CN111828175B - 一种预燃加热装置及使用该装置的旋转爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预燃加热装置及使用该装置的旋转爆震发动机。一种预燃加热装置，包括预热筒、连接在预热筒一端的预燃筒，所述预燃筒上安装有油嘴和旋流器，所述预燃筒内设有点火器，所述预热筒上设有向预热筒内输入空气的气嘴。通过点火器点燃油嘴输送的燃料和旋流器输送的空气的可燃混合物，形成燃烧后的高温气流进入预热筒内。高温气流对空气进行加热，使得高温的空气在进入爆震燃烧环腔和燃料混合时更容易被起爆。由于并不是通过高功率的电加热装置来加热空气，而是使用燃料燃烧的方式对空气进行加热，因此预燃加热装置可以设计的较小，使其作为航空装备成为可能，预燃加热旋转爆震发动机在航空动力装置应用方面具有极大潜力。

Description

一种预燃加热装置及使用该装置的旋转爆震发动机

技术领域

本发明涉及发动机的技术领域，尤其是涉及一种预燃加热装置及使用该装置的旋转爆震发动机。

背景技术

爆震发动机与传统等压燃烧发动机相比单位时间放热强度大，熵增低，连续旋转爆震是爆震燃烧方式的一种，发生在同轴圆环腔结构的燃烧室内，在燃烧室头部形成沿圆周方向传播的爆震波，高温高压燃烧产物经膨胀后沿轴向喷出产生推力。连续旋转爆震具有工作频率高、只需一次点火等优点，因此引起了国内外的广泛关注和研究。目前，世界各国正在加快旋转爆震的研究步伐，例如：美国国防部、能源部分别针对旋转爆震航空发动机、旋转爆震燃气轮机，对洛克达因公司、普渡大学等进行了大量资助。

连续旋转爆震发动机的原理可行性已获得充分验证，但该发动机的工程应用遇到了较大困难，目前的旋转爆震试验都以氢气作为燃料，但是氢气难储存、体积能量密度小，不适合工程应用。液体煤油等碳氢燃料易储存、体积能量密度大，更适合于发动机的工程应用。但是煤油燃料的活性低，旋转爆震起爆和维持的难度很大，限制了旋转爆震发动机的工程研制。

现有的旋转爆震发动机通过电加热设备对空气进行加热，加热后的空气作为氧化剂和煤油一起混合进入爆震燃烧环道内，高温状态下的煤油空气混合物更易于起爆并维持。

上述中的现有技术方案存在以下问题：现有的电加热设备为了达到快速加热持续供给高温空气的效果就必须要使用体积较大的高功率电加热设备，体积较大的电加热设备会占据大量的可用设计空间，在设计空间较为有限的飞行器上使用时就非常困难。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的其中一个目的是提供一种预燃加热装置，其优势在于占用空间较小，加热能力强，启动迅速。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种预燃加热装置，包括预热筒、连接在预热筒一端的预燃筒，所述预燃筒上安装有油嘴和旋流器，所述预燃筒内设有点火器，所述预热筒上设有向预热筒内输入空气的气嘴。

通过采用上述技术方案，通过点火器点燃油嘴输送的燃料和旋流器输送的空气的可燃混合物，形成燃烧后的高温气流进入预热筒内。高温气流对空气进行加热，使得高温的空气在进入爆震燃烧环腔和燃料混合时更容易被起爆。由于并不是通过高功率的电加热装置来加热空气，而是使用燃料燃烧的方式对空气进行加热，因此预燃加热装置可以设计的较小，占用空间也就更小。而且相比较电加热设备，不需要先加热元器件再对空气进行加热，因此加热能力强，启动迅速。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述预热筒的外侧安装有多道供气环，所述供气环内成型有集气腔，每个进气孔均与其中一个集气腔相连通。

