CN110762556B - 气液两相起爆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气液两相起爆装置，包括：外衬套，外衬套的头部焊接有拉法尔喷管，拉法尔喷管的喉部焊接有液相燃料接管，外衬套靠近头部位置设置有火花塞接孔；内衬套，与外衬套同轴布置，头部封闭，尾部与外衬套尾部连接，使得在内衬套与外衬套之间形成环流夹层，内衬套靠近头部位置在外衬套上的火花塞接孔之下设置有火花塞接孔；内衬套壁面沿轴向布置有扰流环，在沿轴向的每两圈扰流环之间的内衬套壁面，周向开有多于一个的进气孔。根据本发明的技术方案，能够实现液相燃料的雾化，有效缩短起爆器长度，有效克服气液两相燃料轴向进气时，扰流环造成的局部填充不均等问题。

Description

气液两相起爆装置
技术领域
本发明涉及气液两相爆轰发动机的起爆装置，尤其涉及一种气液两相起爆装置。
背景技术
如何在燃烧室中快速地形成稳定爆轰波是爆轰推进技术面临的首要问题。预爆管是气相爆轰发动机的常用的起爆装置。在这种预爆管中火花塞引燃的层流火焰通过爆燃转爆轰(deflagration to detonation transition，DDT)过程能够实现爆轰波的触发。但是对于气液两相爆轰发动机而言，为降低配气系统的复杂程度，往往要求与其匹配的起爆器能够在有限的空间内实现快速的气液两相爆轰，这便加强了对起爆器设计的苛刻要求。
不同于气相预爆管，气液两相起爆器在设计过程中面临更多更加复杂的问题。首先是液相燃料的雾化问题，液相的燃料只有经过雾化成细小颗粒才能与氧化剂实现均匀掺混。其次是结构紧凑问题，由于液相燃料的易爆性相对较低，因此需要更长的轴向尺寸实现DDT，但过长的尺寸又会给爆轰燃烧室匹配带来困难。最后是预混气的填充问题，在轴向进气时，起爆器内布置用于加速DDT 的扰流环，然而由于扰流作用往往会造成局部填充不均严重影响起爆性能。相关文献研究结果表明，起爆管中激波在障碍物拐角处多次反射碰撞点燃的热点是爆轰起爆的关键因素。而障碍间(特别是拐角处)燃料填充不均将不利于热点形成并直接降低起爆触发的可能性。
发明内容
鉴于以上问题，做出本发明。
根据本发明一方面，提供一种气液两相起爆装置，包括：外衬套，外衬套的头部焊接有拉法尔喷管，拉法尔喷管的喉部焊接有液相燃料接管，外衬套靠近头部位置设置有火花塞接孔；内衬套，与外衬套同轴布置，头部封闭，尾部与外衬套尾部连接，使得在内衬套与外衬套之间形成环流夹层，内衬套靠近头部位置在外衬套上的火花塞接孔之下设置有火花塞接孔；内衬套壁面沿轴向布置有扰流环，在沿轴向的两圈扰流环之间的内衬套壁面，周向开有多于一个的进气孔。
进一步地，所述进气孔开设在沿轴向的两圈扰流环之间的中心位置处的内衬套壁面，在周向上，所述进气孔均匀布置在内衬套壁面上。
进一步地，液相燃料接管的直径小于拉法尔喷管出口直径的一半。
进一步地，轴向上扰流环的间距大于或等于内衬套直径的1/3，轴向上扰流环的数目大于四个。
进一步地，内衬套上焊接有板销，用于配合外衬套内壁面上形成的板销孔约束内衬套的周向运动，板销的数目大于两个且与外衬套内壁面的板销孔数目一致，内衬套和外衬套尾部开有螺栓孔，用于通过至少一个螺栓约束内衬套轴向的运动。
根据本发明的技术方案，在起爆器的头部焊接的拉法尔喷管能够实现对液相燃料的雾化与掺混，进而有助于提高燃料的起爆性能。本发明内衬套内部布置有若干扰流环，扰流环能够增强燃烧和流动的不稳定性，有效缩短DDT所需时间和距离。本发明通过内衬套上的若干进气孔实现径向进气，避免了气液两相燃料轴向进气时，扰流环阻碍造成的局部处填充不均的问题，有效改善了起爆前的初始条件。本发明内外衬套的双层结构设计，有效降低了内衬套辐射换热造成的热量损失对起爆过程的干扰。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：
图1示出根据本发明实施方式的气液两相起爆装置的剖面图。
图2示出了图1所示气液两相起爆装置从ABCD看去的断面图。
图3示出传统起爆管内液滴分布图。
图4示出根据本发明实施方式的起爆管内液滴分布图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出根据本发明实施方式的气液两相起爆装置的图示。如图1所示，该气液两相起爆装置包括：外衬套5，头部焊接有拉法尔喷管3，在拉法尔喷管的喉部焊接有液相燃料接管2，液相燃料可由液相燃料接管 2进入被从气相氧化剂入口1进入的高速气流破碎雾化。优选地，液相燃料接管2的直径小于拉法尔喷管出口直径的一半，这样做的好处是在相对较低气流流速下，依然能保证良好的雾化效果，从而拓宽起爆装置的工作边界。
内衬套7，与外衬套5同轴布置，头部封闭，尾部与外衬套尾部连接，从而在内外衬套之间形成环流夹层。
在内外衬套靠近各自头部位置设置有火花塞孔4，其中两个火花塞孔彼此正对。火花塞可由内外衬套套上的火花塞接孔4伸入到内衬套内。
