CN111594341B - 一种旋转爆震发动机单向起爆装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种旋转爆震发动机单向起爆装置，包括旋转爆震燃烧室本体，惰性介质隔离装置和物理隔离装置。本发明能够使燃烧室内的爆震波始终保持同一方向旋转传播，解决了现有旋转爆震燃烧室点火后形成双波对撞进而导致点火失效，以及爆震波在燃烧室内的传播方向随机、不可控的难题。本发明可以用于旋转爆震发动机技术领域。

Description

一种旋转爆震发动机单向起爆装置

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，具体为一种旋转爆震发动机单向起爆装置。

背景技术

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)是一种利用连续爆震燃烧来产生推力的新概念发动机。与同样采用爆震循环的脉冲爆震发动机(PulseDetonation Engine，简称PDE)相比，RDE只需一次起爆即可实现爆震波连续传播。RDE的热循环效率远高于基于等压燃烧的传统喷气式发动机，且释热速率快、结构简单。因此，旋转爆震发动机受到了世界各国的广泛关注，已成为航空航天推进领域的研究热点之一。

通常，在RDE中获得稳定爆震波的方式主要有两种：一是利用火花塞、燃烧丝或电雷管等形成点火源，并快速发展成爆震波，从而触发旋转爆震发动机的稳定工作；二是利用预爆管向燃烧室内切向或垂直射入爆震波，直接引爆燃烧室内的可燃混合物，进而实现发动机的稳定工作。然而，采用以上两种方法时，最初会在燃烧室内形成朝两个方向传播的爆震波，两爆震波碰撞后，由于波前均为刚燃烧结束的燃烧产物，若填充条件不佳，容易导致爆震波熄灭，从而造成发动机启动失败。此外，即便启动成功，爆震波在燃烧室内的传播方向具有很强的随机性，若不加以控制，将给实际应用带来较大不便。这是因为爆震波传播方向不同时所产生的转动力矩亦不同，对飞行器姿态控制的要求截然相反。

因此，设计一种能使旋转爆震发动机内的爆震波保持同一方向旋转传播的装置就显得尤为重要，本发明为一种旋转爆震发动机单向起爆装置，恰能解决爆震波的单向传播问题，对旋转爆震发动机的实际应用具有重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够使旋转爆震发动机内的爆震波保持同一方向旋转传播的装置，以解决现有旋转爆震燃烧室点火后形成双波对撞进而导致点火失效，以及爆震波在燃烧室内的传播方向随机、不可控的难题，本发明可以用于旋转爆震发动机技术领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种旋转爆震发动机单向起爆装置，包括旋转爆震燃烧室本体，惰性介质隔离装置和物理隔离装置，其特征在于：惰性介质隔离装置和物理隔离装置安装在旋转爆震燃烧室本体上的点火位置附近且与预期的爆震波传播方向相反的一侧，当旋转爆震燃烧室点火启动后，两个装置协同工作，确保爆震波沿着预定的旋转方向进行传播。

所述旋转爆震燃烧室本体由燃烧室外环、燃烧室内柱和点火装置组成。其中，燃烧室外环和燃烧室内柱同轴，二者形成的环腔为爆震燃烧进行的空间，燃烧室内外壁面均为圆柱面，二者间隙为燃烧室宽度，可根据燃烧室的实际情况进行改变；此外，在燃烧室外环上沿轴向开有长方形的隔离装置预留槽，并在燃烧室外环外壁面的预留槽周围布有4～8个外环螺栓孔，用于安装惰性介质隔离装置；同时，在燃烧室外环内壁面的预留槽内开有圆柱形的弹性元件安装孔；在本发明中，对点火装置无特殊结构要求，只要能安装在燃烧室外环上即可，可以是火花塞或者射流管。

所述惰性介质隔离装置由惰性介质供给管、惰性介质扩张通道和限位片组成。其中，惰性介质供给管为一方形管，其一端和惰性介质扩张通道连接，另一端依靠管路和惰性介质气源连接；惰性介质扩张通道是一内部开有梯形槽的长方体，梯形槽的上底面与限位片和惰性介质供给管进行密封焊接，梯形槽的下底面长度为燃烧室长度的1/3～1/2；限位片为一长方形板块，中间开有小孔，孔径和惰性介质供给管内径相等，四周开有4～8个螺栓孔，孔距和孔数与燃烧室外环螺栓孔一致；当惰性介质隔离装置整体焊接完成后，装置安装在燃烧室外环的隔离装置预留槽内，限位片上的螺栓孔用于和外环螺栓孔配合，并依靠固定螺钉紧密连接。在本发明中，可以使用的惰性介质有氮气、氩气、二氧化碳和水。

