CN113108312A - 一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案 - Google Patents

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于潇栋
赵明皓
孙田雨
郭俊睿
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Abstract

本发明提出了一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料、氧化剂供给通道常开，通过控制氧化剂和燃料的供给压力，在每个循环中氧化剂先于燃料进入爆震管内，此时新鲜反应物浓度超出贫油极限，可有效避免提前燃烧导致的爆震失效，随着燃料的持续供应，新鲜反应物浓度达到可爆范围，保证脉冲爆震燃烧室能够稳定持续工作。采用本发明可以增强无阀无隔离模式下基于气态燃料的脉冲爆震燃烧室的稳定性，同时可以提高爆震燃烧频率，本发明可用于脉冲爆震发动机及爆震喷涂、发电等领域。

Description

一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案
技术领域
本发明涉及爆震燃烧技术领域，具体为一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案。
背景技术
脉冲爆震燃烧室(Pulse Detonation Combustor，简称PDC)是一种利用周期性爆震燃烧释放燃料化学能的新型燃烧室。传统的PDC中常在两个循环之间填充惰性隔离介质，以防止新鲜反应物与高温产物直接接触造成提前点火，保证每个循环可靠产生爆震燃烧。典型地，每个工作循环包括反应物填充、爆震波起始和传播、排气以及隔离介质填充等过程。其工作原理决定了采用PDC的发动机产生的推力是间歇式的，PDC工作频率提高，有助于提高发动机推力输出的稳定性。因此，提高爆震频率对于脉冲爆震燃烧的实际工程应用具有重要意义。
然而，要提高PDC的工作频率面临一系列挑战。例如，每个爆震循环中填充、掺混、起爆与排气的匹配以及如何尽可能地缩短各阶段的时间等。对于PDC而言，填充过程约占单个爆震循环周期的一半时间以上，因此缩短填充时间对提高爆震频率具有重要作用。无阀无隔离供给方式能摆脱机械阀门对间歇式填充频率和流量的限制，极大地提高了PDC工作频率上限，是一种可行的高频工作方式。基于液态燃料的无阀无隔离供给方式采用液态燃料汽化吸热形成一段低温隔离区来保证多循环爆震平稳运行。然而，对于气态燃料来说，由于缺少相变吸热过程，确保气态燃料PDC的稳定工作需要寻找新的方法。
针对上述问题，设计一种确保采用气态燃料的脉冲爆震燃烧室稳定工作的无阀自适应高频爆震燃烧方案，显得尤为重要。本发明提出了一种基于气态燃料的无阀自适应高频爆震燃烧方案，可满足以上要求，在基于脉冲爆震燃烧方式的发动机及爆震喷涂、发电等领域具有实用价值。
发明内容
要解决的技术问题
针对当前无阀无隔离模式下脉冲爆震燃烧室使用气态燃料难以稳定持续工作的问题，本发明提出了一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案。在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料、氧化剂供给通道常开，通过控制氧化剂和燃料的供给压力，在每个循环中氧化剂先于燃料进入爆震管内，此时新鲜反应物浓度超出贫油极限，可有效避免提前燃烧导致的爆震失效。随着燃料的持续供应，新鲜反应物浓度达到可爆范围，保证脉冲爆震燃烧室能够稳定持续工作。本发明可用于脉冲爆震发动机及爆震喷涂、发电等领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，其特征在于：在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料和氧化剂供给控制阀常开；燃料供给压力位于爆震波平台区压力的80％～120％范围内，氧化剂供应压力位于爆震波平台区压力的80％～140％范围内，且氧化剂供给压力高于燃料供给压力；氧化剂可采用空气、富氧空气或氧气，即氧气浓度范围21％～100％。
有益效果：
采用本发明提供的一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料、氧化剂供给通道常开，通过控制氧化剂和燃料的供给压力，在每个循环中氧化剂先于燃料进入爆震管内，新鲜反应物浓度超出贫油极限，可有效避免提前燃烧而导致的爆震失效，随着燃料的持续供应，新鲜反应物浓度达到可爆范围，保证脉冲爆震燃烧室能够稳定持续工作。本发明可保证无阀无隔离模式下基于气态燃料的脉冲爆震燃烧室的工作稳定性，同时可以提高爆震燃烧频率，可用于脉冲爆震发动机及爆震喷涂、发电等领域。
附图说明
图1为本发明供给系统示意图；
图2为本发明脉冲爆震燃烧室的控制时序示意图；
图3为本发明爆震管头部压力随时间变化曲线；
图4为本发明脉冲爆震燃烧室工作频率为240Hz的压力波形图；
图5为本发明脉冲爆震燃烧室工作频率为240Hz的局部压力波形放大图；
以上图中，1为气态燃料气源，2为燃料截止阀，3-1为燃料气源压力表，3-2为燃料减压阀压力表，4为燃料减压阀，5为燃料流量调节器，6为燃料电磁阀，7为氧化剂气源，8为氧化剂截止阀，9-1为氧化剂气源压力表，9-2为氧化剂减压阀压力表，10为氧化剂减压阀，11为氧化剂流量调节器，12为氧化剂电磁阀，13为火花塞，14为防回火装置，15为爆震管，16为控制系统。
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。
参见图1，所述脉冲爆震燃烧室由爆震管15、燃料供给系统(如气态燃料气源1，燃料截止阀2，燃料气源压力表3-1，燃料减压阀压力表3-2，燃料减压阀4，燃料流量调节器5，燃料电磁阀6，防回火装置14)、氧化剂供给系统(如氧化剂气源7，氧化剂截止阀8，氧化剂气源压力表9-1，氧化剂减压阀压力表9-2，氧化剂减压阀10，氧化剂流量调节器11，氧化剂电磁阀12)、点火系统(如火花塞13)及控制系统16组成。所述爆震管15为一端封闭、一端开放的圆管形结构。所述点火系统采用火花塞13点火经缓燃向爆震转变的起爆方式。所述控制系统包括燃料电磁阀控制装置、氧化剂电磁阀控制装置和点火频率控制装置。
所述燃料供给系统为气态燃料气源1通过燃料截止阀2、燃料气源压力表3-1、燃料减压阀4、燃料减压阀压力表3-2、燃料流量调节器5、燃料电磁阀6和防回火装置14连接到爆震管15头部的喷注器上。所述氧化剂供给系统为氧化剂气源7通过氧化剂截止阀8、氧化剂气源压力表9-1、氧化剂减压阀10、氧化剂减压阀压力表9-2、氧化剂流量调节器11和氧化剂电磁阀12连接到爆震管15头部。氧化剂可采用空气、富氧空气或纯氧，即氧气浓度范围21％～100％。
参见图2和图3，在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料、氧化剂均采用无阀自适应填充方式，即在脉冲爆震循环中，控制系统16控制燃料电磁阀6和氧化剂电磁阀12处于常开状态；同时，控制系统16控制每个爆震循环中火花塞13点火1次；燃料供给压力pfuel位于爆震波平台区压力pplateau的80％～120％范围内，氧化剂供给压力poxidizer位于爆震波平台区压力pplateau的80％～140％范围内，且氧化剂供给压力poxidizer需高于燃料供给压力pfuel。
图4为基于该方案采用50％氧气浓度的富氧空气和乙烯的脉冲爆震燃烧室工作频率为240Hz时实验测得的压力波形。氧化剂供给压力较燃料供给压力高50％，点火频率为240Hz，在爆震管末端等距安装有5个压力传感器p1，p2，p3，p4，p5用以监测不同位置处的爆震波压力波形，判断是否起爆，可以看出爆震波成功起爆且能连续工作，频率为240Hz。图5为基于上述工况下的爆震波局部压力波形图，可以得到氧化剂供应压力为平台区压力的130％，燃料供应压力为平台区压力的87％，该方案对燃料、氧化剂供给压力要求符合两者与平台区压力关系，证明该高频爆震燃烧方案是可行的。
本发明提出一种无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，在脉冲爆震燃烧室工作过程中，燃料、氧化剂供给通道常开，通过控制氧化剂和燃料的供给压力，在每个循环中氧化剂先于燃料进入爆震管内，新鲜反应物浓度超出贫油极限，可有效避免提前燃烧导致的爆震失效，随着燃料的持续供应，新鲜反应物浓度达到可爆范围，既可保证无阀无隔离模式下脉冲爆震燃烧室使用气态燃料时的工作稳定性，同时可以提高爆震燃烧频率。
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 (3)

