CN110173374B - 一种基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，包括爆震管组件、阻塞比调节组件、测试组件和供气组件。该装置利用阻塞片的转动来调节爆震管内部的阻塞比，相比于常规的固定阻塞比爆震管具有较大的优势，其可以利用外部步进电机，针对不同环境和工况对阻塞比进行调节，能提高起爆效果。该类型装置应用于爆震领域在国内外尚属首创，具有结构简单、调节方便、可以较好地适应外部环境的变化、提高燃烧效率和节约成本等优势。可在爆震推进及爆震实验等领域得到应用。

Description

一种基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管

技术领域

本发明涉及爆震燃烧、爆震推进及爆震实验等领域，具体为基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管。

背景技术

目前，燃烧及与其相关的动力机械仍然是人类最主要的动力来源，众所周知，自然界中存在两种不同的燃烧波：缓燃波和爆震波。缓燃波是一个比较简单的化学反应区，相对于反应物以亚音速传播，爆震波相对于反应物以超音速传播。当前航空航天发动机主要采用等压燃烧，其燃烧波均以缓燃波为主，经过漫长的发展和革新，技术水平已经相当成熟，热效率的提升几乎到达瓶颈。因此，提高航空航天发动机的热效率需要新的燃烧和循环方式，而基于等容燃烧过程的爆震燃烧恰好满足要求，已成为研究的热点。

通常，获取爆震波的途径主要有两种：一是采用直接起爆的方法，通过高能点火装置点燃燃料，来直接获得爆震波，由于需要较高的点火能量，使得该方法很少得到应用；二是采用由缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)的方法来获得爆震波，通过较小的点火能量点燃混气形成缓燃波，经过DDT段，缓燃波逐渐加速发展成为爆震波，该种方法较为简单，是当前主流的爆震波获取手段。然而，不同类型的DDT段会对爆震波的形成产生较大的影响，其中DDT段的阻塞比就是一个重要的因素，其能够影响由缓燃向爆震转变所需的时间。目前，爆震管中主要采用Shchelkin螺旋作为DDT段的障碍物，虽然在实验中能够获得较好的起爆效果，但是阻塞比无法调节，不利于实际应用。

此外，爆震燃烧通常应用于航空航天推进领域，其外界工况较为复杂，为保证爆震管内的燃料在任何工况下均能形成爆震波，通常会增加DDT段的长度，但在工况良好的情况下，爆震波会在DDT中段形成，此时，后端的障碍物会造成能量损失并且易发生烧蚀现象。如果后端DDT段的阻塞比能根据实际情况来进行调节，会极大地增加爆震管的使用寿命。因此，设计一种可调节阻塞比的爆震管就显得尤为重要，本发明为基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，恰能解决爆震管阻塞比不能调节的问题，并且易于更换损坏的阻塞片，对爆震燃烧的实际应用具有重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

目前，常规爆震管的DDT段通常采用Shchelkin螺旋或其他结构形式的障碍物，虽然在实验中可以获得良好的效果，但在实际应用中，爆震发动机的工况较为复杂，需要根据外界条件来实时改变爆震波的产生位置，此时，固定阻塞比的爆震管将不再适用。针对该问题，本发明提出用虹膜光圈原理来改变爆震管的阻塞比，进而调节爆震波的产生位置，以适应外界工况的变化。本发明可以用于爆震推进及爆震实验等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，包括爆震管组件、阻塞比调节组件、测试组件和供气组件，其特征在于：阻塞比调节组件和测试组件按一定的排列方式安装于爆震管组件中，供气组件则通过管路将燃料和氧化剂供给至爆震管组件，在爆震管头部点火后，爆震管组件中的缓燃波经过DDT过程形成爆震波，此时测试组件对爆震管内的压力、温度等参数进行测量，并结合燃料和氧化剂的实时状态进行相关分析，然后将分析结果传递给阻塞比调节组件，随后，阻塞比调节组件开始作动，改变阻塞比，以适应工况的变化。使用变阻塞比爆震管可以扩大爆震管正常工作的工况范围，使之在低压、低温和贫富油极限附近亦能正常工作。

