CN112253329B - 一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，属于发动机技术领域。包括进油管、燃烧室外壁、电动机、燃烧室外壁壁面喷嘴、燃烧腔、燃烧室内壁、燃烧室内壁壁面喷嘴、燃油喷嘴、进气室外壳和进气室；利用燃烧室内壁旋转使燃烧室内壁外缘筒壁上呈周向均匀排布的喷嘴与对应位置燃烧室外壁周向均匀排布的喷嘴周期性接通或关闭，产生稳定且频率可控的非定常激波和聚心高速射流，产生的非定常激波和聚心高速射流在燃烧室内壁结构下产生激波聚焦现象，进而产生爆震所需的高频可靠的高能点火源。本发明既能自发产生激波，也克服了基于激波聚焦原理的高频爆震起爆方式无法产生持续稳定高频爆震波的缺陷，结构更加简单，在工程应用中具有很大的优势。

Description

一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置
技术领域
本发明属于发动机技术领域，更具体地，涉及一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧室装置。
背景技术
脉冲爆震发动机作为一种基于脉冲式爆震波产生推力的新型动力装置，具有结构简单、推重比高等诸多潜在的性能优势，同时可以在更宽的飞行条件下使用，具有广阔的应用前景。而能否将其潜能充分发挥，最关键的技术就是如何产生高频可靠的爆震波。
对于脉冲爆震发动机来说，起爆方式主要分为两种：直接起爆和间接起爆。直接起爆指在点火瞬间达到起爆条件，直接发生爆炸现象，随后产生稳定自持的爆震波。但这需要极高的点火能量，对点火器的要求很高。间接起爆是一种利用爆燃转爆轰(DDT)起爆方式，但其所需点火距离长，点火成功率低。现有的研究表明，以上两种点火方式均为达到工程运用的标准，现迫切需要一种能产生高频稳定爆震波的点火方式。而从上世纪至今，激波聚焦现象逐渐被人们认知，其瞬间产生的局部高能区域满足爆震发动机的点火需求，所以人们想到了将激波聚焦现象运用于脉冲爆震发动机领域。但如何产生连续可靠的激波又成了一个技术难题。2001年以Levin为代表的的研究小组提出了一种基于激波聚焦原理的高频爆震起爆方式。这种激波聚焦起爆爆震波的方式不需要单独的激波发生装置，而是利用从凹面腔周围的环形喷管喷出的超声速射流在中轴线上聚心碰撞形成激波，在凹面腔反射、聚焦起爆爆震波的。但其存在的问题是无法产生连续可靠的高频爆震波，这也是这项技术亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其目的在于利用燃烧室内壁旋转使燃烧室内壁外缘筒壁上呈周向均匀排布的喷嘴与对应位置燃烧室外壁周向均匀排布的喷嘴周期性接通或关闭，产生稳定且频率可控的非定常激波和聚心高速射流，产生的非定常激波和聚心高速射流在燃烧室内壁结构下产生激波聚焦现象，进而产生爆震所需的高频可靠的高能点火源，由此解决传统激波聚焦点火不稳定的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，包括进油管、旋转燃烧室、燃油喷嘴和进气室外壳，所述进气室外壳的一端设有进气入口，其另一端同轴嵌套连接于所述旋转燃烧室，所述旋转燃烧室与所述进气室外壳构成进气室，所述旋转燃烧室包括燃烧室外壁、燃烧室内壁和电动机；
所述燃烧室内壁同轴周向设置于所述燃烧室外壁开口处的内表面，所述燃烧室内壁的凹腔构成与所述燃烧室外壁开口方向相同的燃烧腔；所述电动机设置于所述燃烧室外壁与所述燃烧室内壁合围的腔室内；
所述燃烧室内壁的壁面沿周向设有多个燃烧室内壁壁面喷嘴，所述燃烧室外壁的壁面周向设有与所述燃烧室内壁壁面喷嘴对应的多个燃烧室外壁壁面喷嘴；所述燃烧室外壁壁面喷嘴与所述燃烧室内壁壁面喷嘴的张角相同且连通时形成射流通道；
所述电动机的输出轴连接于所述燃烧室内壁，用于带动所述燃烧室内壁贴合于所述燃烧室外壁的内表面旋转以使所述燃烧室内壁壁面喷嘴与燃烧室外壁壁面喷嘴连通或错位不连通，从而实现所述射流通道的接通或关闭；
