CN111664026A - 一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起爆器，具体涉及一种适用于旋转爆震发动机的盘状环腔型高能起爆器，该起爆器可实现受限空间下旋转爆震发动机的高能量直接起爆。本发明的目的是解决现有技术中起爆器尺寸较大与实际发动机空间受局限之间存在矛盾，严重制约RDE工程应用的技术问题，提供一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器。该起爆器包括燃料供给组件、氧化剂供给组件、燃料氧化剂掺混组件、点火组件；点火组件的多个弯曲隔离板夹装在供给盘和射流盘扣合形成的腔体内，形成一个中心腔和作为弯曲流道的多个同心环腔，形成燃料供给腔和氧化剂供给腔和点火室；射流盘上开设有高能射流出口、多对燃料喷孔和氧化剂喷孔。

Description

一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器

技术领域

本发明涉及起爆器，具体涉及一种适用于旋转爆震发动机的盘状环腔型高能起爆器，该起爆器可实现受限空间下旋转爆震发动机的高能量直接起爆。

背景技术

自然界中存在两种形式的燃烧：缓燃燃烧和爆震燃烧。相比于缓燃燃烧过程中的等压膨胀特性，爆震燃烧具有自增压、熵增低、热循环效率高的特点，因而受到了广泛关注。20世纪60年代，前苏联科学家Voitsekhovskii提出了旋转爆震的概念，并在环形燃烧室中成功获得了C₂H₂/O₂气相连续旋转爆震波，随后大批研究人员开展了关于旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，简称RDE)的研究工作。

旋转爆震波的起始和形成是RDE稳定工作的前提和基础，是RDE工作成功与否的关键。目前爆震波起爆主要依靠两种方式：间接起爆和直接起爆。间接起爆是指利用低点火能量的火花塞点燃反应混合物，在特定边界条件下火焰逐渐加速，实现缓燃火焰向爆震波的转变(Deflagration-to-Detonation，简称DDT)，该方法所需初始点火能量较小，但需要较长的火焰加速距离。直接起爆是指没有经历火焰加速过程而通过高能量点火瞬间形成爆震波，其点火能量需要达到爆震开始的临界条件，为了实现瞬间高能输出，通常起爆器体积较大，不适用于飞行工况。

目前，RDE多采用预爆管来实现爆震波的直接起始，而预爆管本身则采用间接起爆的方法来实现高能量输出。传统预爆管结构为圆直管道，一端封闭，另一端与RDE燃烧室垂直联通。封闭端处用火花塞点火，经较长距离火焰加速发展成为爆震波，爆震产生的高温高压燃气从连通处垂直喷射进入RDE，从而实现RDE直接起爆，这样的预爆管结构也称为RDE起爆器。然而，这样的起爆器设计往往需要占用很大的空间，给发动机的整体结构布局设计带来了较大的困难。总而言之，传统起爆器尺寸较大与实际发动机空间受局限之间的矛盾，严重制约了RDE的工程应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中起爆器尺寸较大与实际发动机空间受局限之间存在矛盾，严重制约RDE工程应用的技术问题，提供一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特殊之处在于：包括燃料供给组件、氧化剂供给组件、燃料氧化剂掺混组件、点火组件；

所述燃料供给组件、氧化剂供给组件和燃料氧化剂掺混组件均设置于点火组件的一侧；

所述点火组件包括供给盘、射流盘、固定螺栓、多个弯曲隔离板；

所述供给盘和射流盘相扣合并通过固定螺栓固定；

多个弯曲隔离板夹装在供给盘和射流盘扣合形成的腔体内，形成一个中心腔和作为弯曲流道的多个同心环腔，最外围的两个同心环腔分别为燃料供给腔和氧化剂供给腔，其余同心环腔作为点火环腔，点火环腔内侧的弯曲隔离板上均开设衍射狭缝并通过衍射狭缝与中心腔连通作为点火室；

