CN113864824B - 一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，包括爆震波起始段、长度调节段、预爆管出口段和RDC入口段。本发明通过改变长度调节段的安装个数，可调节预爆管的长度。当需要的起爆能量较大时，采用较长的预爆管；当需要的起爆能量较小时，采用较短的预爆管。本发明可有效解决部分工况下，预爆管长度较短导致燃烧室工作稳定变差；部分工况下，预爆管长度过长，导致燃烧室质量增加，推重比下降的问题。

Description

一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管

技术领域

本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管。

背景技术

自然界中存在缓燃燃烧和爆震燃烧两种燃烧方式，缓燃燃烧的火焰传播速率相对较低，内燃机、航空发动机和燃气轮机等动力装置内的燃烧方式均为缓燃燃烧；爆震燃烧的特点在于燃烧区的上游为激波结构，激波与燃烧区耦合在一起传播，爆震燃烧的火焰传播速度远高于缓燃燃烧，通常能达到数千米每秒。

基于爆震燃烧的旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor，简称RDC)，通常采用环形燃烧室结构，旋转爆震波在燃烧室内沿周向进行传播，燃烧产物膨胀后从另一端排出燃烧室，由于其具有结构简单、热循环效率高和燃烧室容热强度高等优势，未来在航空发动机、冲压发动机和火箭发动机等动力装置中有着广阔的应用前景。RDC工作特点在于，起始时刻需要通过强度较大的热射流进行旋转爆震波起爆，然后旋转爆震波便可以持续传播。高效的起爆装置对RDC稳定工作非常重要，RDC通常通过直圆管结构、安装方向与燃烧室周向相切的预爆管结构进行起爆，其主要作用是先在预爆管内形成稳定传播的爆震波，然后爆震波从预爆管出口沿切向射入到燃烧室内，爆震波在燃烧室内沿周向继续传播，从而在环腔内形成稳定的爆震波工作模态。燃烧室内燃料和氧化剂不同的填充状态下，旋转爆震波需要的起爆能量不同；当燃料和氧化剂填充压力较低、当量比远离化学恰当比时，需要的填充能量较大，相应预爆管的长度较长；当燃料和氧化剂填充压力较高、当量比接近化学恰当比时，需要的填充能量较小，相应预爆管的长度较短。由于燃烧室工作状态对应的工况范围通常较宽，因此固定长度的预爆管很难满足起爆成功率高、长度短体积小的要求。当预爆管长度较短时，部分较差的工况下起爆成功率较低，不利于燃烧室的稳定工作；当预爆管的长度较长时，有利于提高起爆成功率，但是会增加燃烧室的体积，降低发动机的推重比。

发明内容

为了满足燃烧室不同工况对预爆管长度的要求，本发明提出了一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管；当燃烧室需要的起爆能量较大时，采用长度较长的预爆管；当燃烧室需要的起爆能量较小时，采用长度较短的预爆管；可有效解决预爆管长度较短导致燃烧室工作稳定变差，长度过长导致燃烧室质量增加等问题。本发明可以应用于冲压发动机和航空发动机等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，包括爆震波起始段、长度调节段、预爆管出口段和RDC入口段；

所述的爆震波起始段位于预爆管头部，为空心直圆管结构，由螺旋型凹槽、氧化剂燃料进气口和起始段法兰盘组成，其左端与预爆管端盖通过螺钉连接，右端与长度调节段通过螺杆连接；

所述的长度调节段位于爆震波起始段右侧，另一端与预爆管出口段通过螺杆进行连接，由结构相同的三段空心直圆管组成，每段长度调节段包括圆形内腔、长度调节段法兰盘和螺杆结构；

所述的预爆管出口段位于长度调节段右侧，另一端与RDC入口段通过螺纹进行连接，为空心直圆管结构；

所述的RDC入口段位于预爆管最右端，其左端与预爆管出口段通过螺纹连接，右端通过焊接的方式安装在燃烧室外环上，RDC入口段的中心轴线方向与燃烧室周向相切。

本发明进一步的改进在于，爆震波起始段为空心圆管结构，内侧壁面上设计了螺旋形凹槽结构，螺旋形凹槽的横截面为半圆形结构，螺旋圈数大于6圈，凹槽的半径与螺旋间距的比值约为1～1.5。

本发明进一步的改进在于，预爆管长度调节段为三段相同的结构，每段长度调节段之间通过螺杆进行连接，通过改变安装在预爆管上的长度调节段个数，进而实现对预爆管长度的调节。

本发明进一步的改进在于，预爆管长度调节段的两端均为2个法兰盘，法兰盘为圆环形结构，每个法兰盘由两部分组成，每部分占180°，使用中直接扣在圆环结构上，方便拆装；法兰盘靠近外环一侧，设计了6个通孔结构，为螺杆的安装孔，沿周向均匀分布，相互之间的间隔为60°。

