CN114526499B - 一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，包括进气段、旋转滑动弧点火系统、DDT段和爆震传播段。通过旋流器和连接杆将阴极钝体安装在爆震燃烧室内部，进气在旋流器的作用下形成旋转气流，随后喷油喷注并在旋流掺混段内形成旋转运动的油气混合物。控制等离子电源的触发，电弧在阴极钝体与燃烧室内壁面最短间隙处击穿，在旋转来流的作用下形成旋转滑动弧；进而利用旋转滑动弧的化学效应、输运效应和热效应改善两相脉冲爆震发动机的液体燃料雾化水平和点火及起爆性能。

Description

一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及爆震燃烧和爆震推进等领域，具体为一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室。

背景技术

相比于缓燃燃烧，爆震是一种以较低的熵增来实现快速化学反应的燃烧过程，本质上近似于等容燃烧，故在用于推进系统时将具有更高的热循环效率。此外，在爆震燃烧过程中，前导激波可对反应物进行预压缩，即爆震波具有较好的自增压效果，如用在发动机上，可省去增压部件，简化结构。基于上述理论优势，爆震燃烧及爆震推进已成为当前空天动力领域的研究热点之一。

针对以爆震燃烧为基础的推进方案，现阶段较为成熟的是脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngine，简称PDE)和旋转爆震发动机(RotatingDetonationEngine，简称RDE)。其中，尤以液态燃料PDE的工程实际应用前景最佳。然而，受液体燃料雾化的影响，常温下燃油喷雾不能完全雾化，导致气相燃料比例较低，这无法满足在点火过程中链式燃烧反应需要较高气相燃料组分的要求，进而不利于初始火核的形成和发展，使得起爆距离和时间变长。为解决以上问题，目前通常采用的方法主要有四种：一是增加液态燃料供给以提高气相当量比；二是延长爆燃向爆震转变(DeflagrationtoDetonationTransition，简称DDT)距离以使火焰充分经历湍流火焰加速阶段，从而实现起爆；三是对液态燃料进行预加热，以改善燃料雾化水平；四是增加氧化剂中的氧气含量，提高反应活性。然而，上述四种方法均存在一定的不足，例如：方法一造成了燃料的浪费；方法二会增加爆震发动机的长度；方法三需要在PDE上额外装配燃油加热器，增加了系统的复杂度；方法四需要在发动机上携带额外的氧气供给系统，不仅增加了发动机的重量，而且存在较大的安全隐患。

因此，针对上述现有技术的缺陷，设计一种能同时改善PDE的液态燃料雾化水平且实现高效点火的装置显得尤为重要。本发明提出了一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，可利用旋转滑动弧等离子体的化学效应、输运效应及热效应有效改善两相脉冲爆震燃烧室点火及起爆性能，对促进两相脉冲爆震发动机的发展和应用具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

针对当前两相脉冲爆震发动机的液体燃料雾化水平、点火及起爆技术的不足，本发明提出了一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，旋转滑动弧放电过程中平均气体温度可达1000K，产生的电子温度高达30000K，兼具热平衡/非热平衡等离子体的优势。将旋转滑动弧装置用于两相脉冲爆震发动机，可通过以下三种效应改善液体燃料雾化水平和点火及起爆性能；第一种是化学效应，高能电子与燃料分子发生一系列碰撞(弹性和非弹性)、解离和激发反应，将大分子烃裂解为小分子烃，同时产生活性原子、自由基、离子以及激发态粒子，触发一系列链分支反应，最终加速燃烧反应速率；第二种是输运效应，离子风会改变旋转滑动弧附近的流场结构，增强湍流度和掺混，并促使液态燃料进行二次雾化，改善液态燃料雾化效果；第三种是热效应，旋转滑动弧放电过程会产生较高温度，进而可实现可燃混合物的点火。在上述三种效应的耦合作用下，能有效改善两相脉冲爆震发动机的液体燃料雾化水平和点火性能，并缩短起爆距离及时间。本发明可用于爆震燃烧和爆震推进领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，包括进气段、旋转滑动弧点火系统、DDT段和爆震传播段。

所述进气段包括第四法兰和高压电极进线孔。进气段用于燃烧室进气；第四法兰沿周向间隔90°开有四个孔，用于与旋流掺混段进行装配；与等离子电源阴极高压端相连的导线可通过高压电极进线孔接到燃烧室内部的连接杆。