所述射流盘上开设有高能射流出口、多对燃料喷孔和氧化剂喷孔；

所述燃料喷孔与燃料供给腔连通；

所述氧化剂喷孔与氧化剂供给腔连通；

每对燃料喷孔和氧化剂喷孔采用互击式喷注结构；

所述燃料氧化剂掺混组件包括火花塞和火花塞安装座；

所述火花塞安装座顶端设有内螺纹；

所述火花塞与火花塞安装座顶端通过螺纹密封连接，火花塞与火花塞安装座之间设有环腔作为燃料氧化剂掺混腔；

所述燃料氧化剂掺混腔与所述点火组件的中心腔连通；

所述燃料供给组件分别与燃料供给腔和燃料氧化剂掺混腔连通；

所述氧化剂供给组件分别与氧化剂供给腔和燃料氧化剂掺混腔连通。

进一步地，所述燃料供给组件包括燃料供给段、燃料供给三通和燃料电磁阀；

所述燃料供给三通的入口连接燃料供给段，燃料供给三通的一个出口与所述燃料氧化剂掺混腔连通，另一个出口与所述燃料供给腔连通；

所述燃料电磁阀设置于燃料供给三通与燃料氧化剂掺混腔连通的出口上。

进一步地，所述氧化剂供给组件包括氧化剂供给段、氧化剂供给三通和氧化剂电磁阀；

所述氧化剂供给三通的入口连接氧化剂供给段，氧化剂供给三通的一个出口与所述燃料氧化剂掺混腔连通，另一个出口与所述氧化剂供给腔连通；

所述氧化剂电磁阀设置于氧化剂供给三通与燃料氧化剂掺混腔连通的出口上。

进一步地，为了保证密封性，所述弯曲隔离板与供给盘之间、弯曲隔离板与射流盘之间均设有密封垫片。

进一步地，为了延长点火室弯曲流道的行程，所有衍射狭缝沿同一轴线布置，所述轴线穿过点火室中心，且相邻弯曲隔离板上的衍射狭缝位于点火室中心的不同侧。

进一步地，所述高能射流出口的形状为锥形，其收缩锥角为70°～100°，轴向长度为射流盘厚度，为5～10mm，出口喉部直径为2～4mm。

进一步地，所述弯曲隔离板上的衍射狭缝宽度为同心环腔宽度的1/5。

进一步地，所述多对燃料喷孔和氧化剂喷孔沿射流盘的周向均布；每对燃料喷孔和氧化剂喷孔位于射流盘的同一径向上。

进一步地，火花塞点火能量为50～100mJ。

进一步地，同心环腔宽度为10～20mm。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，由燃料供给段、氧化剂供给段、火花塞、燃料氧化剂掺混腔、点火室、燃料供给腔、氧化剂供给腔、高能射流出口、燃料喷孔、氧化剂喷孔等组成。盘状环腔型点火室中填充可爆混气，混气经火花塞点火后形成缓燃火焰，低速传播的火焰在曲面压缩和激波聚焦的双重效应下，能够在点火室中逐渐加速，并最终发展成为爆震波，爆震波及其后的燃气流从高能射流出口处喷射，实现高能起爆输出。此外，与点火室同心布置的互击式喷嘴(由氧化剂喷孔和燃料喷孔组成)，能够在不增加起爆器结构复杂度的前提下，满足爆震燃烧室的供给条件。综上，本发明能够在空间尺寸受限条件下实现低能量输入、高能量输出，且盘状环腔结构与旋转爆震燃烧室的环形结构高度契合，大大地减小了旋转爆震发动机起爆器尺寸，可作为旋转爆震发动机的高能起爆器。

2、本发明提供的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，采用盘状弯曲通道结构，弯曲通道截面尺寸及沿程长度可灵活调整，具有空间利用率高的特点；该结构能够对RDE燃烧室实现同轴射流点火，避免了传统起爆器径向热射流对RDE燃烧室壁面的热冲击载荷；与传统起爆器相比，在两种火焰加速机制作用下，提升了起爆成功率。实现了起爆器与供给系统的一体化设计，大大简化了系统结构，提高了工程应用价值。即本发明既可实现高点火能量输出、又可保证结构足够精简，适用于旋转爆震发动机工程应用的起爆器。

附图说明

图1为本发明旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器供给盘一侧的立体图；

图2为本发明旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器的剖视图；

图3为本发明旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器点火组件的剖视图；

附图标记说明：

1-燃料供给组件、2-氧化剂供给组件、3-燃料氧化剂掺混组件、4-点火组件；

101-燃料供给段、102-燃料供给三通、103-燃料电磁阀；

201-氧化剂供给段、202-氧化剂供给三通、203-氧化剂电磁阀；

301-火花塞、302-火花塞安装座、303-燃料氧化剂掺混腔；

401-供给盘、402-射流盘、403-固定螺栓、404-弯曲隔离板、405-燃料供给腔、406-氧化剂供给腔、407-点火室、408-高能射流出口、409-燃料喷孔、410-氧化剂喷孔、411-中心腔、412-同心环腔、413-衍射狭缝、414-密封垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

本发明的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，如图1至图3所示，由燃料供给段101、燃料供给三通102、燃料电磁阀103、火花塞、火花塞安装座302、燃料氧化剂掺混腔303、氧化剂供给段201、氧化剂供给三通202、氧化剂电磁阀203、燃料供给腔405、氧化剂供给腔406、高能射流出口408、点火室407、供给盘401、射流盘402、密封垫片414、弯曲隔离板404、氧化剂喷孔410、燃料喷孔409、固定螺栓403、中心点火区(即中心腔411)、衍射狭缝413、同心环腔412组成。