所述物理隔离装置由阻挡片、转轴和弹性元件组成。其中，阻挡片为一内外壁面均为圆柱面的片状体，圆柱面的长度为燃烧室长度的1/3～1/2，且与惰性介质扩张通道的外表面长度相等，宽度为燃烧室宽度的0.8～0.9倍；转轴用于连接燃烧室外环和阻挡片，使阻挡片能在燃烧室外环上转动；弹性元件为一弹簧，一端固定在燃烧室外环圆柱形的弹性元件安装孔内，另一端固定在阻挡片上，当弹簧处于无形变状态时，阻挡片能够完全缩在燃烧室外环槽内，确保燃烧室流道内无任何障碍，当弹簧受力拉伸时，阻挡片则沿转轴向燃烧室内转动。

有益效果：

采用本发明提供的旋转爆震发动机单向起爆装置，能够使燃烧室内的爆震波保持同一方向旋转传播，解决了现有旋转爆震燃烧室点火后形成双波对撞进而导致点火失效，以及爆震波在燃烧室内的方向随机、不可控等问题。本发明可以用于旋转爆震发动机技术领域。

附图说明

图1为旋转爆震发动机单向起爆装置的关闭状态示意图；

图2为旋转爆震发动机单向起爆装置的关闭状态局部放大图；

图3为旋转爆震发动机单向起爆装置的开启状态示意图；

图4为旋转爆震发动机单向起爆装置的开启状态局部放大图；

图5为惰性介质隔离装置示意图；

其中，1为燃烧室外环，2为燃烧室内柱，3为点火装置(如火花塞和射流管)，4为外环螺栓孔，5为弹性元件安装孔，6为隔离装置预留槽，7为阻挡片，8为转轴，9为弹性元件(如弹簧)，10为惰性介质供给管，11为惰性介质扩张通道，12为限位片，13为限位片螺栓孔，14为固定螺钉，15为惰性介质隔离装置。

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。

结合图1、图2、图3和图4，一种旋转爆震发动机单向起爆装置由旋转爆震燃烧室本体，惰性介质隔离装置15和物理隔离装置组成，其具体安装过程分以下几个步骤：

1、首先安装燃烧室外环1和燃烧室内柱2(如果旋转爆震燃烧室为空桶型燃烧室，则无需安装燃烧室内柱2)，并将点火装置(如火花塞和射流管)3安装在燃烧室外环1上；

2、用转轴8将阻挡片7安装在燃烧室外环1上，同时要确保阻挡片7可沿转轴8自由转动；

3、将弹性元件(如弹簧)9的一端安装在弹性元件安装孔5内，另一端与阻挡片7连接，安装时可加一定的预紧力，使得弹性元件(如弹簧)9在无形变或微弱受力拉伸的状态下，阻挡片7可以完全缩在燃烧室外环1的隔离装置预留槽6内，确保燃烧室流道内无任何障碍，当弹性元件(如弹簧)9受力拉伸时，阻挡片7则沿转轴8向燃烧室内转动；

4、结合图5，将惰性介质供给管10、惰性介质扩张通道11和限位片12进行焊接，然后把惰性介质隔离装置15整体安装到隔离装置预留槽6内；

5、最后，将固定螺钉14安装在限位片螺栓孔13和外环螺栓孔4内，确保惰性介质隔离装置15和燃烧室外环1的紧密连接。

本发明主要为了解决旋转爆震燃烧室点火后形成双波对撞进而导致点火失效，及爆震波在燃烧室内的方向随机、不可控等问题。

当点火装置(如火花塞和射流管)3对燃烧室进行点火时，开启惰性介质隔离装置15，此时惰性介质隔离装置15会喷出惰性介质，从而稀释燃烧室惰性介质隔离装置15周围的可燃气体，降低氧化剂的浓度，进而使可燃混气的当量比处于熄爆边界，无法形成爆震波，即达到了阻止爆震波反向传播的目的。

此外，喷出的惰性介质会推动物理隔离装置上的阻挡片7沿着转轴8转动，从而将燃烧室从一个密闭圆环分隔成带有间断的圆环。此时，从点火装置(如火花塞和射流管)3处形成的两个沿相反方向传播的燃烧波，一个在其传播方向上，混合气体均匀分布，且无任何阻挡，最终逐渐形成爆震波；而另一个燃烧波，在其传播方向上，由于惰性介质的喷注，首先混合气体的当量比下降，进而导致可爆性下降，难以形成爆震波，同时，受阻挡片7的阻挡作用，燃烧波会终止传播，进而熄灭。