所述进油管由所述进气室外壳外部经所述进气室、所述燃烧室外壁和所述电动机转轴后连接于位于所述燃烧腔内的所述燃油喷嘴。
优选地，所述燃烧室内壁壁面喷嘴沿所述燃烧室内壁的壁面周向均匀分布；所述燃烧室外壁壁面喷嘴沿所述燃烧室外壁的壁面周向均匀分布且与所述燃烧室内壁壁面喷嘴分布位置相同。
优选地，喷嘴间隔角度α和喷嘴中心线夹角β满足：
α＝2πn/f；
β＝2π/N-2πn/f；
其中n为燃烧室内壁转速，f为射流通道的开闭频率，N为喷嘴布置的数量。
优选地，所述燃烧室外壁壁面喷嘴为圆台形射流喷嘴，其张角为0～120度；所述燃烧室内壁壁面喷嘴为圆台形射流喷嘴，其张角为0～120度。
优选地，所述燃烧室内壁壁面喷嘴与所述燃烧室外壁壁面喷嘴的轴线完全重合且所述燃烧室内壁壁面喷嘴与所述燃烧室外壁壁面喷嘴相邻处的孔径相同。
优选地，所述燃烧室内壁为弧形凹面，所述弧形凹面用于使激波发生反射和聚焦。
优选地，所述进气室外壳由依次同轴相连的第一圆柱面、圆滑曲面和第二圆柱面构成。
优选地，所述燃烧室外壁由同轴布置的第三圆柱面和椭球面构成。
优选地，所述第一圆柱面的直径小于所述第二圆柱面的直径。
优选地，所述第二圆柱面的直径小于第三圆柱面的直径。
本发明的工作原理为：电动机高速旋转的同时带动燃烧室内壁旋转，燃烧室内壁壁面喷嘴与燃烧室外壁壁面喷嘴周期性导通进而导致燃烧室与进气室的周期性导通；高压空气从进气入口进入进气室内，在进气室的导流作用下，高压空气经射流通道周期性的脉冲高速喷入燃烧室；高压空气的压力波发生扩散、衍射现象并在燃烧室内壁壁面喷嘴附近处形成流动卷吸涡，该流动卷吸涡沿燃烧室内壁的内表面不断向前推进；由于燃烧室内壁的弧形结构对激波扩散、衍射、压力场发展的约束，在其壁面附近形成了高温高压压缩区，直接起爆爆震波，爆震波在燃烧室内壁内维持稳定波速向燃烧室内壁的下游不断传播。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于设置在电动机带动下进行旋转的燃烧室内壁，并在燃烧室内壁壁面和燃烧室外壁壁面上分别开设有喷嘴，在燃烧室内壁旋转过程中，可形成周期性的周向阵列圆形射流，并利用环形射流聚心碰撞诱导激波聚焦起爆爆震的原理在燃烧室内产生高频可靠的爆震波；本发明的结构既能自发产生激波，相较于传统爆震发动机，结构更加简单，同时也克服了基于激波聚焦原理的高频爆震起爆方式无法产生持续稳定高频爆震波的缺陷，在工程应用中具有很大的优势。
附图说明
图1是本发明旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置的结构示意图；
图2是图1中喷嘴布置的A-A剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：进油管1；燃烧室外壁2；电动机3；燃烧室外壁壁面喷嘴4；燃烧腔5；燃烧室内壁6；燃烧室内壁壁面喷嘴7；燃油喷嘴8；进气室外壳9；进气室10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
图1为本发明旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置的结构示意图。如图1所示，本发明依据环形射流聚心碰撞诱导激波聚集起爆爆震的原理，提出了一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，包括进油管1、燃烧室外壁2、电动机3、多个燃烧室外壁壁面喷嘴4、燃烧腔5、燃烧室内壁6、多个燃烧室内壁壁面喷嘴7、燃油喷嘴8、进气室外壳9和进气室10。
具体的，所述进气室外壳9由位于左侧的直径较小的第一圆柱面与位于右侧的直径较大的圆柱面中间采用圆滑曲面过渡、同轴连接构成，所述进气室外壳9的左侧入口为进气入口。所述进气室外壳9的左侧具有渐扩特性。
更进一步的说明，所述燃烧室外壁2由椭球面和第三圆柱面同轴连接构成，其中第三圆柱面的直径大于椭球面的直径。所述第二圆柱面右端同轴嵌套连接于所述第三圆柱面左端的内壁上。
