CN110131071A - 一种脉冲爆震发动机燃烧室及其起爆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种脉冲爆震发动机燃烧室及其起爆方法，将大尺寸的主爆震室分割成若干尺寸较小的分区，首先将空气和燃料填充到主爆震室，然后在靠近爆震室左端壁的第一列分区中用低能量点火，火焰在小尺寸的分区中经加速形成能量较大且含有大量活性基团的热射流进入主爆震室；随后，该射流与左端壁面碰撞导致激波聚焦，火焰速度加快、激波强度加强；接着，通过相应的时序控制用低能量点燃距离左端壁面较远的第二列分区中的混合燃料，此分区形成的射流进入主爆震室再次增加了点火能量。相比于普通点火，本发明将多点点火、射流点火、障碍物强化扰流、激波反射聚焦和小管道加速等原理和方法有机结合起来，爆震波会在更短的时间和距离内产生也就缩短了DDT的时间和距离。

Description

一种脉冲爆震发动机燃烧室及其起爆方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种脉冲爆震发动机燃烧室及其起爆方法。
背景技术
脉冲爆震发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的自增压(约13-15倍)动力装置，可以运行在一个非常宽的飞行马赫数范围内(Ma＝0～5)，而且在亚声速、超声速都可以高效工作。按照是否自带氧化剂，脉冲爆震发动机分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。另外，爆震燃烧模式具有热效率高(49％)、燃烧速率快(2000m/s)的显著优点。采用该技术的PDE容热强度高，能使动力装置获得更大的单位推力和更低的耗油率。
生成爆震波是脉冲爆震发动机的内在本质，通过高能量强点火模式的爆震波直接起爆在工程上几乎是不可能实现的，因为大部分的碳氢燃料和空气混合物直接起爆需要的能量很高。此外，直接起爆对混气的品质、均匀性以及湍流度均有较高的要求，即点火过程对爆震室内的非定常气流流动十分敏感。通过低能量的点火源首先产生缓燃波，然后通过火焰加速、激波和火焰的相互作用实现缓燃向爆震的转变(Deflagration to DetonationTransition，简称DDT)，才是爆震波切实可行的触发方式。目前，减小缓燃向爆震转变距离的方法包括Shchelkin螺旋等扰流强化装置，或采取一些新型点火方式，如：瞬态等离子点火、分布式外部点火源点火、射流点火、光学点火和激波聚焦等，但如何有效突破DDT过程的瓶颈仍然没有得到较好的解决。
发明内容
缓燃向爆震转捩(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)过程的长短决定了爆震室的长度，因此在很大程度上影响了脉冲爆震发动机的频率。为了进一步的缩短DDT过程、实现高效、快速、短距的起爆，本发明提出了一种脉冲爆震发动机燃烧室及其起爆方法，在低能量点火的前提下，通过相应的结构设计、空间布局和点火时序等实现热射流、激波聚焦、多点点火、障碍物强化扰流等多种促爆机制和方法的有机结合，从而缩短DDT距离和时间，提高发动机工作频率，进而提升发动机性能。对于吸气式脉冲爆震发动机，由于缩短了DDT时间，一个工作循环内，发动机有更多的时间用于排气，从而减小反传燃气的总压，使得进气道内的压力脉动减小，从而提升吸气式脉冲爆震发动机的推进性能。
本发明的原理是将主爆震室划分为若干分区，在分区中低能量点火后，由于分区尺寸较小，火焰在分区里面加速传播，携带大量活性基团的热射流从分区出口射出进入主爆震室，增强了点火能量；而多个分区同时点火，即充分发挥了多点点火的优势，显著增加了主爆震室中的点火覆盖面积；沿周向对称分布的分区结构又实现了激波聚焦，从而增强了激波的强度；同时分区的存在又兼顾障碍物的作用，增加了湍流度，有利于火焰的加速燃烧。
本发明的技术方案为：
所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，包括主爆震室、燃油喷嘴和吸气阀门；燃油喷嘴布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内喷注燃料，吸气阀门布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内吸入氧化剂或空气；
其特征在于：在主爆震室内壁面上沿轴向布置有两列分区，每一列分区由若干个独立的小分区组成，每个小分区为仅一端开口的密闭结构，开口方向朝向主爆震室内端面；在每个小分区内部安装有点火器，且同一列分区中所有小分区的点火器串联，能够同时点火。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：燃油喷嘴安装在主爆震室内端面与靠近主爆震室内壁面的一列分区出口位置之间的主爆震室壁面上，且若干燃油喷嘴沿主爆震室周向均匀分布；吸气阀门安装在主爆震室内端面上。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：每一列分区中的若干个独立小分区在主爆震室周向上均匀分布。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：独立小分区的轴向长度与主爆震室直径的比值不小于1。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区出口位置和主爆震室内端面之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2～0.4。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区后端和另一列分区出口位置之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区口径与主爆震室直径的比值为0.2。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：另一列分区口径为靠近主爆震室内壁面的一列分区口径的1.25倍。