通过采用上述技术方案，通过供气环将多个进气孔连接，使得不需要为每个进气孔单独去注入空气，而直接向供气环的集气腔内注入空气即可。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：每个所述供气环的侧面均安装有流量调节阀，所述流量调节阀远离供气环的一端均连接有连接管，所有的连接管均与同一根主管相连接。

通过采用上述技术方案，通过流量调节阀来控制空气的注入流量，由于每个供气环均有单独的流量调节阀，因此可以单独调节每个供气环对应的进气孔的进气流量。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述旋流器位于预燃筒远离预热筒的一端，所述油嘴安装于旋流器的中部。

通过采用上述技术方案，将旋流器设置在预燃筒远离预热筒的一端并将油嘴安装于旋流器中部，使得燃料和空气充分接触，使得燃料可以在预燃筒内充分燃烧，以将化学能尽可能释放出来，以达到更好的加热效果。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述预燃筒的周向一圈均布成型有多组掺混孔，所述点火器位于旋流器和掺混孔之间的位置。

通过采用上述技术方案，当旋流器提供的空气不足以让燃料充分燃烧时，掺混孔可以补入部分空气，使得燃料燃烧更彻底。

针对现有技术存在的不足，本发明的另一个目的是提供一种使用上述预燃加热装置的旋转爆震发动机。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种旋转爆震发动机，包括爆震燃烧室、与爆震燃烧室相连通的燃料注入装置、用于引流空气的空气引流装置以及与空气引流装置相连接的上述预燃加热装置。

通过采用上述技术方案，使用上述预燃加热装置，将空气进行加热后再与燃料一起进入爆震燃烧室内，使得更容易起爆并维持。同时该预燃加热装置的占用空间较小，可以节省空间。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述爆震燃烧室包括燃烧室内筒、燃烧室外筒以及位于燃烧室内筒、燃烧室外筒之间的爆震燃烧环腔，燃烧室外筒的侧壁上设有与爆震燃烧环腔相连通的预爆管接口。

通过采用上述技术方案，通过预爆管接口接入的预爆管通入氢气和氧气，在预爆管内点火后氢气和氧气爆炸产生爆震波，爆震波进入爆震燃烧环腔内起爆，爆震波沿爆震燃烧环腔圆周方向连续传播。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述燃料注入装置包括连接在燃烧室内筒一端的喉道段内筒、连接在燃烧室外筒同一端的喉道段外筒，所述喉道段内筒的外圈侧壁和喉道段外筒的内圈侧壁之间设有环缝通道，所述空气引流装置包括连接在喉道段内筒远离燃烧室内筒一端的扩张段内筒、连接在喉道段外筒远离燃烧室外筒一端的扩张段外筒以及连接在扩张段内筒、扩张段外筒另一端的转接段，所述扩张段内筒的外侧壁和扩张段外筒的内侧壁之间设有与环缝通道相连通的引流通道。

通过采用上述技术方案，通过引流通道将高温空气引导至环缝通道的位置，以满足连续旋转爆震的要求。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述喉道段外筒的侧壁内成型有环形的燃料流道槽，所述喉道段外筒对应环缝通道处的内侧壁一圈上均布成型有多个与燃料流道槽相连通的喷注孔，所述喉道段外筒的外侧壁上穿设有与燃料流道槽相连通的燃料管。

通过采用上述技术方案，通过喷注孔来将燃料注入环缝通道，并与环缝通道内的高温空气混合以达到起爆条件。通过燃料管向燃料流道槽内补充燃料。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述转接段包括与扩张段外筒固定连接的外接筒、与扩张段内筒固定连接的内接筒以及连接外接筒和内接筒的多根连接支架，相邻的连接支架之间相隔开。

通过采用上述技术方案，通过转接段来安装支撑扩张段内筒的部分，使得所有内筒和外筒间的间距缝隙得以维持在稳定状态。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.高温气流对空气进行加热，使得高温的空气在进入爆震燃烧环腔和燃料混合时更容易被起爆，由于并不是通过高功率的电加热装置来加热空气，而是使用燃料燃烧的方式对空气进行加热，因此预燃加热装置可以设计的较小，占用空间也就更小。

