CN110410232B - 一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火起爆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火起爆方法，属于发动机技术领域。本发明燃烧器中一次激波聚焦室随动态凹腔做高频往复平动运动，周期性的与集气导流腔接通和闭合，产生的激波在凹腔内反射、聚焦形成局部高温、高压区域直接点燃可燃混合物将大分子的燃料裂解和氧化，产生大量易于起爆的活化基和小分子气体；二次激波聚焦室相对一次激波聚焦室反向布置，一次激波聚焦室内的反射激波在二次激波聚焦室内再次反射、聚焦形成三波结构，形成局部高温、高压区域直接起爆爆震波；本发明还实现了一种点火起爆方法，采用两次激波聚焦点火，有效提高了工作过程的稳定性，相对于传统激波聚焦点火方式，本发明有效增强了高频循环起爆特性。

Description

一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火起爆方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，更具体地，涉及一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火起爆方法。

背景技术

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波生成的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机。脉冲爆震发动机具有结构简单、重量轻、高推重比、高燃烧效率等优点，自该类型发动机问世以后,引起众多研究者的兴趣。而能否将脉冲爆震发动机的潜能发挥，最关键的在于高频可靠的起爆爆震波。

在过去的几十年里，人们在爆震起爆技术方面做了大量的研究工作。但目前看来，无论是直接起爆还是基于爆燃转爆轰(DDT)的起爆方式，都还没有达到工程应用的程度。一般来说，直接起爆碳氢燃料-空气混合物需要千焦，甚至兆焦的能量。后来，人们想到在燃料中加入强化爆震的化学添加剂，诸如硝酸盐敏化剂、过氧化氢等，通过这种方法虽然可以降低起爆能量，但需要额外的存储和供给装置，增加了推进系统的重量和复杂度。考虑到直接起爆需要很高的点火能量，工程应用中研究者们更加倾向于通过DDT来获得爆震波，但这种点火方式的难点在于如何减小DDT的距离，缩短点火时间、提高点火成功率。目前，这依然是一个亟待解决的技术难点。到了上世纪末，随着激波聚焦现象及其瞬间产生的局部高能区逐渐被人们认知和确证，利用激波聚焦所产生的高能区诱导燃烧与起爆爆震有望为脉冲爆震发动机提供一种全新的经济、可靠的起爆方式。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火方法，其目的在于采用动静双凹腔激波聚焦结构，能有效地克服传统激波聚焦点火不稳定问题并减少爆震管布局空间，提高燃料利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种激波聚焦点火爆震燃烧器，所述燃烧器包括集气导流腔、一次激波聚焦室、预燃室、二次激波聚焦室和爆震室，其特征在于，所述集气导流腔具有高压空气进口和环形渐缩射流喷口；所述一次激波聚焦室由一段弯曲的动态凹腔围成的区域构成；所述环形渐缩射流喷口全开时，所述动态凹腔唇口与所述环形渐缩射流喷口最左侧对齐并与所述预燃室同轴布置；所述预燃室最左端与所述环形渐缩射流喷口最右端对齐；所述一次激波聚焦室和所述预燃室整体同轴内嵌入所述集气导流腔布置；所述二次激波聚焦室由一中心带孔静态凹腔围成的区域构成；所述中心带孔静态凹腔与所述预燃室右端同轴直接连接并与所述动态凹腔反向布置；所述爆震室由尾端直段围成的区域构成。

进一步地，所述环形渐缩射流喷口一侧与预燃室进口侧唇口对齐，另一侧在环形渐缩射流喷口全开时与动态凹腔唇口对齐，环形渐缩射流喷口的张角在0～120°。

进一步地，所述一次激波聚焦室出口与预燃室对齐并与集气导流腔环形渐缩射流喷口斜切角一致，斜切角为0～60°；所述动态凹腔能做高频往复平动运动，动态凹腔的高频往复平动运动最大行程与环形渐缩射流喷口出口宽度一致，频率为50～10000赫兹。

进一步地，所述一次激波聚焦室顶部布有燃油雾化喷嘴并与动态凹腔轴向一致，雾化锥角为0～60°。

进一步地，所述一次激波聚焦室凹腔凹面能使激波发生反射和聚焦作用。

进一步地，所述预燃室进口侧与动态凹腔出口对齐且所述预燃室斜切角与环形渐缩射流喷口斜切角一致，斜切角为0～60°；所述预燃室出口侧与二次激波聚焦室进口侧同轴直接相连；预燃室通过法兰与集气导流腔相对固定。