所述一种脉冲爆震发动机燃烧室的起爆方法，其特征在于：打开燃油喷嘴向主爆震室喷注燃料，同时打开吸气阀门引入氧化气体与燃油喷雾充分混合，待氧化气体和燃料充满整个主爆震室后关闭阀门；靠近主爆震室内壁面的一列分区中的点火器同时点火，点燃该列分区中的混合燃料，火焰在该列分区中加速燃烧，形成热射流从该列分区出口射出并进入主爆震室；而后按照设计的时序控制另一列分区中的点火器同时点火，点燃该列分区中的混合燃料，火焰在该列分区中加速燃烧，形成热射流从该列分区出口射出并进入主爆震室，再次加强了火焰能量，最终产生爆震波。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机燃烧室的起爆方法，其特征在于：通过时序控制所述另一列分区中的点火器同时点火的时刻，使所述靠近主爆震室内壁面的一列分区中形成的火焰前端激波经过主爆震室内壁面反射后，在所述靠近主爆震室内壁面的一列分区后端和所述另一列分区出口位置之间的位置，与所述另一列分区形成的火焰前端激波发生碰撞叠加。
有益效果
本发明提出的一种脉冲爆震发动机燃烧室起爆方法，有益效果是：一般来说，低能量点火由于点火能量很小，需要较长的DDT时间和距离。这会限制发动机工作频率的进一步提高，也就限制了发动机的推进性能的进一步提升。对于吸气式脉冲爆震发动机来说，较长的DDT时间及距离除了有上述影响外，还会使得其进气道出现较大的压力脉动，进一步影响发动机工作稳定性。这是因为吸气式脉冲爆震发动机存在压力前传的问题，而较长的DDT距离需要较长的排气时间，爆震波传出爆震室后，发动机尾部产生的膨胀波束来不及追上前传的压力波并削弱其压力，使得反传燃气一直传入进气道。本发明能有效改善上述问题。低能量点火具有简便易行的特点，本发明仍继承了这一优点，但是在采用低能量点火的基础上放大了点火能量。可燃混气在尺寸较小的分区内被点燃后，火焰在此分区的发展过程类似于在射流管中的发展，当火焰传出分区进入爆震室时，相当于一股热射流去点燃爆震室内的可燃混气，这股热射流的能量比普通点火释放出的能量显然要大很多。除此之外，分区又兼顾障碍物的作用，分区的存在减小了主爆震室的尺寸，有利于火焰的加速和激波的发展。而通过相应的时序控制而实现的再次点火又充分发挥了多点点火的优势，使得点火能量进一步加大，高温高压区域进一步扩大。所以，相比于普通点火，爆震波会在更短的时间及距离内产生，也就是缩短了DDT时间及距离。这样，爆震室的长度可以进一步缩短，从而提高发动机的工作频率。另外，对于吸气式脉冲爆震发动机，如上所述，缩短了爆震室后，发动机内的排气负担减小，使得发动机出口产生的膨胀波束能够更快地赶上前传的压力波，减小进气道内的压力扰动，在提升发动机工作稳定性的同时获得更好的推进性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明的二维物理模型图；
图2：本发明的起爆原理示意图；
图中1、第一列分区；2、第二列分区；3、第一列分区的点火区；4、第二列分区的点火区；5、主爆震室；6、燃油喷嘴；7、吸气阀门。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明中的一种脉冲爆震发动机燃烧室，包括主爆震室、燃油喷嘴和吸气阀门；燃油喷嘴布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内喷注燃料，吸气阀门布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内吸入氧化剂或空气；吸气阀门为旋转阀门，当阀门打开时，引入燃烧所需的氧化剂或空气，当阀门关闭时，阀门充当壁面；主爆震室右端为出口，其与外界相通。
在主爆震室内壁面上沿轴向布置有两列分区，每一列分区由若干个独立的小分区组成，从左向右而言，第一列分区的分区数和第二列分区的分区数可以一样，也可以不一样。
每一列分区中的若干个独立小分区在主爆震室周向上均匀分布，分区截面(去除主爆震室内壁面)可以是圆形也可以是方形；每个小分区为仅一端开口的密闭结构，开口方向朝向主爆震室内端面，并与主爆震室相联通，在每个小分区内部安装有点火器，且同一列分区中所有小分区的点火器串联，能够同时点火。
为了保证进入主爆震室的燃油喷雾与空气充分混合，并填充整个主爆震室(含所有分区)，燃油喷嘴安装在主爆震室内端面与第一列分区出口位置之间的主爆震室壁面上，且若干燃油喷嘴沿主爆震室周向均匀分布。燃油喷嘴和主爆震室内端面的距离为第一列分区出口位置和主爆震室内端面的距离的1/3。