所述旋转滑动弧点火系统由旋流掺混段和电极段组成；旋流掺混段包括第一法兰、第二法兰、旋流器、连接杆和燃油喷嘴；第一法兰开有与进气段法兰配合的孔，通过螺栓进行装配，第二法兰开有相同的孔，与电极段装配；旋流器采用绝缘耐高温材料，旋流器外径与旋流掺混段内径相同，旋流器沿周向间隔90°设有四个长方体棱，棱长与旋流器长度相同，棱高为旋流掺混段壁厚的2/3，同时旋流掺混段内壁开有与长方体棱配合的安装槽，开槽位置起始于第一法兰，利用进气段法兰与第一法兰能够将旋流器固定，旋流器开有贯通式螺纹孔；连接杆两端车螺纹，一端与旋流器配合，并部分伸入进气段，方便与高压端导线相连；燃油喷嘴喷注方向与轴向成45°～60°，便于与旋流空气掺混；电极段包括阴极钝体、第一绝缘陶瓷、第二绝缘陶瓷和第三法兰；阴极钝体为渐缩的圆台形状，开有螺纹孔，孔深为台体高度的2/3～4/5，与连接杆通过螺纹配合，此时阴极钝体即是高压端，电极段外壁面接等离子电源阳极，为接地端，为便于击穿形成电弧，阴极钝体大圆截面与电极段内壁面之间的间距为2mm～3mm，调整等离子电源输出电压，在阴极钝体大圆截面与电极段内壁面之间发生击穿形成电弧，电弧在旋转来流的作用下，形成旋转滑动弧，沿着气流方向向下游运动，由于阴极钝体与电极段内壁面的距离逐渐变大，电弧也逐渐被拉长，最终在阴极钝体小圆截面处消失；在电弧运动过程中能够实现燃料裂解、雾化及点火的作用；第一绝缘陶瓷开有第一法兰的孔，夹装在电极段与旋流掺混段之间，第二绝缘陶瓷开有同样的第一法兰的孔，夹装在电极段与DDT段之间，起到绝缘的作用；第三法兰用于与旋流掺混段和DDT段进行装配。

所述DDT段安装有Shchelkin螺旋和第五法兰；Shchelkin螺旋用于添加流场扰动，使火焰加速，促进爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺旋焊接在燃烧室内壁；第五法兰用于与电极段和爆震传播段装配。

所述爆震传播段包括尾喷管和传感器安装孔。

具体包括，利用旋流器和连接杆将阴极钝体安装在爆震燃烧室内部，进气在旋流器的作用下形成旋转气流，随后喷油喷注并在旋流掺混段内形成旋转运动的油气混合物。然后，触发等离子电源，形成的电弧在阴极钝体与燃烧室内壁面最短间隙处击穿，进而在旋转来流的作用下形成旋转滑动弧。旋转滑动弧产生的高能电子与燃料液滴发生碰撞，将燃料液滴裂解成小分子燃料，同时还会产生活性助燃粒子，大大改善了燃料的活性。放电过程产生的离子风会改变旋转滑动弧附近的流场结构，增强湍流度和掺混，并促使液态燃料进行二次雾化。与此同时，旋转滑动弧作为点火源可实现对油气混合物的点火；在上述过程的耦合作用下，可有效改善两相脉冲爆震发动机的液体燃料雾化水平和点火及起爆性能。

所述旋流器采用绝缘耐高温材料，可实现绝缘的作用，并防止回爆波对旋流器造成损坏。

所述连接杆需选择合适的长度，使旋流器与阴极钝体之间的距离足以令气流的旋流强度达到可使电弧旋转运动的程度。

所述阴极钝体需做成渐缩的圆台形状，大圆面与燃烧室内壁间隙较小，可实现电弧自击穿，随着向下游移动，阴极钝体与燃烧室内壁面的距离逐渐增大，减弱了对流道的阻塞程度。并且随着电弧向下游运动，由于放电间隙逐渐增大，电弧也被拉长，增大与可燃混合物的接触面积。

电极段与燃烧室其他段之间需安装绝缘陶瓷，起到绝缘的作用。

有益效果：

采用本发明提供的一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，通过旋转滑动弧放电过程中产生的高能电子对液态燃料进行裂解，使大分子烃转化为小分子烃，并产生活性原子、自由基、离子以及激发态粒子，改善燃料活性；放电过程产生的离子风会改变旋转滑动弧附近的流场结构，增强湍流度和掺混，并促使液态燃料进行二次雾化；与此同时，旋转滑动弧具有可观的热效应，兼具点火的作用；采用旋转运动的滑动弧可增大电弧与燃料的接触面积，进而起到更好的裂解、雾化和点火效果；在上述过程的耦合作用下，可有效改善两相脉冲爆震发动机点火及起爆性能；除此以外，本发明将燃油二次雾化装置与点火装置集于一体，大大简化了发动机结构。本发明可以用于爆震燃烧和爆震推进领域。