进一步地，所述中心带孔静态凹腔凹面顶部开孔且凹面与一次激波聚焦室的凹面呈对向布置；所述二次激波聚焦室进口侧与所述预燃室出口侧同轴直接相连。

进一步地，所述二次激波聚焦室凹腔凹面能使激波发生反射和聚焦作用。

进一步地，所述爆震室通过导流段与所述二次激波聚焦室出口相连且同轴布置；导流段张角0～90°。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种激波聚焦点火爆震燃烧器点火方法，所述方法具体为：高压空气经所述高压空气进口进入所述集气导流腔后，在集气导流腔导流作用下，高压空气经所述环形渐缩射流喷口周期性的脉冲高速喷入所述一次激波聚焦室；所述一次激波聚焦室随动态凹腔的高频往复平动运动，周期性的与集气导流腔接通和闭合，形成稳定的环形射流聚心碰撞现象，产生的激波在凹腔内反射、聚焦形成局部高温、高压区域直接点燃可燃混合物将大分子的燃料裂解和氧化，在预燃室内产生大量易于起爆的活化基和小分子气体；所述一次激波聚焦室内的反射激波在二次激波聚焦室内再次反射、聚焦形成三波结构，形成局部高温、高压区域直接起爆爆震波，爆震波在爆震室内维持稳定波速向前不断传播。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用创新性的动静态双凹腔结构，在预燃室两端各有一个激波聚焦室；预燃室左端的动态凹腔做高频往复平动运动，在凹腔唇口处与预燃室左端形成周期性开闭的环形射流口；预燃室右端连接一静态凹腔，静态凹腔反向布置并中心开孔，凹腔中心开孔经导流腔与爆震室同轴联通；该结构能有效地克服传统激波聚焦点火不稳定问题并减少爆震管布局空间，提高燃料利用率；并且激波聚焦点火爆震燃烧器结构的设计和加工都很简单，在工程使用中有多方面优势；

(2)本发明破除以往环形射流诱导非定常激波聚焦点火，采用连续环形射流在静态凹腔中聚心碰撞的惯例，而是采用高频轴向脉动凹腔，形成间歇环形射流，稳定复现激波在凹腔内的聚心碰撞，增强激波聚焦点火的可靠性；

(3)本发明创新巧妙地利用凹腔反射激波在传播过程中所伴随的压缩能力，提高预燃室中可燃活性气体的温度和压力，然后在同轴布置的中心带孔静态反凹腔结构中再次聚集，形成二次激波聚焦点火，进一步增强激波聚焦点火的可靠性。以往为实现脉冲爆震发动机主爆震室里爆震的成功转变，会在主爆震室头部设计预爆室，这会造成额外携带的燃料和氧化剂使整体比冲下降，同时带来了爆震波由小起爆管向主爆震管中顺利传播的问题。本发明创造性的将凹腔反射激波经预燃室重新在一中心带孔静态反凹腔中再次聚集，直接利用反射激波的有效能量使预燃气体直接爆震，缩短爆震管长度；

(4)本发明凹腔反射激波在预燃室与中心带孔静态反凹腔中来回反射，压缩预燃室内可燃气体，温度上升，提高可燃气体的反应活性，降低直接起爆的点火能量要求；

(5)本发明将环形射流聚心碰撞诱导激波聚焦装置中的凹腔换成可高频往复平动运动的动态凹腔，以形成周期性的环形射流，产生稳定的聚心激波聚焦，克服了静态凹腔中排气阶段不彻底问题，即实现了激波聚焦过程的自稳定。然后，利用一反向布置的中心带孔静态凹腔重新聚焦反射激波，回收部分压力能的同时，大大提高了直接起爆的成功率，可有效缩短爆震管长度。同时保持了燃烧器装置结构的简单性。