所述阻塞比调节组件由不锈钢材料制成，包括六片阻塞片、固定环①、固定环②、中间固定环、六个固定轴、驱动环、外圈组件、驱动轴和步进电机。其中，阻塞片是本套系统中最为重要的零件，其尾端是一圆形齿轮，用于和外圈相配合，中间开有圆孔，使之能够与固定轴配合，前端一侧为内凹的圆弧形，是调节爆震管障碍物轮廓的关键，另一侧为外凸的圆弧形，主要起到遮挡的作用；固定环②整体为一圆环形，由上下两部分组成，上半部分为一圆盘形，中间开有通孔，孔径和爆震管内径一致，并在圆盘外侧设有两组各六个小孔，内侧六个小孔用于安装固定轴，外侧六个小孔用于和外圈组件的法兰配合，下半部分为一圆环外套并在最下侧设有法兰，用于和爆震管配合；固定环①整体和固定环②相似，区别在于，固定环①上半部分设有1个圆孔和两个环形台，其中圆孔用于安装驱动轴的轴承，两个环形台则设计为球头接口，用于安装阻塞比调节组件的供气管路；中间固定环整体为一圆环形，内侧有三个圆形通孔，用于安装驱动轴和进气，外侧有六个小孔，用于安装固定轴；固定轴为六个圆柱形轴，可以和固定环①、固定环②和中间固定环配合，并且长度可以根据阻塞比调节组件的数量进行改变，两端采用螺栓固定；驱动环为一圆环，其内圈设计为齿轮形，用于和阻塞片、驱动轴配合，外圈为一普通圆环，尺寸小于外圈组件；外圈组件为圆环圈，两侧设有法兰，可包裹固定环①、固定环②和驱动环，待装配完成后，两端分别用螺栓固定在固定环①和固定环②上；驱动轴一端为齿轮，用于和驱动环配合，另一端为一圆柱体，用于和步进电机或其它固定轴连接。

所述爆震管组件由爆震管头部、爆震管和尾喷管组成，其中爆震管头部整体为一圆柱形，前端封闭，并开有三个孔，用于和供气组件连接，尾端则设有法兰，用于和固定环①上的法兰连接，同时，可以根据需要，在爆震管头部内安装相应的固定阻塞比障碍物，以减小装置的整体尺寸；尾喷管前端也设有法兰，后端为扩张形尾喷管，同时可以根据实际情况换为其它形式的尾喷管；爆震管前后端均设有法兰，其整体长度可以根据实际情况进行设计；此外，在爆震管组件的不同位置开有测压和测温孔，用于安装相关传感器。

所述测试组件由压力传感器、温度传感器、电磁阀控制系统和相关分析软件组成，其中传感器用于实时测量爆震管内的压力和温度等参数，然后将数据传递至分析软件，根据先前设定和实际工况，分析软件驱动步进电机，对爆震管不同位置处的阻塞比进行调节；此外，当爆震管内的工作频率较高或者外部环境较为寒冷时，分析软件会驱动电磁阀打开，在阻塞比调节组件内供给氧化剂，以提高装置的填充度并适应环境的改变。

所述供气组件由燃料和氧化剂的供给系统组成，其中燃料连接至爆震管头部，氧化剂则分别供给至爆震管头部和阻塞比调节组件。在氧化剂进入阻塞比调节组件前经过一个电磁阀，该电磁阀受测试组件驱动，处于常闭状态，当爆震管内氧化剂较少时，电磁阀开启，供给氧化剂，此时氧化剂也起到流体障碍物的作用。

有益效果：

采用本发明提供的基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，可以通过步进电机直接调节爆震管不同位置处的阻塞比，在实际应用中，操作较为简单，并且可以实时根据爆震管内压力和温度等参数的变化自动进行调节，相比于当前广泛使用的定阻塞比爆震管具有较大的优势。同时，本发明在实验研究中具有较大的推广价值，无需更换爆震管就可以研究阻塞比和流体障碍物等对爆震推进的影响，既节省了时间，又提高了实验效率。此外，在航空航天推进装置中使用变阻塞比爆震管可以扩大飞行器正常工作的工况范围，使之能够在低压、低温和贫富油极限附近正常工作，具有显著的优势。