附图说明

图1为本发明基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室剖面图；

图2为本发明基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室的滑动弧点火系统简图；

图3为本发明基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室的旋流器装配示意图；

图4为本发明基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室的爆震燃烧系统图(实施例)其中，1为进气段，2为旋流掺混段，3为电极段，4为DDT段，5为爆震传播段，6为高压电极进线孔，7为燃油喷嘴，8-1为第一法兰，8-2为第二法兰，9为旋流器，10为连接杆，11-1为第一绝缘陶瓷，11-2为第二绝缘陶瓷，12为阴极钝体，13为Shchelkin螺旋，14为等离子电源，15为储油罐，16为油泵，17为控制器，18为压力传感器。

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、图2和图3，基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室包括进气段1、旋转滑动弧点火系统、DDT段4和爆震传播段5。

进气段1包括第四法兰和高压电极进线孔6。进气段用于燃烧室进气；第四法兰沿周向间隔90°开有四个孔，用于和旋流掺混段2进行装配；与等离子电源14阴极高压端相连的导线可通过高压电极进线孔6接到燃烧室内部的连接杆10。

参见图2，旋转滑动弧点火系统由旋流掺混段2和电极段3组成。旋流掺混段2包括第一法兰8-1、第二法兰8-2、旋流器9、连接杆10和燃油喷嘴7；第一法兰8-1开有与进气段1法兰配合的孔，通过螺栓进行装配，第二法兰8-2开有相同的孔，与电极段3装配；旋流器9采用绝缘耐高温材料，旋流器9外径与旋流掺混段2内径相同，旋流器9沿周向间隔90°设有四个长方体棱，棱长与旋流器9长度相同，棱高为旋流掺混段2壁厚的2/3，同时旋流掺混段2内壁开有与长方体棱配合的安装槽，开槽位置起始于第一法兰8-1，具体装配方式参见图3，利用进气段法兰与第一法兰8-1即可将旋流器固定，旋流器9开有贯通式螺纹孔；连接杆10两端车螺纹，一端与旋流器9配合，并部分伸入进气段1，方便与高压端导线相连；燃油喷嘴7喷注方向与轴向成45°～60°，便于与旋流空气掺混；电极段3包括阴极钝体12、第一绝缘陶瓷11-1、第二绝缘陶瓷11-2和第三法兰；阴极钝体12为渐缩圆台形状，开有螺纹孔，孔深为台体高度的2/3～4/5，与连接杆10通过螺纹配合，此时阴极钝体12即是高压端，电极段3外壁面接等离子电源14阳极，为接地端，为便于击穿形成电弧，阴极钝体12大圆截面与电极段3内壁面之间的间距为2mm～3mm，调整等离子电源14输出电压，在阴极钝体12大圆截面与电极段3内壁面之间发生击穿形成电弧，电弧在旋转来流的作用下，形成旋转滑动弧，沿着气流方向向下游运动，由于阴极钝体12与电极段3内壁面的距离逐渐变大，电弧也逐渐被拉长，最终在阴极钝体12小圆截面处消失；在电弧运动过程中可实现燃料裂解、雾化及点火的作用；第一绝缘陶瓷11-1开有第一法兰的孔，夹装在电极段3与旋流掺混段2之间，第二绝缘陶瓷11-2开有同样的第一法兰的孔，夹装在电极段3与DDT段4之间，起到绝缘的作用；第三法兰用于与旋流掺混段2和DDT段4进行装配。

DDT段4安装有Shchelkin螺旋13和第五法兰。Shchelkin螺旋13用于添加流场扰动，使火焰加速，促进爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺旋13焊接在燃烧室内壁；第五法兰用于与电极段3和爆震传播段5装配。

爆震传播段5包括尾喷管和传感器安装孔。

具体实施方式参见图4，燃油储藏在储油罐15中，采用油泵16供给，空气则通过进气段1供给进入爆震管内；燃料、空气和等离子电源的触发通过控制器17进行统一控制，并且在旋流掺混段2内形成旋转运动的油气混合物，待填充一段时间后，控制等离子电源的触发，此时将在电弧段3内形成电弧，电弧在旋转来流的作用下形成旋转滑动弧，对燃料进行裂解和二次雾化并实施点火，点火成功形成的爆燃波先经过旋转滑动弧的湍流加速，再经历一段短距DDT段4，即可形成爆震波，进而产生推力，完成一次爆震循环。此外，爆震传播段5上安装的压力传感器18采集的压力信号统一传输至控制器17进行分析，用于判断爆震波形成与否。如无法形成爆震波，则增加等离子电源14的输出电压，提高旋转滑动弧能量，进一步改善点火和雾化水平。

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 (5)

