CN110778419A

CN110778419A - 用于爆轰燃烧室的起爆装置

Info

Publication number: CN110778419A
Application number: CN201910974185.9A
Authority: CN
Inventors: 李智明; 赵宁波; 陈祥; 贾雄斌; 郭虹伯; 郑洪涛
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: CN110778419B

Abstract

本发明公开了一种用于爆轰燃烧室的起爆装置，包括：外衬，呈柱形，一端与法兰焊接固定，另一端由凹形聚焦腔封闭，其轴向和周向均匀设有火焰孔，形成在轴向上的多圈间隔开的火焰孔；内衬，与外衬同轴布置，靠近外衬聚焦腔的一端敞开，另一端通向燃烧室，内衬在靠近内衬另一端的外壁上与法兰焊接固定；环形火焰发生器，环绕在外衬外部，内部形成中空环，中空部分与外衬上的一圈火焰孔连通，外侧表面开有火花塞接孔，内壁面沿周向均匀开设有小孔；阻火环，环绕在外衬外部，用于封住外衬上的其余火焰孔，其中环形火焰发生器和阻火环的位置是可调的。根据本发明的技术方案，降低了爆轰触发所需能耗，有效缩短了起爆所需时间和距离。

Description

用于爆轰燃烧室的起爆装置

技术领域

本发明涉及爆轰起爆领域，尤其涉及一种用于爆轰燃烧室的起爆装置。

背景技术

基于爆轰燃烧的发动机，无论是脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine，PDE)还是旋转爆轰发动机(Rotating Detonation Engine，RDE)，实现爆轰燃烧的关键在于如何触发爆轰波。目前，点燃爆轰方式众多，如激光起爆、高能起爆、等离子体起爆、火花塞起爆等。根据触发能量可分为两类即：直接起爆和间接起爆。

其中，直接起爆能量消耗巨大，对点火器性能要求极高，因此工程应用困难。与此相比，间接起爆则可以通过爆燃转爆轰(deflagration to detonation transition，DDT)来实现低能耗触发爆轰波。

虽然这类起爆器的点火能量小，但是起爆器依旧存在一些问题。首先，传统起爆器内爆燃转轰是个能量逐渐累加的过程，这就要求起爆器具有足够的长度。对于较低活性燃料，这种长度往往很难实现与发动机的匹配。其次，起爆器结构一旦确定，爆燃转爆轰则是自发形成，无法实现有效控制。因此，现有起爆器研究的难点在于如何降低能耗，缩短DDT实现距离，减小起爆时间、提高点火成功率，增加起爆器的可控性。

发明内容

鉴于以上问题，做出本发明。

根据本发明，提供一种用于爆轰燃烧室的起爆装置，包括：外衬，呈柱形，一端与法兰焊接固定，另一端由凹形聚焦腔封闭，其轴向和周向均匀设有火焰孔，形成在轴向上的多圈间隔开的火焰孔；内衬，与外衬同轴布置，靠近外衬聚焦腔的一端敞开，另一端通向燃烧室，内衬在靠近内衬另一端的外壁上与法兰焊接固定；环形火焰发生器，环绕在外衬外部，内部形成中空环，中空部分与外衬上的一圈火焰孔连通，外侧表面开有火花塞接孔，内壁面沿周向均匀开设有小孔；阻火环，环绕在外衬外部，用于封住外衬上的其余火焰孔，其中环形火焰发生器和阻火环的位置是可调的。

进一步地，阻火环和环形火焰发生器通过密封螺纹与外衬装配在一起密封,且螺纹长度大于外衬轴向长度的1/3。

进一步地，外衬与内衬之间的间距小于内衬的直径。

进一步地，其中起爆装置通过法兰上的螺栓经螺栓孔实现与燃烧室的固定。

进一步地，外衬上开设的火焰孔在周向上不少于3个，轴向上不少于2个。

进一步地，环形火焰发生器内壁面周向均匀开设的小孔的数目等于外衬周向上火焰孔的数目。

根据本发明的技术方案，采用低能火花塞和环形火焰发生器配合实现环形火焰的触发，能够降低爆轰触发所需能耗。环形火焰通过两个同轴布置的内外衬套之间环形加速腔诱导产生射流激波，经聚焦腔反射聚焦诱发的局部爆炸能够加速起爆，能够有效缩短起爆所需时间和距离，实现起爆器的紧凑化。由于阻火环和环形火焰触发器通过外衬上比如密封螺纹紧固且位置可调，因此，可以通过调换环形火焰触发器和相应阻火环位置实现对点火位置的可控性操作。