附图说明

图1为阻塞比调节组件拆分图；

图2为阻塞比调节组件示意图(阻塞比为0)；

图3为阻塞比调节组件示意图(任意阻塞比)；

图4为固定环2示意图；

图5为阻塞片示意图；

图6为变阻塞比爆震管整体安装图(实验用)；

图7为变阻塞比爆震管整体安装图(实际应用)；

其中，1为爆震管，2为固定环②，3为外圈组件，4为驱动环，5为阻塞片，6为固定轴，7为固定环①，8为轴承，9为驱动轴，10为法兰，11为爆震管头部，12为尾喷管，13为爆震管头部进气孔，14为阻塞比调节组件进气孔，15为固定轴孔，16为驱动轴孔，17为法兰装配孔，18为步进电机，19为中间固定环，20为螺旋弹簧，21为外圈固定孔，4-1为驱动环①，4-2为驱动环②，4-3为驱动环③，4-4为驱动环④，4-5为驱动环⑤，4-6为驱动环⑥，4-7为驱动环⑦，4-8为驱动环⑧，5-1为阻塞片①，5-2为阻塞片②，5-3为阻塞片③，5-4为阻塞片④，5-5为阻塞片⑤，5-6为阻塞片⑥，6-1为固定轴①，6-2为固定轴②，6-3为固定轴③，6-4为固定轴④，6-5为固定轴⑤，6-6为固定轴⑥，10-1为法兰①，10-2为法兰②，10-3为法兰③，10-4为法兰④，10-5为法兰⑤，10-6为法兰⑥，13-1为爆震管头部进气孔①，13-2为爆震管头部进气孔②，13-3为爆震管头部进气孔③，14-1为阻塞比调节组件进气孔①，14-2为阻塞比调节组件进气孔②，15-1为固定轴孔①，15-2为固定轴孔②，15-3为固定轴孔③，15-4为固定轴孔④，15-5为固定轴孔⑤，15-6为固定轴孔⑥，19-1为中间固定环①，19-2为中间固定环②，19-3为中间固定环③，19-4为中间固定环④，19-5为中间固定环⑤，19-6为中间固定环⑥，19-7为中间固定环⑦。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例主要适用于爆震实验方面，可以用来研究爆震管内障碍物数量和阻塞比等因素对爆震波产生的影响，下面以八个障碍物的爆震管为例来进行说明。

首先，按照图1阻塞比调节组件拆分图所示，将六个固定轴6安装到固定环①7上，然后，将六个阻塞片5对称安装，并且保证各个阻塞片5的角度一致，再安装驱动轴9和驱动环4等组件，最后将中间固定环19与固定轴6装配到一起，保证每个固定轴6卡在中间固定环19相应的位置处，从而完成一个阻塞比调节组件的装配。

在本实施例中，如图6变阻塞比爆震管整体安装图(实验用)所示，共有八组阻塞比调节组件，其安装方法如上所述，区别在于，其余固定轴6安装在前一个阻塞比调节组件的中间固定环19上，且其余驱动轴9采用短驱动轴9(轴杆较短)，安装时要与前一个驱动轴9固定在一起，并在安装至最后一个阻塞比调节组件时，用固定环②2代替中间固定环19，用于和爆震管1相配合，再将外圈组件3套在八个阻塞比调节组件上，并分别与固定环①7和固定环②2螺栓连接，同时保证密封性。然后，将爆震管头部11、阻塞比调节组件、爆震管1和尾喷管12依次用法兰10连接，最后安装步进电机18和供气装置等。

安装完成后，步进电机18会带动阻塞比调节组件上的驱动轴9转动，驱动轴9转动时，依靠齿轮连接的驱动环4会在阻塞比调节组件上进行自转，此时，在驱动环4齿轮的作用下，六个阻塞片5也会围绕其后端的齿轮进行转动，在这一过程中，阻塞比调节组件会改变其内部爆震管的内径尺寸，即阻塞比发生变化，如图2阻塞比调节组件示意图所示，此时阻塞片5完全缩进阻塞比调节组件中，爆震管内部无障碍物，该时刻阻塞比为0；当调大爆震管内部的阻塞比时，如图3阻塞比调节组件示意图所示，此时阻塞片5占据了爆震管的边缘部位，仅在中间位置留下了气流的通道，该时刻阻塞比为任意值，且可以依靠步进电机18的转动情况进行调节。

在实验研究中，无需频繁地更换爆震管就可以对爆震管内的阻塞比进行调节，极大地节约了实验人员的时间，同时，在研究障碍物数量对爆震性能的影响时，可以通过增减阻塞比调节组件的数量，就能进行相关研究，具有一定的优势。

实施例二：

本实施例主要适用于爆震推进的实际应用方面。

在爆震发动机的实际应用中，由于发动机的外界工况较为复杂，氧化剂的温度、压力和浓度都会实时变化，而这些会极大地影响DDT过程，因此，出于安全因素，爆震管中的DDT段会按照最保险的方式进行加工，即增加DDT段的长度，然而，这样在工况良好的情况下，会造成能量损失，同时加剧后端DDT段爆震管的烧蚀。在本实例中，爆震管内采用螺旋障碍物和变阻塞比组件相结合的方式来达成DDT过程，该方法可以适应多种工况，且后端采用阻塞比调节组件，在发生烧蚀时，可以方便地更换阻塞片5，节约成本。

如图7变阻塞比爆震管整体安装图(实际应用)所示，爆震管头部内安装Shchelkin螺旋障碍物20，并在后端安装四组阻塞比调节组件，安装方法同实施例一，下面将具体说明实施过程。

当爆震管1内部气体供应不足或者爆震管1的工作频率过高时，爆震管1内部的填充度将急剧下降，需要补充大量的氧化剂，此时可以打开阻塞比调节组件进气孔14为爆震管内部填充氧化剂，同时，该处的氧化剂还会起到流体障碍物的作用，进一步缩短爆震管DDT过程的时间和距离。