2.将旋流器设置在预燃筒远离预热筒的一端并将油嘴安装于旋流器中部，使得燃料和空气充分接触，使得燃料可以在预燃筒内充分燃烧，以将化学能尽可能释放出来，以达到更好的加热效果；

3.相比较电加热设备，不需要先加热元器件再对空气进行加热，因此加热能力强，启动迅速。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是实施例的剖视示意图；

图3是图2中A处的放大图。

附图标记：1、爆震燃烧室；2、燃料注入装置；3、空气引流装置；4、预燃加热装置；5、燃烧室内筒；6、燃烧室外筒；7、爆震燃烧环腔；8、预爆管接口；9、喉道段内筒；10、喉道段外筒；11、环缝通道；12、燃料流道槽；13、喷注孔；14、燃料管；15、扩张段内筒；16、扩张段外筒；17、引流通道；18、转接段；19、外接筒；20、内接筒；21、连接支架；22、预热筒；23、预燃筒；24、进气筒；25、旋流器；26、油嘴；27、掺混孔；28、点火器；29、供气环；30、集气腔；31、进气孔；32、流量调节阀；33、连接管；34、主管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种旋转爆震发动机，包括爆震燃烧室1、与爆震燃烧室1相连通的燃料注入装置2、用于引流空气的空气引流装置3以及对空气进行预加热的预燃加热装置4。

如图2所示，爆震燃烧室1包括燃烧室内筒5、燃烧室外筒6以及位于燃烧室内筒5、燃烧室外筒6之间的爆震燃烧环腔7。燃烧室外筒6的侧壁上设有与爆震燃烧环腔7相连通的预爆管接口8。

如图2和图3所示，燃料注入装置2包括连接在燃烧室内筒5一端的喉道段内筒9、连接在燃烧室外筒6同一端的喉道段外筒10。喉道段内筒9的外圈侧壁和喉道段外筒10的内圈侧壁之间留有一圈环形的缝隙作为环缝通道11。喉道段外筒10的侧壁内成型有环形的燃料流道槽12，喉道段外筒10对应环缝通道11处的内侧壁一圈上均布成型有多个与燃料流道槽12相连通的喷注孔13，喉道段外筒10的外侧壁上穿设有与燃料流道槽12相连通的燃料管14。

如图2所示，空气引流装置3包括连接在喉道段内筒9远离燃烧室内筒5一端的扩张段内筒15、连接在喉道段外筒10远离燃烧室外筒6一端的扩张段外筒16以及连接在扩张段内筒15、扩张段外筒16另一端的转接段18。扩张段内筒15的外侧壁和扩张段外筒16的内侧壁之间留有较大的空间形成引流通道17，引流通道17与环缝通道11相连通。转接段18包括与扩张段外筒16固定连接的外接筒19、与扩张段内筒15固定连接的内接筒20以及连接外接筒19和内接筒20的多根连接支架21，相邻的连接支架21之间相隔开。

如图2所示，预燃加热装置4包括一端与转接段18固定连接的预热筒22、连接在预热筒22另一端的预燃筒23以及套设在预燃筒23外侧的进气筒24。进气筒24靠近预热筒22一端的端部焊接有法兰，预燃筒23靠近预热筒22一端的端部焊接有法兰，预热筒22靠近预燃筒23一端的端部同样焊接有法兰，将三个法兰叠合后通过螺栓连接在一起。预燃筒23远离预热筒22一端的中部安装有旋流器25，通过旋流器25在预燃筒23内部形成空气旋流，旋流器25的中部安装有持续供燃料的油嘴26。预燃筒23的周向一圈均布成型有三组掺混孔27，每组掺混孔27的数量为六个且沿预燃筒23的周向分布。预燃筒23外侧壁上位于掺混孔27和旋流器25之间的位置安装有点火器28，通过点火器28点燃油嘴26输入的燃料。