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起爆装置的主剖视图。

图2示出了图1的A断面左视图和B断面右视图。

图3示出了阻火环的主视图、侧视图和剖视图。

图4示出了环形火焰发生器的主视图、侧视图和剖视图。

图5示出了起爆装置的起爆时间和爆轰波到达射流出口时间随点火位置的变化。

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起爆装置的示意性图示。如图1所示，根据本发明实施方式的起爆装置包括聚焦腔1、阻火环2、火花塞接孔3，法兰4、内衬5、火焰孔6、环形火焰发生器8、外衬9。该起爆装置A断面的左视图和B断面右视图如图2所示。

外衬9呈柱形，从图2的A断面图可看出其横截面形状。外衬9与内衬5同轴布置，与法兰4焊接固定在一起。外衬9在轴向和周向方向上均开设有若干火焰孔6，如此形成在轴向方向上的多圈周向火焰孔，这些火焰孔圈彼此间隔开。火焰孔的数目可以由本领域技术人员根据实际需要设定，比如可以是在周向方向上不少于3个，轴向方向上不少于2个。外衬9右端固定到法兰4，左端由凹形聚焦腔1封闭，封闭的方式可以是外衬9与聚焦腔采用螺纹方式密封在一起。如图1所示，外衬9的外表可以攻有密封螺纹7。除了与聚焦腔1螺纹连接之外，该外衬9还可以采用密封螺纹7与阻火环2和环形火焰发生器8装配在一起，如下所述。外衬9与阻火环2和环形火焰发生器8装配的方式不限于螺纹连接，还可以由本领域技术人员根据实际需要采用任何适当的方式，只要阻火环2和环形火焰发生器位置可调。

内衬5与外衬9同轴，两端敞开，右端与燃烧室相接，靠近右端的外壁与法兰4焊接固定在一起。内衬5与外衬9均是柱形，其之间形成环形腔，用于火焰加速。优选地，内外衬之间的间距小于内衬5的直径。

环形火焰发生器8环绕在柱形外衬外部。环形火焰发生器8内部形成中空环，中空部分与外衬上的一圈火焰孔连通，如图1所示，在环形火焰发生器8外侧表面开有火花塞接孔3，用于接入火花塞。火花塞通过该火花塞接孔3与起爆装置相连。环形火焰发生器8内侧壁面周向开设有若干火焰孔，数目优选地等于外衬周向火焰孔数目，用于将火花塞点着的火焰引入内外衬之间的环形腔内。图4从左至右示出了环形火焰发生器8的主视图、侧视图和剖视图。如图4最右侧图所示，环形火焰发生器8上侧开有火花塞接孔。如图4最右侧图所示，环形火焰发生器内壁面可攻有密封螺纹，用于与外衬9固定。在图1中作为示例示出了一个环形火焰发生器8，实际应用中可以不止于一个。

外衬9上没有被环形火焰发生器8覆盖的火焰孔，如图1所示，由阻火环2封闭。阻火环2环绕在外衬外部，其位置与环形火焰发生器的位置可调。阻火环2防止火焰通过外衬9上的火焰孔6外传。图3从左至右分别示出了阻火环的主视图、侧视图和剖视图。如图3最右侧图所示，阻火环内壁面可攻有密封螺纹，用于与外衬9密封固定。

该起爆装置可以利用右端法兰4上的螺栓，经螺栓孔10实现与燃烧室的固定。优选地，螺栓的数量不少于4个。

下面描述该环形起爆装置的工作过程及原理，进而便于理解该起爆装置的优势所在。本发明点火位置可控的环形起爆器工作过程及原理：起爆器通过内衬右端出口充入预混气。当点火位置确定时，采用环形火焰触发器与内衬对应位置的火焰孔相连，其他不需工作的火焰孔利用阻火环封堵。由火花塞接孔接入的火花塞点燃火焰，火焰在环形火焰触发器内迅速形成环形的火焰。火焰通过外衬上的若干火焰孔进入内外衬之间的环形腔，并在腔室内点燃环形层流火焰。环形火焰在内外壁面边界层的影响下逐渐失稳形成不稳定的郁金香火焰(Tulip flame)。这种不稳定的湍流火焰在传播过程中，火焰面发生剧烈改变使得空间内产生不均匀热膨胀，不断诱导大量的压力波产生。这些压力波之间相互叠加，并最终形成一定强度的环形射流激波。环形的射流激波通过聚心碰撞和聚焦腔壁面的反射聚焦作用在局部触发多次小范围爆炸。当爆炸强度较高时就直接点燃爆轰波；当爆炸强度较低时，局部爆炸产生的冲击波能够压缩火焰面前气体，还能够加速火焰传播，对内衬中的爆燃转爆轰(DDT)过程具有明显的促进作用。因此，内衬中经历聚焦作用加速的火焰，迅速追赶上前导激波，并与之耦合，形成超音速的化学反应区。此时，前导激波高度压缩的预混气被紧随其后的火焰燃烧释放热量，反之，因为燃烧形成的热膨胀又会产生压力波为前导激波压缩预混气提供能量补给，即激波相干能量释放(Shock wave amplification coherentenergy release，SWACER)机制建立。因此，稳定自持的爆轰波在到达内衬右端的出口前被触发。当需要调整点火位置实现对起爆过程的控制时，只需根据要求，在预混气填充完成后，调整点火触发器和对应阻火环的位置即可实现不同位置的点火。