为了确保从分区中射入主爆震室的射流强度足够大，独立小分区的轴向长度与主爆震室直径的比值不小于1。第一列分区出口位置和主爆震室内端面之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2～0.4，此范围下第一列分区产生的激波在与主爆震室内端面碰撞后反射的激波强度相对较大。第一列分区后端和第二列分区出口位置之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2，此距离下从第二列分区出来的射流火焰前段激波与第一列分区产生的并经过主爆震室内端面反射的激波能充分碰撞、叠加，使得主爆震室的激波强度进一步增大。第一列分区口径与主爆震室直径的比值为0.2，其目的在于使分区尺寸足够小以加速火焰在分区中的传播从而获得一定强度的热射流；第二列分区口径为第一列分区口径的1.25倍，这样既能获得足够的射流强度又有利于混合燃料填充到第二列分区中。
上述脉冲爆震发动机燃烧室的起爆方法为：
首先，打开燃油喷嘴向主爆震室喷注燃料，与此同时打开主爆震室左端的吸气阀门引入氧化气体与燃油喷雾充分混合，待氧化气体和燃油充满整个主爆震室随即关闭阀门。第一列分区右端点火区为串联结构，因此单点点火即可实现第一列分区中所有小分区的同时点火，由于分区尺寸较小，火焰在分区中加速燃烧，携带大量活性基团的热射流从分区中射出进入主爆震室，放大了点火能量，如图2(a)所示。接着，从第一列分区出来的射流与主爆震室左端内壁面发生碰撞导致火焰前端的激波发生聚焦，显著增强了传入主爆震室的激波的强度，并产生了高温高压区域。第一列分区的存在使得主爆震室尺寸减小了，这有利于激波与壁面的碰撞，减小了激波传播时的能量的损失，同时第一列分区又兼顾障碍物的作用，进一步加强了主爆震室中火焰的传播，如图2(b)所示。随着燃烧的进行，当火焰前端的激波传播到一定位置的时候，以同样的方式点燃第二列分区的点火区中的混合燃料，火焰在第二列分区中的传播与在第一列分传播过程类似，通过相应的时序控制使得从第二列分区出来的火焰前端的激波与主爆震室中火焰前端的激波发生碰撞、叠加进一步增强主爆震室中激波的强度(时序控制的目的是让激波碰撞、叠加的区域处于两列分区之间)，高温高压区域进一步扩大，如图2(c)所示。最后，在高温高压区的作用下爆震波生成。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种脉冲爆震发动机燃烧室，包括主爆震室、燃油喷嘴和吸气阀门；燃油喷嘴布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内喷注燃料，吸气阀门布置在主爆震室壁面或端面上，能够向主爆震室内吸入氧化剂或空气；
其特征在于：在主爆震室内壁面上沿轴向布置有两列分区，每一列分区由若干个独立的小分区组成，每个小分区为仅一端开口的密闭结构，开口方向朝向主爆震室内端面；在每个小分区内部安装有点火器，且同一列分区中所有小分区的点火器串联，能够同时点火。
2.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：燃油喷嘴安装在主爆震室内端面与靠近主爆震室内壁面的一列分区出口位置之间的主爆震室壁面上，且若干燃油喷嘴沿主爆震室周向均匀分布；吸气阀门安装在主爆震室内端面上。
3.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：每一列分区中的若干个独立小分区在主爆震室周向上均匀分布。
4.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：独立小分区的轴向长度与主爆震室直径的比值不小于1。
5.根据权利要求1或4所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区出口位置和主爆震室内端面之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2～0.4。
6.根据权利要求5所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区后端和另一列分区出口位置之间的轴向距离与主爆震室直径的比值为0.2。
7.根据权利要求6所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：靠近主爆震室内壁面的一列分区口径与主爆震室直径的比值为0.2。
8.根据权利要求7所述一种脉冲爆震发动机燃烧室，其特征在于：另一列分区口径为靠近主爆震室内壁面的一列分区口径的1.25倍。
9.权利要求1所述一种脉冲爆震发动机燃烧室的起爆方法，其特征在于：打开燃油喷嘴向主爆震室喷注燃料，同时打开吸气阀门引入氧化气体与燃油喷雾充分混合，待氧化气体和燃料充满整个主爆震室后关闭阀门；靠近主爆震室内壁面的一列分区中的点火器同时点火，点燃该列分区中的混合燃料，火焰在该列分区中加速燃烧，形成热射流从该列分区出口射出并进入主爆震室；而后按照设计的时序控制另一列分区中的点火器同时点火，点燃该列分区中的混合燃料，火焰在该列分区中加速燃烧，形成热射流从该列分区出口射出并进入主爆震室，再次加强了火焰能量，最终产生爆震波。
10.根据权利要求9所述一种脉冲爆震发动机燃烧室的起爆方法，其特征在于：通过时序控制所述另一列分区中的点火器同时点火的时刻，使所述靠近主爆震室内壁面的一列分区中形成的火焰前端激波经过主爆震室内壁面反射后，在所述靠近主爆震室内壁面的一列分区后端和所述另一列分区出口位置之间的位置，与所述另一列分区形成的火焰前端激波发生碰撞叠加。
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