(6)本发明点火可靠、可直接起爆、结构相对简单、便于控制，能充分高效利用高压气体压力能的一种激波聚焦点火爆震燃烧器及其点火起爆方法，具有体积小、热效率高、工艺要求低、便于生成等特点；另外，本发明由于燃烧室内部没有其它部件，火焰对外部部件烧蚀作用要远远小于内部部件，在降低爆震室流动阻力损失的同时延长使用寿命；其次，相比传统脉冲爆震发动机爆震室，本发明中压力波能够在正反布置的双凹腔之间多次反射叠加，压力波的多次反射聚焦增强了火焰的相互作用，有利于爆震的成功转变，进而产生更大的推力，提高发动机性能；再次，本发明中动态凹腔的高频往复水平运动会周期性的闭合环形射流通道，有利于减少吸气式脉冲爆震发动机中爆震室内的反传燃气数量，削弱反传燃气对进气道的影响，保证发动机的顺利工作。

附图说明

图1是激波聚焦点火爆震燃烧器实施例的结构示意图；

图2a为圆形凹腔结构示意图，图2b为椭圆凹腔结构示意图，图2c为尖锥凹腔结构示意图；

图3a为中心带孔弯曲凹腔实施例结构示意图，图3b为中心带孔圆形凹腔实施例结构示意图，图3c为中心带孔尖锥凹腔实施例结构示意图；

其中各标号表示：1-动态凹腔，2–环形渐缩射流喷口，3-集气导流腔，4-高压空气进口，5–中心带孔静态反凹腔，6-导流腔，7-尾端直段，8-爆震室，9-二次激波聚焦室，10-预燃室，11–一次激波聚焦室，12–燃油喷嘴，13–燃油导流孔，14–往复平动轴，15–高频往复直线电机，16–燃油进口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所述燃烧器具体结构为：包括集气导流腔3、一次激波聚焦室11、预燃室10、二次激波聚焦室9和爆震室8，其特征在于，所述集气导流3腔具有高压空气进口4和环形渐缩射流喷口2；所述一次激波聚焦室11由一段弯曲的动态凹腔1围成的区域构成；所述环形渐缩射流喷口2全开时，所述动态凹腔1唇口与所述环形渐缩射流喷口2最左侧对齐并与所述预燃室10同轴布置；所述预燃室10最左端与所述环形渐缩射流喷口2最右端对齐；所述一次激波聚焦室11和所述预燃室10整体同轴内嵌入所述集气导流腔3布置；所述二次激波聚焦室9由一中心带孔静态凹腔5围成的区域构成；所述中心带孔静态凹腔5与所述预燃室10右端同轴直接连接并与所述动态凹腔1反向布置；所述爆震室8由尾端直段7围成的区域构成。

现结合具体附图对本发明燃烧器进行进一步说明：

如图1所示，一种激波聚焦点火爆震燃烧器是由集气导流腔3、一次激波聚焦室11、预燃室10、二次激波聚焦室9和爆震室8五部分组成；

其集气导流3腔具有高压空气进口4和环形渐缩射流喷口2；其一次激波聚焦室11由一段弯曲动态凹腔1围成的区域构成，动态凹腔1在环形渐缩射流喷口2全开时，唇口与环形渐缩射流喷口2最左侧对齐并与预燃室10同轴布置；其预燃室10最左端与环形渐缩射流喷口2最右端对齐，并整体同轴内嵌入集气导流腔3布置，通过法兰与集气导流腔3相对固定；其二次激波聚焦室9由预燃室10右端和导流腔6之间的一段弯曲中心带孔静态反凹腔5围成的区域构成，中心带孔静态凹腔5与预燃室10右端同轴直接连接并与动态凹腔1反向布置；其爆震室8由尾端直段7围成的区域构成。

动态凹腔1顶部与往复平动轴14相连，在高频往复直线电机15的作用下，带动往复平动轴14和动态凹1高频作往复直线运动，其行程与环形渐缩射流喷口2出口宽度一致，使环形渐缩射流喷口2出口周期性的开闭。

在往复平动轴14上开有燃油进口16和燃油导流孔13，燃油喷嘴12安装在动态凹腔1顶部，燃油喷射方向与动态凹腔1轴向方向一致。

如图2a、图2b和图2c所示，弯曲动态凹腔1有多种弯曲形式，典型弯曲凹腔有圆弧形凹腔、椭圆形凹腔和尖锥形凹腔，但不只局限于这些弯曲凹腔形式。

如图3a、图3b和图3c所示，弯曲中心带孔静态反凹腔5有多种弯曲形式，典型弯曲凹腔有中心带孔弯曲凹腔、中心带孔圆弧形凹腔和中心带孔尖锥形凹腔，但不只局限于这些弯曲凹腔形式。