所述旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器通过燃料供给段101、燃料供给三通102实现分别向掺混腔和燃料供给腔405中的燃料供给；通过氧化剂供给段201、氧化剂供给三通202实现分别向掺混腔和氧化剂供给腔406中的氧化剂供给。

所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器通过火花塞点燃点火室407中的预混气，形成初始的缓燃火焰，火花塞点火能量为50～100mJ。

所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器在弯曲隔离板404的曲面压缩效应和衍射狭缝413的激波聚焦效应下，火花塞点燃的缓燃火焰能够逐渐加速形成爆震燃烧波，最终生成的温度3000K以上的高温高压燃烧产物从高能射流出口408处以2000m/s左右的高速流出，从而可实现对旋转爆震发动机燃烧室的高能起爆。

所述的点火室407由供给盘401和射流盘402扣合后由固定螺栓403将边缘固定、并将多个弯曲隔离板404夹装在供给盘401和射流盘402扣合形成的腔体内，形成一个中心腔411和作为弯曲流道的多个同心环腔412，最外围的两个同心环腔412分别为燃料供给腔405和氧化剂供给腔406，其余同心环腔412作为点火环腔，点火环腔内侧的弯曲隔离板404上均开设衍射狭缝413并通过衍射狭缝413与中心腔411连通作为点火室407；弯曲隔离板404上的衍射狭缝413的宽度为2～5mm。

所述的高能射流出口408的收缩锥角介于70°～100°之间，长度为射流盘402厚度介于5～10mm之间，出口喉部直径介于2～4mm之间。

所述的氧化剂喷孔410和燃料喷孔409为互击式喷注结构，共计30对，分别沿同心圆环周向均布。

上述方案的原理是：燃料及氧化剂经供给段填充，在掺混腔中预混后由火花塞点火，火焰在点火室407的环腔型流道中逐渐加速，最终在高能射流出口408处形成高能爆震波点火输出。在缓燃火焰向高能爆震波转变过程中受到两种火焰加速机制的作用：其一，弯环腔道中靠近外侧壁面处，激波触壁反射后叠加，容易压缩流体形成高温高压区，即局部“爆炸点”，该区域激波和燃烧面容易实现耦合从而高能自持传播；其二，在衍射狭缝413处能够产生激波聚焦效应，由于狭缝处激波的相互作用，在狭缝中的燃气能量迅速集中，从而在气体动力学焦点附近产生极高的温度和压力，同样有助于火焰加速传播。

如图2所示，燃料供给段101和氧化剂供给段201，通过燃料氧化剂掺混腔303与点火室407相连通。起爆器填充过程中，打开燃料电磁阀103和氧化剂电磁阀203，燃料和氧化剂分别经燃料供给段101和氧化剂供给段201入口处开始供给，径向喷射进入燃料氧化剂掺混腔303实现预混，随后预混混合物供入点火室407中，并最终实现整个起爆器中反应物的满填充。

火花塞安装座302与火花塞通过内螺纹密封连接，点火室407中的燃料和氧化剂混合物满填充之后，开始起爆器的启动过程，使用火花塞点燃混合物，完成低能量输入，产生缓燃火焰。

如图3所示，中心腔411直径为20～40mm，同心环腔412宽度为10～20mm，四个同心环腔412与中心腔411通过衍射狭缝413连通，四条衍射狭缝413呈同一轴线布置，衍射狭缝413宽度为环腔宽度的1/5，即2～4mm。起爆器启动后，缓燃火焰开始在各环腔中加速传播，进入点火能量自适应增大过程。缓燃火焰在中心腔411处产生后，经过第一个衍射狭缝413的能量聚焦作用，喷射进入第一个点火环腔中；其后火焰在点火环腔中受到外侧壁面的压缩作用，并在第二个衍射狭缝413处再次聚焦能量，加速喷射进入下一点火环腔中；……以此类推，直至火焰传播至第四个点火环腔中。在点火环腔的激波压缩效应和射流狭缝的能量聚焦效应影响下，缓燃火焰在点火环腔中逐渐加速直至形成爆震波，伴随火焰加速过程，燃烧产物的压力和温度也逐渐增大。

同心环腔412各环腔直径及环腔数量决定了火焰加速的沿程长度。根据经典的火焰加速理论，不同燃料、氧化剂的反应活性不同，对应缓燃火焰加速至高能爆震波所需的最小长度也不同，可根据起爆器所使用的反应物特性来调整起爆器中的环腔直径及数量。