当装置需要在低温、低压或贫油环境下工作时，可以通过调节步进电机18进而改变阻塞片5的角度，使得阻塞片5占据爆震管1较大的边缘空间，此时爆震管1后端的阻塞比将增加，内部气流更容易起爆，从而保证装置可以正常工作。

当装置在常温、常压下工作时，爆震管1内的起爆特性良好，如果爆震管1后端仍采用大阻塞比的条件，会造成能量损失，从而导致推进效率下降，此时应调节步进电机18进而改变阻塞片5的角度，使得阻塞片5占据爆震管1少量的边缘空间，以降低阻塞比，提高推进效率。

如果爆震管内部的气体在未通过阻塞比调节组件时就已经起爆，此时阻塞比调节组件中如若仍有阻塞比，则会造成能量损失，因此，应调节阻塞比调节组件，使得阻塞片5缩回至内部，进而保证阻塞比调节组件的阻塞比为0，减少能量损失，提高推进效率。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (4)

1.基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，包括爆震管组件、阻塞比调节组件、测试组件和供气组件，其特征在于：阻塞比调节组件和测试组件按一定的排列方式安装于爆震管组件中，供气组件则通过管路将燃料和氧化剂供给至爆震管组件，在爆震管点火后，爆震管组件中的缓燃波经过DDT过程形成爆震波，此时测试组件对爆震管内的压力、温度参数进行测量，并结合燃料和氧化剂的实时状态进行相关分析，然后将分析结果传递给阻塞比调节组件，随后，不同位置的阻塞比调节组件开始作动，改变各自的阻塞比，以适应工况的变化；阻塞比调节组件由不锈钢材料制成，包括六片阻塞片、固定环①、固定环②、中间固定环、六个固定轴、驱动环、外圈组件、驱动轴和步进电机；所述阻塞片的基本结构为：尾端是一圆形齿轮，用于和外圈相配合，中间开有圆孔，使之能够与固定轴相配合，前端一侧为内凹的圆弧形，是调节爆震管障碍物轮廓的关键，另一侧为外凸的圆弧形，主要起到遮挡的作用；固定环②整体为一圆环形，由上下两部分组成，上半部分为一圆盘形，中间开有通孔，孔径和爆震管内径一致，并在圆盘外侧设有两组各六个小孔，内侧六个小孔用于安装固定轴，外侧六个小孔用于和外圈组件的法兰配合，下半部分为一圆环外套并在最下侧设有法兰，用于和爆震管配合；固定环①整体和固定环②相似，区别在于，固定环①上半部分设有1个圆孔和两个环形台，其中圆孔用于安装驱动轴的轴承，两个环形台则设计为球头接口，用于安装阻塞比调节组件的供气管路；中间固定环整体为一圆环形，内侧有三个圆形通孔，用于安装驱动轴和进气，外侧有六个小孔，用于安装固定轴；固定轴为六个圆柱形轴，可以和固定环①、固定环②和中间固定环配合，并且长度根据阻塞比调节组件的数量进行改变，两端采用螺栓固定；驱动环为一圆环，其内圈设计为齿轮形，用于和阻塞片、驱动轴配合，外圈为一普通圆环，尺寸小于外圈组件；外圈组件为圆环圈，两侧设有法兰，可包裹固定环①、固定环②和驱动环，待装配完成后，两端分别用螺栓固定在固定环①和固定环②上；驱动轴一端为齿轮，用于和驱动环配合，另一端为一圆柱体，用于和步进电机或其它固定轴连接。

2.根据权利要求1所述的基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，其特征在于：所述爆震管组件由爆震管头部、爆震管和尾喷管组成，其中爆震管头部整体为一圆柱形，前端封闭，并开有三个孔，用于和供气组件连接，尾端则设有法兰，用于和固定环①上的法兰连接，同时，根据需要，在爆震管头部内安装相应的固定阻塞比障碍物，以减小装置的整体尺寸；尾喷管前端也设有法兰，后端为扩张形尾喷管，同时根据实际情况换为其它形式的尾喷管；爆震管前后端均设有法兰，其整体长度根据实际情况进行设计。

3.根据权利要求1所述的基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，其特征在于：所述供气组件由燃料和氧化剂的供给系统组成，其中燃料连接至爆震管头部，氧化剂则分别供给至爆震管头部和阻塞比调节组件。

4.根据权利要求1所述的基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管，其特征在于：所述测试组件由压力传感器、温度传感器、电磁阀控制系统和相关分析软件组成，用于实时测量爆震管内的压力和温度参数，并根据实际工况驱动步进电机，对爆震管不同位置处的阻塞比进行调节。

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