燃烧室外壁2与所述进气室外壳9构成了进气室10，需要说明的是，所述燃烧室外壁2的椭球面的两侧壁与所述进气室外壳9的内壁具有环形的空隙供空气流通。
更进一步的说明，所述燃烧室外壁2的开口朝向右侧，其开口处设有所述燃烧室内壁6，所述燃烧室内壁6的开口端与所述燃烧室外壁2的开口端平齐。具体的，所述燃烧室内壁6的左侧为弧形结构，其弧度大于所述燃烧室外壁2椭球面的弧度。
更进一步的说明，所述燃烧室内壁6左侧外壁与所述燃烧室外壁2的内壁形成一空腔，所述电动机3设置于该空腔内。具体的，所述电动机3的输出轴连接于所述燃烧室内壁6的左侧，在电动机旋转的同时可以带动燃烧室内壁同步旋转。
更进一步的说明，所述燃烧室内壁6的壁面沿周向设有多个燃烧室内壁壁面喷嘴7，所述燃烧室外壁2的壁面周向设有多个燃烧室外壁壁面喷嘴4，所述燃烧室内壁壁面喷嘴7与所述燃烧室外壁壁面喷嘴4在数量、分布以及间隔均保持一致。当燃烧室内壁6保持静止时，所述燃烧室内壁壁面喷嘴7与所述燃烧室外壁壁面喷嘴4连通形成射流通道；当燃烧室内壁6转动时度时，由于所述燃烧室内壁壁面喷嘴7与所述燃烧室外壁壁面喷嘴4形成错位，上述射流通道处于关闭的状态，当燃烧室内壁6又转动到燃烧室内壁壁面喷嘴7与燃烧室外壁壁面喷嘴4连通，所述射流通道又处于连通的状态，以此反复形成射流通道的开启和闭合。
图2为图1中喷嘴布置的A-A剖视图。如图2所示，所述燃烧室内壁壁面喷嘴7和所述燃烧室外壁壁面喷嘴4应满足喷嘴间隔角度α和喷嘴中心线夹角β为：
α＝2πn/f；
β＝2π/N-2πn/f；
其中n为燃烧室内壁转速，f为射流通道的开闭频率，N为喷嘴布置的数量。
更进一步的说明，所述进油管1由所述进气室外壳9的外部经过所述进气室10、燃烧室外壁2并穿过所述电动机3的转轴后连接于位于燃烧腔5内的所述燃油喷嘴8。燃油经所述进油管1穿过所述电动机3的转轴后由所述燃油喷嘴8在所述燃烧室内壁6顶部喷入所述燃烧腔5内，旋转雾化后与所述燃烧腔5内空气混合形成可燃混合气体。
本发明的一个实施例中，所述燃烧室内壁壁面喷嘴7和所述燃烧室外壁壁面喷嘴4均为圆台形结构，喷嘴的截面为圆形，当两喷嘴连通时具有良好的吻合度。所述燃烧室内壁壁面喷嘴7的张角θ的范围为0～120度，所述燃烧室外壁壁面喷嘴4的张角θ的范围为0～120度。所述燃烧室内壁壁面喷嘴7的张角θ与所述燃烧室外壁壁面喷嘴4的张角θ需保持一致。
需要说明的是，所述燃烧室内壁壁面喷嘴7与所述燃烧室外壁壁面喷嘴4不限于圆台形的射流喷嘴，其他形状的喷嘴，如方槽形也可。
本发明另一个实施例中上述旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置的具体工作原理为：
电动机3高速旋转的同时带动燃烧室内壁6旋转，燃烧室内壁壁面喷嘴7与燃烧室外壁壁面喷嘴4周期性导通进而导致燃烧室5与进气室10的周期性导通；高压空气从进气入口进入进气室10内，在进气室10的导流作用下，高压空气经射流通道周期性的脉冲高速喷入燃烧腔5；高压空气的压力波发生扩散、衍射现象并在燃烧室内壁壁面喷嘴7附近处形成流动卷吸涡，该流动卷吸涡沿燃烧室内壁6内表面不断向前推进；由于燃烧室内壁6的弧形结构对激波扩散、衍射、压力场发展的约束，在其壁面附近形成了高温高压压缩区，直接起爆爆震波。至此，旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置便完成了一次聚焦、起爆的过程。
而在整个工作过程中，旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置不断重复上述过程，可产生持续稳定的爆震波并向燃烧室内壁的下游传播，为发动机提供动力。本燃烧装置进气口与气流出口方向一致，符合现代航空发动机的一般原理，便于工程应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，包括进油管(1)、旋转燃烧室、燃油喷嘴(8)和进气室外壳(9)，所述进气室外壳(9)的一端设有进气入口，其另一端同轴嵌套连接于所述旋转燃烧室，所述旋转燃烧室与所述进气室外壳(9)构成进气室(10)，其特征在于：所述旋转燃烧室包括燃烧室外壁(2)、燃烧室内壁(6)和电动机(3)；