惰性介质隔离装置15和物理隔离装置共同协作，能够确保在燃烧室点火后仅形成单个方向爆震波，避免由于双波对撞而导致点火失效的发生。

需要注意的是，如果惰性介质隔离装置15开启的时间过短，则无法有效地使一个燃烧波熄灭，从而不能达成单向起爆；相反，如果惰性介质隔离装置15开启的时间过长，会导致在燃烧室内存在过多的惰性介质，正常传播的燃烧波会受这些惰性介质的影响而无法保持稳定传播，更为重要的是，阻挡片7也会阻挡燃烧波的传播，甚至使燃烧室内无法形成爆震波。因此，需要对惰性介质隔离装置15开启后的持续时间进行精确控制，其应满足如下公式：

式中，d₁为燃烧室内柱2外径，d₂为燃烧室外环内径，v为爆震波传播速度，t为惰性介质隔离装置15开启后的持续时间。即，惰性介质隔离装置15开启后的持续时间应大于等于爆震波在燃烧室内传播半个周期所用的时间，且小于爆震波在燃烧室内传播3/4个周期所用的时间。

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 (2)

1.一种旋转爆震发动机单向起爆装置，包括旋转爆震燃烧室本体，惰性介质隔离装置和物理隔离装置，其特征在于：旋转爆震燃烧室本体由燃烧室外环、燃烧室内柱和点火装置组成；惰性介质隔离装置由惰性介质供给管、惰性介质扩张通道和限位片组成；其中，惰性介质供给管为一方形管，其一端和惰性介质扩张通道连接，另一端依靠管路和惰性介质气源连接；惰性介质扩张通道是一内部开有梯形槽的长方体，梯形槽的上底面与限位片和惰性介质供给管进行密封焊接，梯形槽的下底面长度为燃烧室长度的1/3～1/2；限位片为一长方形板块，中间开有小孔，孔径和惰性介质供给管内径相等，四周开有4～8个螺栓孔，孔距和孔数与燃烧室外环螺栓孔一致；当惰性介质隔离装置整体焊接完成后，装置安装在燃烧室外环的隔离装置预留槽内，限位片上的螺栓孔用于和外环螺栓孔配合，并依靠固定螺钉紧密连接；惰性介质为氮气或氩气或二氧化碳或水；

物理隔离装置由阻挡片、转轴和弹性元件组成；其中，阻挡片为一内外壁面均为圆柱面的片状体，圆柱面的长度为燃烧室长度的1/3～1/2，且与惰性介质扩张通道的外表面长度相等，宽度为燃烧室宽度的0.8～0.9倍；转轴用于连接燃烧室外环和阻挡片，使阻挡片能在燃烧室外环上转动；弹性元件为一弹簧，一端固定在燃烧室外环圆柱形的弹性元件安装孔内，另一端固定在阻挡片上，当弹簧处于无形变状态时，阻挡片能够完全缩在燃烧室外环槽内，确保燃烧室流道内无任何障碍，当弹簧受力拉伸时，阻挡片则沿转轴向燃烧室内转动；

惰性介质隔离装置和物理隔离装置安装在旋转爆震燃烧室本体上的点火位置附近且与预期的爆震波传播方向相反的一侧，当旋转爆震燃烧室点火启动后，两个装置协同工作，确保爆震波沿着预定的旋转方向进行传播；

惰性介质隔离装置开启后的持续时间应满足如下公式：

式中，d₁为燃烧室内柱外径，d₂为燃烧室外环内径，v为爆震波传播速度，t为惰性介质隔离装置开启后的持续时间；即，惰性介质隔离装置开启后的持续时间应大于等于爆震波在燃烧室内传播半个周期所用的时间，且小于爆震波在燃烧室内传播3/4个周期所用的时间。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机单向起爆装置，其特征在于：燃烧室外环和燃烧室内柱同轴，二者形成的环腔为爆震燃烧进行的空间，燃烧室内外壁面均为圆柱面，二者间隙为燃烧室宽度；此外，在燃烧室外环上沿轴向开有长方形的隔离装置预留槽，并在燃烧室外环外壁面的预留槽周围开有4～8个外环螺栓孔，用于安装惰性介质隔离装置；同时，在燃烧室外环内壁面的预留槽内开有圆柱形的弹性元件安装孔；点火装置为火花塞或射流管。

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