如图1和图2所示，单个高能射流出口408布置在射流盘402上。当起爆器中成功获得爆震波后，爆震燃烧产生的高温高压燃气从高能射流出口408中喷出，实现高能量点火输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：包括燃料供给组件(1)、氧化剂供给组件(2)、燃料氧化剂掺混组件(3)、点火组件(4)；

所述燃料供给组件(1)、氧化剂供给组件(2)和燃料氧化剂掺混组件(3)均设置于点火组件(4)的一侧；

所述点火组件(4)包括供给盘(401)、射流盘(402)、固定螺栓(403)、多个弯曲隔离板(404)；

所述供给盘(401)和射流盘(402)相扣合并通过固定螺栓(403)固定；

多个弯曲隔离板(404)夹装在供给盘(401)和射流盘(402)扣合形成的腔体内，形成一个中心腔(411)和作为弯曲流道的多个同心环腔(412)，最外围的两个同心环腔(412)分别为燃料供给腔(405)和氧化剂供给腔(406)，其余同心环腔(412)作为点火环腔，点火环腔内侧的弯曲隔离板(404)上均开设衍射狭缝(413)并通过衍射狭缝(413)与中心腔(411)连通作为点火室(407)；

所述射流盘(402)上开设有高能射流出口(408)、多对燃料喷孔(409)和氧化剂喷孔(410)；

所述燃料喷孔(409)与燃料供给腔(405)连通；

所述氧化剂喷孔(410)与氧化剂供给腔(406)连通；

每对燃料喷孔(409)和氧化剂喷孔(410)采用互击式喷注结构；

所述燃料氧化剂掺混组件(3)包括火花塞(301)和火花塞安装座(302)；

所述火花塞安装座(302)顶端设有内螺纹；

所述火花塞(301)与火花塞安装座(302)顶端通过螺纹密封连接，火花塞(301)与火花塞安装座(302)之间设有环腔作为燃料氧化剂掺混腔(303)；

所述燃料氧化剂掺混腔(303)与所述点火组件(4)的中心腔(411)连通；

所述燃料供给组件(1)分别与燃料供给腔(405)和燃料氧化剂掺混腔(303)连通；

所述氧化剂供给组件(2)分别与氧化剂供给腔(406)和燃料氧化剂掺混腔(303)连通。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述燃料供给组件(1)包括燃料供给段(101)、燃料供给三通(102)(2)和燃料电磁阀(103)；

所述燃料供给三通(102)的入口连接燃料供给段(101)，燃料供给三通(102)的一个出口与所述燃料氧化剂掺混腔(303)连通，另一个出口与所述燃料供给腔(405)连通；

所述燃料电磁阀(103)设置于燃料供给三通(102)与燃料氧化剂掺混腔(303)连通的出口上。

3.根据权利要求2所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述氧化剂供给组件(2)包括氧化剂供给段(201)、氧化剂供给三通(202)和氧化剂电磁阀(203)；

所述氧化剂供给三通(202)的入口连接氧化剂供给段(201)，氧化剂供给三通(202)的一个出口与所述燃料氧化剂掺混腔(303)连通，另一个出口与所述氧化剂供给腔(406)连通；

所述氧化剂电磁阀(203)设置于氧化剂供给三通(202)与燃料氧化剂掺混腔(303)连通的出口上。

4.根据权利要求1或2或3所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述弯曲隔离板(404)与供给盘(401)之间、弯曲隔离板(404)与射流盘(402)之间均设有密封垫片(414)。

5.根据权利要求4所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所有衍射狭缝(413)沿同一轴线布置，所述轴线穿过点火室(407)中心，且相邻弯曲隔离板(404)上的衍射狭缝(413)位于点火室(407)中心的不同侧。

6.根据权利要求5所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述高能射流出口(408)的形状为锥形，其收缩锥角为70°～100°，轴向长度为射流盘(402)厚度，为5～10mm，出口喉部直径为2～4mm。

7.根据权利要求6所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述弯曲隔离板(404)上的衍射狭缝(413)宽度为同心环腔(412)宽度的1/5。

8.根据权利要求7所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：所述多对燃料喷孔(409)和氧化剂喷孔(410)沿射流盘(402)的周向均布；每对燃料喷孔(409)和氧化剂喷孔(410)位于射流盘(402)的同一径向上。

9.根据权利要求8所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：火花塞(303)点火能量为50～100mJ。

10.根据权利要求9所述的旋转爆震发动机盘状环腔型高能起爆器，其特征在于：同心环腔(412)宽度为10～20mm。

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