结合上述起爆装置的工作过程及原理可知，本发明实施方式的环形起爆装置采用较低能量的火花塞通过环形火焰触发器实现环形火焰的触发并最终形成稳定自持的爆轰波，有效降低了起爆所需能耗。该起爆装置采用内外衬套之间的环形火焰加速诱导射流激波产生，通过凹形聚焦腔的反射作用诱导的局部爆炸实现对DDT的加速。一方面高能汇聚保证了起爆的成功率，另一方面，两衬套同轴的空间布置和聚焦加速DDT有效缩短了起爆时间和距离，实现了起爆结构的紧凑化。本发明在外衬上钻有若干火焰孔，工作时，只需要将工作的火焰孔则与环形火焰触发器相连。其他不需要的火焰孔用阻火环通过外衬上的比如密封螺纹封堵即可。

当需要调整点火位置实现不同点火位置的起爆时，只需调整阻火环和环形火焰发生器的位置，即可对起爆过程实现有效控制，使起爆装置可应用于不同类型燃机的点火。具体控制效果如下：

当点火位置小于某一临界值时，适当控制点火位置能够改变起爆时间和火焰到达射流出口时间(如图5所示，其中图中横坐标为点火位置，纵坐标为时间，下方曲线代表起爆时刻t_ddt，上方曲线代表到达出口时刻t_out。)，从图像可知，在临界值内不同点火位置的起爆时间不同，当x_i＝4mm时，起爆时间和到达出口时间最短。对脉冲爆轰发动机(PDE)而言，不同的点火位置一定程度控制了脉冲发动机的工作频率(时间越短，输出频率越高)。改变点火位置能够实现应用不同工况的多种频率；对旋转爆轰发动机(RDE)而言，改变点火位置能改变爆轰发动启动性能，起爆时间越短，发动机启动则越快。此外，当点火位置超过某一临界值时，起爆器出口火焰燃烧模式及射流参数都会发生转变(具体如下表所示)。因此，控制点火位置还能使起爆器应用于爆轰和常规两种类型燃机点火的模式转换。

应注意，当爆轰被点燃后，爆轰波到达出口时各射流参数基本恒定不变；当爆轰波未被点燃时，爆燃波到达出口时压力和速度随点火位置增加而降低。

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

1.一种用于爆轰燃烧室的起爆装置，其特征在于，包括：

外衬，呈柱形，一端与法兰焊接固定，另一端由凹形聚焦腔封闭，其轴向和周向均匀设有火焰孔，形成在轴向上的多圈间隔开的火焰孔；

内衬，与外衬同轴布置，靠近所述外衬聚焦腔的一端敞开，另一端通向燃烧室，内衬在靠近所述内衬另一端的外壁上与所述法兰焊接固定；

环形火焰发生器，环绕在外衬外部，内部形成中空环，中空部分与外衬上的一圈火焰孔连通，环形火焰发生器的外侧表面开有火花塞接孔，内壁面沿周向均匀开设有小孔；

阻火环，环绕在外衬外部，用于封住外衬上的其余火焰孔，

其中所述环形火焰发生器和阻火环的位置是可调的。

2.根据权利要求1所述的用于爆轰燃烧室的起爆装置，其中所述阻火环和环形火焰发生器通过密封螺纹与外衬装配在一起。

3.根据权利要求1所述的用于爆轰燃烧室的起爆装置，其中所述外衬与所述内衬之间的间距小于所述内衬的直径。

4.根据权利要求1所述的用于爆轰燃烧室的起爆装置，其中所述起爆装置通过所述法兰上的螺栓经螺栓孔实现与燃烧室的固定。

5.根据权利要求1所述的用于爆轰燃烧室的起爆装置，其中所述外衬上开设的火焰孔在周向上不少于3个，轴向上不少于2个。

6.根据权利要求1所述的用于爆轰燃烧室的起爆装置，其中所述环形火焰发生器内壁面周向均匀开设的小孔的数目等于外衬周向上火焰孔的数目。