用耐高温，不易燃的材料。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：发动机点火前，弹簧处于轻微压缩的状态，保证扰流块的圆台结构能紧贴在空心环腔结构B的壁面上，使得椭圆柱结构完全伸入到燃烧室内。

7.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：传动结构由两块垂直的矩形板组成，其中一块矩形板的一端凸出圆柱结构，另一块矩形板的中心为空心的矩形槽结构，两块矩形板通过将圆柱装配到矩形槽的方式进行连接，采用间隙配合；圆柱设置在矩形槽内，沿长度方向自由移动，进而实现了两块矩形板一定幅度内的相对运动。

8.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：自锁开关的外环为圆柱形结构，内环为空心的正六边形结构；正六边形的设计能够保证传动装置与自锁开关同步转动，防止发生相互滑动；自锁开关转动时，当转动角度超过15°时，在不受力的条件下，会自动回到初始状态；自锁开关接收到发动机控制系统中的计算机发出的控制信号后，自动沿顺时针旋转20°，保证传动结构产生足够大的径向位移，使扰流块顺利进入到燃烧室内。

9.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，其特征在于：进气环腔内周向均布的供气孔与扰流块采用间隔分布，能有效减小扰流块对燃料和氧化剂的供给与掺混过程的影响。

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