现结合具体实施例对本发明燃烧器进行进一步说明：

一种激波聚焦点火爆震燃烧器，包括集气导流腔3、一次激波聚焦室11、预燃室10、二次激波聚焦室9和爆震室8，所述的一次激波聚焦室11随动态凹腔1的高频往复平动运动，周期性的与集气导流腔3接通和闭合，形成稳定的环形射流聚心碰撞现象，产生的激波在凹腔内反射、聚焦形成局部高温、高压区域直接点燃可燃混合物将大分子的燃料裂解和氧化，在预燃室内产生大量易于起爆的活化基和小分子气体。所述的二次激波聚焦室9相对一次激波聚焦室11反向布置，且与一次激波聚焦室11、预燃室10和爆震室8同轴布置，一次激波聚焦室11内的反射激波在二次激波聚焦室9内再次反射、聚焦形成三波结构，形成局部高温、高压区域直接起爆爆震波，爆震波在爆震室8内维持稳定波速向前不断传播。

所述的集气导流腔3有一环形渐缩射流喷口2，环形渐缩射流喷口2一侧与预燃室10进口侧唇口对齐，另一侧在环形渐缩射流喷口2全开时与动态凹腔1唇口对齐，环形渐缩射流喷口2的张角在120°，动态凹腔1为圆弧形凹腔。

所述的一次激波聚焦室11由一可做高频往复平动运动的动态凹腔1围成的区域构成，其出口与预燃室10对齐并与集气导流腔3环形渐缩射流喷口2斜切角一致，斜切角为60°；动态凹腔1的高频往复平动运动最大行程与环形渐缩射流喷口2出口宽度一致，频率为5000赫兹。所述的一次激波聚焦室11顶部布有燃油雾化喷嘴12并与动态凹腔1轴向一致，雾化锥角为60°。所述的一次激波聚焦室11凹腔凹面可使激波发生反射、聚焦作用。

所述的预燃室10进口侧与动态凹腔1出口对齐且斜切角与环形渐缩射流喷口2斜切角一致，斜切角为60°；预燃室10出口侧与二次激波聚焦室9进口侧同轴直接相连；预燃室10通过法兰与集气导流腔3相对固定。

所述的二次激波聚焦室9由一中心带孔静态凹腔5围成的区域构成，凹面顶部开孔且凹面与一次激波聚焦室11的凹面呈反正布置；二次激波聚焦室9进口侧与预燃室10出口侧同轴直接相连。所述的二次激波聚焦室9凹腔凹面可使激波发生反射、聚焦作用，静态凹腔5为中心带孔弯曲凹腔。

所述的爆震室8通过导流段与二次激波聚焦室9出口相连且同轴布置；导流段张角90°。

本发明一种激波聚焦点火爆震燃烧器在点火工作时，在高压空气经高压空气进口4进入集气导流腔3后，在集气导流腔3导流作用下，高压空气经环形渐缩射流喷口2周期性的脉冲高速喷入一次激波聚焦室11，由于环形渐缩射流喷口2出口的突阔和动态凹腔1唇口的锐缘结构，压力波发生扩散、衍射现象并在动态凹腔1唇口附近形成流动卷吸涡，之后不断沿唇口下侧不断向前推进。扩大的卷吸涡有效阻碍了弱激波和燃烧产物回传入集气导流腔3，并且增强了一次激波聚焦室11中心轴线上的聚焦作用。由于弯曲动态凹腔1结构对激波扩散、衍射、压力场发展的约束，在壁面附近形成了高温高压压缩区，即“预燃核心”。由于“预燃核心”压力和温度的瞬时激增，造成的局部小范围能量提高而点燃一次激波聚焦室11内的可燃混合物，使大分子燃料发生裂解和氧化。环形超声速射流聚心碰撞产生的激波在动态凹腔1内反射，向凹面腔敞口传播的同时诱导加速火焰阵面在预燃室10内传播，直至二者再次藕合。火焰阵面扫过预燃室10后，会在预燃室10内产生大量活化能较低的活化基，如氢气、一氧化碳等。在一次激波聚焦室11内反射的激波和二次激波聚焦室9内产生的反射激波的综合作用下，预燃室10内富含活性粒子的小分子气体温度、压力会进一步提高，更有利于爆震起爆。至此环形超声速射流聚心碰撞产生的激波和燃烧火焰完成了一次聚焦、燃烧活性增强的过程。在二次激波聚焦室9，上一过程的反射激波在中心带孔静态反凹腔5隔板约束作用下又产生了二次聚焦、反射，其中反射激波用于提高上一过程中预燃室10内含活性粒子的小分子气体温度、压力。受管壁约束不断反射，在中心带孔静态反凹腔5喉部处逐渐形成入由射激波、横波和马赫杆构成的三波结构。三波相交处形成“热点“结构，即局部爆炸点。局部爆炸点产生的连续不断能量供给爆轰波维持稳定波速向前不断传播。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括集气导流腔(3)、一次激波聚焦室(11)、预燃室(10)、二次激波聚焦室(9)和爆震室(8)，所述集气导流腔(3)具有高压空气进口(4)和环形渐缩射流喷口(2)；所述一次激波聚焦室(11)由一段弯曲的动态凹腔(1)围成的区域构成；所述环形渐缩射流喷口(2)全开时，所述动态凹腔(1)唇口与所述环形渐缩射流喷口(2)最左侧对齐并与所述预燃室(10)同轴布置；所述预燃室(10)最左端与所述环形渐缩射流喷口(2)最右端对齐；所述一次激波聚焦室(11)和所述预燃室(10)整体同轴内嵌入所述集气导流腔(3)布置；所述二次激波聚焦室(9)由一中心带孔静态凹腔(5)围成的区域构成；所述中心带孔静态凹腔(5)与所述预燃室(10)右端同轴直接连接并与所述动态凹腔(1)反向布置；所述爆震室(8)由尾端直段(7)围成的区域构成。