内衬套7壁面在轴向上均匀布置有若干扰流环8，在每两圈扰流环之间的内衬套壁面周向开有若干进气孔6。优选地，轴向上扰流环的间距大于或等于内衬套直径的1/3，轴向上扰流环的数目大于四个。优选地，周向上进气孔的数目至少为一个，且其直径小于两个相邻扰流环的间距。
优选地，在轴向上，扰流环8和进气孔6的设置方式是在沿轴向的两圈扰流环之间的中心位置处的内衬套壁面开设进气孔，具体设置方式如图1所示，在周向上，进气孔均匀布置在内衬壁面上，具体设置方式如图2的第二幅图所示。此时，气液掺混效果最佳。
内衬套周向运动通过内衬套两侧焊接的板销配合外衬套内壁面上的板销孔来约束。板销的数目与板销孔数目一致，应大于两个。内衬套轴向运动通过安装在外衬套末端的至少一个螺栓经螺栓孔9来约束。其中，螺栓孔9开在内外衬套尾部。内衬套尾部敞开，形成起爆器出口10。
下面描述根据本发明实施方式的气液两相起爆装置的工作过程和原理，以便于进一步理解本发明的原理和优势。
当本发明气液两相爆轰起爆器工作时，先将液相燃料和气相氧化剂分别从对应入口注入。在拉法尔喷管的作用下，高速的氧化剂迅速将由喉部喷入的燃料液柱破碎、雾化成细小颗粒并与之迅速掺混。预混后的燃料进入内外衬套的环形夹层，经进气孔进入内衬套，实现径向的均匀填充。
待填充完毕后，关闭燃料和氧化剂进口，由火花塞接入孔伸入的火花塞在内衬套左端点燃火焰。当火焰传播至扰流环位置时，一方面，由于通流面积的改变，火焰会发生明显加速，在多个扰流环的影响下，火焰会反复加速。另一方面，扰流环加强局部扰流，使得火焰面褶皱拉伸，层流火焰迅速转捩为湍流火焰。随着火焰形态的改变、火焰面的不断拉伸，非线性热膨胀不断加强，单位时间内放热量也不断增加。因此，大量的压力波会被火焰诱导产生，这些压力波之间相互叠加，压缩未燃预混气。在扰流环和内衬套壁面的共同反射作用下，压力波在扰流环拐角处或内衬套壁面附近形成高压高密度区。当这一区域的热力学参数达到某一极限值或火焰传播至该区域时，会诱发剧烈的燃烧产生局部小范围的爆炸，即“热点”。局部爆炸不仅能加速火焰传播，同时会产生更多更强的激波压缩火焰前的预混气。最终，火焰面在加速过程中与前导激波耦合。此时，前导激波压缩的预混气迅速被火焰燃烧，燃烧诱导的压力波又会加强前导激波，即能量释放激波相干机制(Shock waveamplification coherent energy release，SWACER)。随着这一机制的建立，稳定自持的爆轰波在到达起爆器出口前逐渐形成。
从以上描述可知，上述气液两相爆轰起爆器，在起爆器的头部焊接的拉法尔喷管能够实现对液相燃料的雾化与掺混，进而有助于提高燃料的起爆性能。内衬套内部布置有若干扰流环，扰流环能够增强燃烧和流动的不稳定性，有效缩短DDT所需时间和距离；传统起爆管采用轴流式进气方式，对于两相燃料采用该方式进气时，由于障碍物的阻碍和流动损失往往会造成障碍物间(特别是拐角处)燃料填充不足等问题(如图3所示)。本发明通过内衬套周向上的若干进气孔实现径向进气，有效避免了气液两相燃料轴向进气时，因扰流环阻碍造成的局部填充不均的问题，有效改善了起爆前的初始条件(如图4所示)。此外，本发明内外衬套套的双层结构设计，有效降低了内衬套辐射换热造成的热量损失对起爆过程的干扰。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种气液两相起爆装置，其特征在于，包括：
外衬套，外衬套的头部焊接有拉法尔喷管，拉法尔喷管的喉部焊接有液相燃料接管，液相燃料由液相燃料接管进入，在拉法尔喷管的作用下，从气相氧化剂入口进入的高速的氧化剂迅速将由喉部喷入的燃料液柱破碎、雾化成细小颗粒并与之迅速掺混；所述液相燃料接管的直径小于拉法尔喷管出口直径的一半；外衬套靠近头部位置设置有火花塞接孔；
内衬套，与外衬套同轴布置，头部封闭，尾部与外衬套尾部连接，使得在内衬套与外衬套之间形成环流夹层，内衬套靠近头部位置在外衬套上的火花塞接孔之下设置有火花塞接孔；
所述内衬套壁面沿轴向布置有扰流环，在沿轴向的每两圈扰流环之间的内衬套壁面，周向开有多于一个的进气孔；其中，所述进气孔开设在沿轴向的两圈扰流环之间的中心位置处的内衬套壁面，在周向上，所述进气孔均匀布置在内衬套壁面上；
预混后的燃料进入内外衬套的环形夹层，经进气孔进入内衬套，实现径向的均匀填充；待填充完毕后，液相燃料接管和气相氧化剂入口关闭，由火花塞接入孔伸入的火花塞在内衬套左端点燃火焰。
2.根据权利要求1所述的气液两相起爆装置，其中，轴向上所述扰流环的间距大于或等于内衬套直径的1/3，轴向上扰流环的数目大于四个。
3.根据权利要求1所述的气液两相起爆装置，其中，所述内衬套上焊接有板销，用于配合外衬套内壁面上形成的板销孔约束内衬套的周向运动，板销的数目大于两个且与外衬套内壁面的板销孔数目一致，内衬套和外衬套尾部开有螺栓孔，用于通过至少一个螺栓约束内衬套轴向的运动。
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