1.无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，其特征在于：由爆震管、燃料供给系统、氧化剂供给系统、点火系统及控制系统组成；爆震管为一端封闭、一端开放的圆管形结构；点火系统采用火花塞点火经缓燃向爆震转变的起爆方式；控制系统包括燃料电磁阀控制装置、氧化剂电磁阀控制装置和点火频率控制装置。
2.根据权利要求1所述的无阀自适应高频爆震燃烧方案，其特征在于：燃料供给系统为气态燃料气源通过燃料截止阀、燃料气源压力表、燃料减压阀、燃料减压阀压力表、燃料流量调节器、燃料电磁阀和防回火装置连接到爆震管头部的喷注器上；氧化剂供给系统为氧化剂气源通过氧化剂截止阀、氧化剂气源压力表、氧化剂减压阀、氧化剂减压阀压力表、氧化剂流量调节器和氧化剂电磁阀连接到爆震管头部；氧化剂可采用空气、富氧空气或氧气，即氧气浓度范围21％～100％。
3.根据权利要求1所述的无阀自适应气态燃料高频爆震燃烧方案，其特征在于：燃料、氧化剂供给通道常开，通过控制氧化剂和燃料的供给压力，在每个循环中氧化剂先于燃料进入爆震管内，新鲜反应物浓度超出贫油极限，可有效避免提前燃烧而导致的爆震失效，随着燃料的持续供应，新鲜反应物浓度达到可爆范围，保证脉冲爆震燃烧室能够稳定持续工作；在脉冲爆震燃烧室工作过程中，控制系统控制燃料电磁阀和氧化剂电磁阀处于常开状态；同时，控制系统控制每个爆震循环中火花塞点火1次；燃料供给压力pfuel位于爆震波平台区压力pplateau的80％～120％范围内，氧化剂供给压力poxidizer位于爆震波平台区压力pplateau的80％～140％范围内，且氧化剂供给压力poxidizer需高于燃料供给压力pfuel。
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