本发明进一步的改进在于，长度调节段法兰盘的内侧为圆形薄壁圆环结构，外径与法兰盘的内径相同，两部分法兰盘均安装在薄壁圆环组成一个完整的圆形法兰盘。

本发明进一步的改进在于，爆震波起始段和长度调节段的法兰盘左端面设计了圆形凹槽结构，右端面设计了圆形凸台结构，相邻法兰盘安装过程中圆形凹槽与凸台结构配合安装，相互之间的配合为间隙配合。

本发明进一步的改进在于，爆震波起始段、长度调节段和预爆管出口段均通过沿周向均布的6根螺杆进行连接，由于长度调节段的法兰盘为两半活动式结构，方便调整法兰盘上螺栓安装孔的周向位置，有利于实现快速拆装。

本发明进一步的改进在于，RDC入口段通过焊接的方式固连在燃烧室外环上，预爆管出口段与RDC入口段则通过螺纹进行安装，方便爆震波起始段、长度调节段和预爆管出口段与RDC入口段的拆装，同时便于更换。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，通过改变长度调节段的安装个数，可调节预爆管的长度。当需要的起爆能量较大时，采用较长的预爆管；当需要的起爆能量较小时，采用较短的预爆管；可有效解决部分工况下预爆管长度较短导致燃烧室工作稳定变差，部分工况下长度过长导致燃烧室质量增加等问题。

附图说明

图1为旋转爆震燃烧室结构示意图；

图2为长度可调预爆管的结构示意图；

图3为长度可调预爆管的截面图

图4和图5分别为爆震波起始段结构示意图；

图6和图7分别为预爆管长度调节段结构示意图；

图8为不同长度预爆管的结构示意图。

附图标记说明：

1为预爆管，2为燃烧室外环，3为燃烧室内柱，4为环形燃烧腔，5为氧化剂燃料喷嘴，6为预爆管端盖，7为火花塞安装孔，8为爆震波起始段，9为氧化剂燃料进气口，10为螺旋型凹槽，11为起始段法兰盘，12为螺栓安装孔，13为长度调节段，14为螺母，15为圆形内腔，16为长度调节段法兰盘，17为螺杆，18为预爆管出口段，19为RDC入口段。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1～图3所示，本发明提供的一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，由预爆管端盖6、爆震波起始段8、长度调节段13、螺杆17、预爆管出口段18和RDC入口段19组成。

其中，预爆管端盖6为圆柱形结构，位于预爆管的最左端，中心为预留的火花塞安装孔7，其内壁面设计了螺纹结构；预爆管端盖6的作用是起到预爆管头部的密封，同时为火花塞提供了安装位置。

参阅图3、图4和图5所示，爆震波起始段8为空心圆管结构，内部的圆形通道为气体流道，靠近头部一侧的圆管壁面上预留了1个氧化剂燃料进气口9，主要作用是在火花塞点火前，为预爆管1填充可供燃烧的燃料和氧化剂；爆震波起始段8的左端面与预爆管端盖6通过焊接的方式固连，右端为圆环形结构的起始段法兰盘11，靠近外环一侧为沿周向均匀分布的4个圆形通孔，可以安装螺杆17；爆震波起始段8的内壁面设计了螺旋型凹槽10，作用是增加该位置的湍流度，促进缓燃波迅速转变为爆震波。螺旋形凹槽10的横截面为半圆形结构，螺旋圈数大于6圈，凹槽的半径与螺旋间距的比值约为1～1.5。当预爆管头部的缓燃波通过螺旋形凹槽结构时，由于截面形状的改变，对缓燃波形成扰动，促使缓燃波快速转变为爆震波。

参阅图3、图6和图7所示，长度调节段13为三段相同的空心圆管结构，相互之间通过法兰盘和螺杆进行连接；内部的圆形内腔15为气体流道，每个长度调节段的两端均为2个法兰盘16，每个法兰盘由两个半圆环结构组成，在法兰盘靠近外环一侧为沿周向均布的4个圆形的螺栓安装孔，可以安装螺杆17和螺母14；法兰盘的左侧和右侧壁面分别预留了密封凹槽结构和密封凸台结构，相邻两个法兰盘通过将凸台结构插入凹槽结构内，能够实现密封作用。

参阅图2和图3所示，预爆管出口段18为空心圆管结构，中心的圆形通道为气体流道，左侧端面预留了四个沿周向均布的螺钉孔，通过螺杆实现与长度调节段13或爆震波起始段8进行安装；右侧为圆环形凸台结构，外环设计了外螺纹结构，方便实现与RDC入口段19之间的安装和拆卸。

19为RDC入口段同样为空心圆管结构，中心的圆形通道为气体流道，左侧中心预留了内螺纹，可与预爆管出口段18右侧的外螺纹匹配安装；右侧端面与燃烧室外环2之间通过焊接的方式固连在一起，且RDC入口段的中心轴线方向与燃烧室外环2相切；