所述燃烧室内壁(6)同轴周向设置于所述燃烧室外壁(2)开口处的内表面，所述燃烧室内壁(6)的凹腔构成与所述燃烧室外壁(2)开口方向相同的燃烧腔(5)；所述电动机(3)设置于所述燃烧室外壁(2)与所述燃烧室内壁(6)合围的腔室内；
所述燃烧室内壁(6)的壁面沿周向设有多个燃烧室内壁壁面喷嘴(7)，所述燃烧室外壁(2)的壁面周向设有与所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)对应的多个燃烧室外壁壁面喷嘴(4)；所述燃烧室外壁壁面喷嘴(4)与所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)的张角相同且连通时形成射流通道；
所述电动机(3)的输出轴连接于所述燃烧室内壁(6)，用于带动所述燃烧室内壁(6)贴合于所述燃烧室外壁(2)的内表面旋转以使所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)与燃烧室外壁壁面喷嘴(4)连通或错位不连通，从而实现所述射流通道的接通或关闭；
所述进油管(1)由所述进气室外壳(9)外部经所述进气室(10)、所述燃烧室外壁(2)和所述电动机(3)转轴后连接于位于所述燃烧腔内的所述燃油喷嘴(8)。
2.根据权利要求1所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)沿所述燃烧室内壁(6)的壁面周向均匀分布；所述燃烧室外壁壁面喷嘴(4)沿所述燃烧室外壁(2)的壁面周向均匀分布且与所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)分布位置相同。
3.根据权利要求2所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，喷嘴间隔角度α和喷嘴中心线夹角β满足：
α＝2πn/f；
β＝2π/N-2πn/f；
其中n为燃烧室内壁转速，f为射流通道的开闭频率，N为喷嘴布置的数量。
4.根据权利要求3所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室外壁壁面喷嘴(4)为圆台形射流喷嘴，其张角为0～120度；所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)为圆台形射流喷嘴，其张角为0～120度。
5.根据权利要求4所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)与所述燃烧室外壁壁面喷嘴(4)的轴线完全重合且所述燃烧室内壁壁面喷嘴(7)与所述燃烧室外壁壁面喷嘴(4)相邻处的孔径相同。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室内壁(6)为弧形凹面，所述弧形凹面用于使激波发生反射和聚焦。
7.根据权利要求6所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述进气室外壳(9)由依次同轴相连的第一圆柱面、圆滑曲面和第二圆柱面构成。
8.根据权利要求7所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室外壁(2)由同轴布置的第三圆柱面和椭球面构成。
9.根据权利要求8所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，所述第一圆柱面的直径小于所述第二圆柱面的直径。
10.根据权利要求9所述的一种旋转凹腔激波聚焦爆震燃烧装置，其特征在于，所述第二圆柱面的直径小于第三圆柱面的直径。
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