2.根据权利要求1所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述环形渐缩射流喷口(2)一侧与预燃室(10)进口侧唇口对齐，另一侧在环形渐缩射流喷口(2)全开时与动态凹腔(1)唇口对齐。

3.根据权利要求1所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述一次激波聚焦室(11)出口与预燃室(10)对齐并与集气导流腔(3)环形渐缩射流喷口(2)斜切角一致；所述动态凹腔(1)能做高频往复平动运动，动态凹腔(1)的高频往复平动运动最大行程与环形渐缩射流喷口(2)出口宽度一致。

4.根据权利要求3所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述一次激波聚焦室(11)顶部布有燃油雾化喷嘴(12)并与动态凹腔(1)轴向一致。

5.根据权利要求4所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述一次激波聚焦室(11)凹腔凹面能使激波发生反射和聚焦作用。

6.根据权利要求1所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述预燃室(10)进口侧与动态凹腔(1)出口对齐且所述预燃室(10)斜切角与环形渐缩射流喷口(2)斜切角一致；所述预燃室(10)出口侧与二次激波聚焦室(9)进口侧同轴直接相连；预燃室(10)通过法兰与集气导流腔(3)相对固定。

7.根据权利要求1所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述中心带孔静态凹腔(5)凹面顶部开孔且凹面与一次激波聚焦室(11)的凹面呈对向布置；所述二次激波聚焦室(9)进口侧与所述预燃室(10)出口侧同轴直接相连。

8.根据权利要求7所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述二次激波聚焦室(9)凹腔凹面能使激波发生反射和聚焦作用。

9.根据权利要求1所述的一种激波聚焦点火爆震燃烧器，其特征在于，所述爆震室(8)通过导流段与所述二次激波聚焦室(9)出口相连且同轴布置。

10.基于权利要求1-9中任一激波聚焦点火爆震燃烧器的点火起爆方法，其特征在于，所述方法具体为：高压空气经所述高压空气进口(4)进入所述集气导流腔(3)后，在集气导流腔(3)导流作用下，高压空气经所述环形渐缩射流喷口(2)周期性的脉冲高速喷入所述一次激波聚焦室(11)；所述一次激波聚焦室(11)随动态凹腔(1)的高频往复平动运动，周期性的与集气导流腔(3)接通和闭合，形成稳定的环形射流聚心碰撞现象，产生的激波在凹腔内反射、聚焦形成局部高温、高压区域直接点燃可燃混合物将大分子的燃料裂解和氧化，在预燃室内产生大量易于起爆的活化基和小分子气体；所述一次激波聚焦室(11)内的反射激波在二次激波聚焦室(9)内再次反射、聚焦形成三波结构，形成局部高温、高压区域直接起爆爆震波，爆震波在爆震室(8)内维持稳定波速向前不断传播。

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