如图2所示，预热筒22的的外侧安装有三道与预热筒22焊连的供气环29，将每道供气环29和预热筒22外侧壁之间围成的区域作为集气腔30，预热筒22的内侧壁上对应每道供气环29的位置均成型有与集气腔30相连通的进气孔31。三道供气环29的同一侧均安装有流量调节阀32，通过流量调节阀32调节进入预热筒22内的气流的大小。每个流量调节阀32远离供气环29的一端连接有连接管33，三根连接管33与同一根主管34相连通，主管34的一端密闭，另一端与压气机相连通，并将压气机产生的气流引入预热筒22内。

具体使用过程：

通过点火器28将预燃筒23内油嘴26喷出的燃料点燃，燃料燃烧的过程中掺混孔27向预燃筒23内补入空气，使得燃料充分燃烧。燃料燃烧产生的热量进入预热筒22内，对预热筒22内的空气进行加热，加热后的空气通过引流通道17到达环缝通道11的位置。燃料通过喷注孔13同样进入环缝通道11的位置，此时燃料和空气混合升温后进入爆震燃烧环腔7内。通过预爆管接口8接入的预爆管通入氢气和氧气，在预爆管内点火后氢气和氧气爆炸产生爆震波，爆震波进入爆震燃烧环腔7内起爆，爆震波沿爆震燃烧环腔7圆周方向连续传播。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种旋转爆震发动机，其特征是：包括爆震燃烧室(1)、与爆震燃烧室(1)相连通的燃料注入装置(2)、用于引流空气的空气引流装置(3)以及与空气引流装置(3)相连接的预燃加热装置(4)，预燃加热装置(4)包括预热筒(22)、连接在预热筒(22)一端的预燃筒(23)，所述预燃筒(23)上安装有油嘴(26)和旋流器(25)，所述预燃筒(23)内设有点火器(28)，所述预热筒(22)上设有向预热筒(22)内输入空气的气嘴；所述旋流器(25)位于预燃筒(23)远离预热筒(22)的一端，所述油嘴(26)安装于旋流器(25)的中部；所述爆震燃烧室(1)包括燃烧室内筒(5)、燃烧室外筒(6)以及位于燃烧室内筒(5)、燃烧室外筒(6)之间的爆震燃烧环腔(7)，燃烧室外筒(6)的侧壁上设有与爆震燃烧环腔(7)相连通的预爆管接口(8)；所述燃料注入装置(2)包括连接在燃烧室内筒(5)一端的喉道段内筒(9)、连接在燃烧室外筒(6)同一端的喉道段外筒(10)，所述喉道段内筒(9)的外圈侧壁和喉道段外筒(10)的内圈侧壁之间设有环缝通道(11)，所述空气引流装置(3)包括连接在喉道段内筒(9)远离燃烧室内筒(5)一端的扩张段内筒(15)、连接在喉道段外筒(10)远离燃烧室外筒(6)一端的扩张段外筒(16)以及连接在扩张段内筒(15)、扩张段外筒(16)另一端的转接段(18)，所述扩张段内筒(15)的外侧壁和扩张段外筒(16)的内侧壁之间设有与环缝通道(11)相连通的引流通道(17)；所述喉道段外筒(10)的侧壁内成型有环形的燃料流道槽(12)，所述喉道段外筒(10)对应环缝通道(11)处的内侧壁一圈上均布成型有多个与燃料流道槽(12)相连通的喷注孔(13)，所述喉道段外筒(10)的外侧壁上穿设有与燃料流道槽(12)相连通的燃料管(14)。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机，其特征是：所述转接段(18)包括与扩张段外筒(16)固定连接的外接筒(19)、与扩张段内筒(15)固定连接的内接筒(20)以及连接外接筒(19)和内接筒(20)的多根连接支架(21)，相邻的连接支架(21)之间相隔开。

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