参阅图1所示，靠近RDC燃烧室头部一侧的壁面上预留了沿轴向均布的24个氧化剂燃料喷嘴，作用是供给燃烧所需氧化剂和燃料；RDC燃烧室由燃烧室外环2和燃烧室内柱3组成的环形燃烧腔4，其作用是爆震波传播和已燃气体的流通通道；预爆管1安装在燃烧室外环2的外壁面，且靠近燃烧室头部一侧，其作用是燃烧室起始工作时刻，通过预爆管产生稳定传播的爆震波，并沿周向射入燃烧室，保证燃烧室内快速产生稳定传播的旋转爆震波。

参阅图8所示，通过改变长度调节段13的安装个数，可以调整预爆管1的长度；当安装三段长度调节段13时，预爆管1的总长为L₁，即预爆管的长度最长；当安装两段长度调节段13时，预爆管1的总长为L₂；当安装一段长度调节段13时，预爆管1的总长为L₃；当未安装长度调节段13时，预爆管1的总长为L₄，即预爆管的长度最短。

本发明的工作循环过程如下：

燃烧室工作的起始阶段，开启燃料和氧化剂气源控制阀，燃料和氧化剂分别通过氧化剂燃料喷嘴5和氧化剂燃料进气口9供给到环形燃烧腔4和预爆管1；当环形燃烧腔4和预爆管1中填充足量的燃料和氧化剂后，关闭氧化剂燃料进气口9的填充，对火花塞安装孔7的火花塞发出指令进行点火；火焰在爆震波起始段8的螺旋型凹槽10处进行扰动加速后，在爆震波起始段8出口形成稳定传播的爆震波，随后爆震波在经过长度调节段13、预爆管出口段18和RDC入口段19进入环形燃烧腔，这个过程为燃烧室的起爆点火阶段。由于燃烧室内已经填充了混合较好的可燃混合物(氧化剂和燃料的混合物)，爆震波继续在环形燃烧腔4头部沿周向传播，因此在燃烧腔中形成了沿周向稳定传播的旋转爆震波，燃烧室的工作状态由起爆阶段转变为稳定工作阶段。

当燃烧室工作结束时，切断氧化剂和燃料气源的供给，燃烧室由于缺少可燃混合物维持旋转爆震波的传播，旋转爆震波逐渐解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，燃烧室停止工作。此时，在氧化剂燃料喷嘴5和氧化剂燃料进气口9供给不参与燃烧反应的氮气，对燃烧室进行吹扫，随后切断氮气的供给，单个工作循环结束。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，其特征在于，包括爆震波起始段、长度调节段、预爆管出口段和RDC入口段；

所述的爆震波起始段位于预爆管头部，为空心直圆管结构，由螺旋型凹槽、氧化剂燃料进气口和起始段法兰盘组成，其左端与预爆管端盖通过螺钉连接，右端与长度调节段通过螺杆连接；

所述的长度调节段位于爆震波起始段右侧，另一端与预爆管出口段通过螺杆进行连接，由结构相同的三段空心直圆管组成，每段长度调节段包括圆形内腔、长度调节段法兰盘和螺杆结构；

所述的预爆管出口段位于长度调节段右侧，另一端与RDC入口段通过螺纹进行连接，为空心直圆管结构；

所述的RDC入口段位于预爆管最右端，其左端与预爆管出口段通过螺纹连接，右端通过焊接的方式安装在燃烧室外环上，RDC入口段的中心轴线方向与燃烧室周向相切；

爆震波起始段为空心圆管结构，内侧壁面上设计了螺旋形凹槽结构，螺旋形凹槽的横截面为半圆形结构，螺旋圈数大于6圈，凹槽的半径与螺旋间距的比值约为1～1.5；

预爆管长度调节段为三段相同的结构，每段长度调节段之间通过螺杆进行连接，通过改变安装在预爆管上的长度调节段个数，进而实现对预爆管长度的调节；

预爆管长度调节段的两端均为2个法兰盘，法兰盘为圆环形结构，每个法兰盘由两部分组成，每部分占180°，使用中直接扣在圆环结构上，方便拆装；法兰盘靠近外环一侧，设计了6个通孔结构，为螺杆的安装孔，沿周向均匀分布，相互之间的间隔为60°；

爆震波起始段和长度调节段的法兰盘左端面设计了圆形凹槽结构，右端面设计了圆形凸台结构，相邻法兰盘安装过程中圆形凹槽与凸台结构配合安装，相互之间的配合为间隙配合；

爆震波起始段、长度调节段和预爆管出口段均通过沿周向均布的6根螺杆进行连接，由于长度调节段的法兰盘为两半活动式结构，方便调整法兰盘上螺栓安装孔的周向位置，有利于实现快速拆装；

RDC入口段通过焊接的方式固连在燃烧室外环上，预爆管出口段与RDC入口段则通过螺纹进行安装，方便爆震波起始段、长度调节段和预爆管出口段与RDC入口段的拆装，同时便于更换。

2.根据权利要求1所述的一种适用于旋转爆震燃烧室长度可变的预爆管，其特征在于，长度调节段法兰盘的内侧为圆形薄壁圆环结构，外径与法兰盘的内径相同，两部分法兰盘均安装在薄壁圆环组成一个完整的圆形法兰盘。