1.一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，包括进气段、旋转滑动弧点火系统、DDT段和爆震传播段，其特征在于：进气段包括高压电极进线孔，旋转滑动弧点火系统包括连接杆、旋流器、阴极钝体和等离子电源；等离子电源阴极高压端通过高压电极进线孔接到连接杆上，阳极接地端与燃烧室外壁面相连；利用旋流器和连接杆将阴极钝体安装在爆震燃烧室内部，进气在旋流器的作用下形成旋转气流，随后喷油喷注并在旋流掺混段内形成旋转运动的油气混合物；然后，触发等离子电源，形成的电弧在阴极钝体与燃烧室内壁面最短间隙处击穿，进而在旋转来流的作用下形成旋转滑动弧；旋转滑动弧产生的高能电子与燃料液滴发生碰撞，将燃料液滴裂解成小分子燃料，同时还会产生活性助燃粒子，大大改善了燃料的活性；放电过程产生的离子风会改变旋转滑动弧附近的流场结构，增强湍流度和掺混，并促使液态燃料进行二次雾化；与此同时，旋转滑动弧作为点火源能够实现对油气混合物的点火；在上述过程的耦合作用下，能够有效改善两相脉冲爆震发动机的液体燃料雾化水平和点火及起爆性能；

所述阴极钝体需做成渐缩的圆台形状，大圆面与燃烧室内壁间隙较小，能够实现电弧自击穿，随着向下游移动，阴极钝体与燃烧室内壁面的距离逐渐增大，减弱了对流道的阻塞程度，并且随着电弧向下游运动；由于放电间隙逐渐增大，电弧也被拉长，增大与可燃混合物的接触面积；

所述旋转滑动弧点火系统由旋流掺混段和电极段组成；旋流掺混段包括第一法兰、第二法兰、旋流器、连接杆和燃油喷嘴；第一法兰开有与进气段法兰配合的孔，通过螺栓进行装配，第二法兰开有相同的孔，与电极段装配；旋流器采用绝缘耐高温材料，旋流器外径与旋流掺混段内径相同，旋流器沿周向间隔90°设有四个长方体棱，棱长与旋流器长度相同，棱高为旋流掺混段壁厚的2/3，同时旋流掺混段内壁开有与长方体棱配合的安装槽，开槽位置起始于第一法兰，利用进气段法兰与第一法兰能够将旋流器固定，旋流器开有贯通式螺纹孔；连接杆两端车螺纹，一端与旋流器配合，并部分伸入进气段，方便与高压端导线相连；燃油喷嘴喷注方向与轴向成45°～60°，便于与旋流空气掺混；电极段包括阴极钝体、第一绝缘陶瓷、第二绝缘陶瓷和第三法兰；阴极钝体为渐缩的圆台形状，开有螺纹孔，孔深为台体高度的2/3～4/5，与连接杆通过螺纹配合，此时阴极钝体即是高压端，电极段外壁面接等离子电源阳极，为接地端，为便于击穿形成电弧，阴极钝体大圆截面与电极段内壁面之间的间距为2mm～3mm，调整等离子电源输出电压，在阴极钝体大圆截面与电极段内壁面之间发生击穿形成电弧，电弧在旋转来流的作用下，形成旋转滑动弧，沿着气流方向向下游运动，由于阴极钝体与电极段内壁面的距离逐渐变大，电弧也逐渐被拉长，最终在阴极钝体小圆截面处消失；在电弧运动过程中能够实现燃料裂解、雾化及点火的作用；第一绝缘陶瓷开有第一法兰的孔，夹装在电极段与旋流掺混段之间，第二绝缘陶瓷开有同样的第一法兰的孔，夹装在电极段与DDT段之间，起到绝缘的作用；第三法兰用于与旋流掺混段和DDT段进行装配。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述进气段包括第四法兰和高压电极进线孔；进气段用于燃烧室进气；第四法兰沿周向间隔90°开有四个孔，用于与旋流掺混段进行装配；与等离子电源阴极高压端相连的导线能够通过高压电极进线孔接到燃烧室内部的连接杆。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述连接杆需选择合适的长度，使旋流器与阴极钝体之间的距离足以令气流的旋流强度达到能够使电弧旋转运动的程度；电极段与燃烧室其他段之间安装绝缘陶瓷，起到绝缘的作用。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述DDT段安装有Shchelkin螺旋和第五法兰；Shchelkin螺旋用于添加流场扰动，使火焰加速，促进爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺旋焊接在燃烧室内壁；第五法兰用于与电极段和爆震传播段装配。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转滑动弧点火的两相脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述爆震传播段包括尾喷管和传感器安装孔，尾喷管用于提高推力，传感器安装孔用于安装压力传感器以判断爆震波形成与否。

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