CN115059934B - 基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统 - Google Patents

基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，包括燃烧室机匣、涡轮机匣、补氧装置、供油装置、蒸发管燃烧室、烟火点火器、火药起动器。补氧装置包括补氧环，供油装置包括燃油环，补氧环和燃油环安装于蒸发管燃烧室头部。火药起动器产生高温、高压气体，使发动机转子系快速加速至起动点火转速；氧气、燃油分别经节流补氧喷嘴和燃油喷嘴供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。相比于现有技术，本发明的蒸发管燃烧室内氧气分布更加均匀，且燃油分两步雾化，效果好，雾化更彻底，可使发动机在高空环境下快速点火、联焰，实现快速起动。

Description

基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统
技术领域
本发明属于涡喷发动机技术领域，特别涉及一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统。
背景技术
目前，弹用涡喷发动机多数采用炮式起动，即使用火药爆炸产生的能量冲击动力涡轮，动力涡轮带动压气机叶轮高速旋转，吸入外界新鲜空气，新鲜空气与经高压喷嘴雾化后的主燃油掺混点火起动。高压喷嘴对燃油泵供油能力提出较高要求，且对燃油油品要求高，经济性、保障性均不佳，不利于小型涡喷发动机作为弹用动力的发展。蒸发管燃烧室可规避以上缺点，因此在小型涡喷发动机上广泛应用，但蒸发管燃烧室存在燃油雾化差、点火困难等问题。现有技术中类似产品多采用局部补氧点火，其缺陷在于补充的氧气很难均匀填充在发动机燃烧室腔内，不利于快速联焰，严重情况下，可能引起燃烧室的局部烧蚀。部分产品采用高压喷嘴实现燃油雾化，此方案对燃油泵供油能力有较高要求，且对油品清洁度要求高；部分产品燃油仅依靠烟火点火器的热量雾化，可使发动机在6000m海拔下有较高点火可靠性，在6000m海拔以上，因环境温度过低，导致燃油雾化效果变差，起动点火失败。还有部分产品采用的烟火点火器设计时尽量提升单位时间内施放的热量，导致作用时间短，一般不超过5秒，在发动机尚未进入怠速即停止工作。现有技术中的类似产品对于空射巡航导弹、空射诱饵弹等武器在高空低温缺氧环境中难以实现快速点火的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有起动快、起动包线宽、成本低、结构简单、保障性好等特点的基于蒸发管燃烧室在高空(10km)低温缺氧环境下快速起动点火的系统。
为了实现本发明目的，本发明公开的技术方案为：一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，包括燃烧室机匣，燃烧室机匣一端连接有涡轮机匣，另一端连接有补氧装置和供油装置；燃烧室机匣内部设置有蒸发管燃烧室，燃烧室机匣外部对应于蒸发管燃烧室中数个蒸发管的位置均匀开设有数个蒸发管出口，蒸发管出口处设置有烟火点火器；涡轮机匣外侧设置有数个火药起动器；
补氧装置包括补氧环，供油装置包括燃油环，补氧环和燃油环安装于蒸发管燃烧室头部；补氧环周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的节流补氧喷嘴；燃油环周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的燃油喷嘴；节流补氧喷嘴与燃油喷嘴均伸入蒸发管中，且同一个蒸发管内的节流补氧喷嘴与燃油喷嘴的喷射方向之间存在角度；
火药起动器产生高温、高压气体，使发动机转子系快速加速至起动点火转速；氧气、燃油分别经节流补氧喷嘴和燃油喷嘴供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。
进一步地，补氧装置包括依次连接的氧气瓶、充气口、电爆阀、输气管、补氧环；补氧环安装于蒸发管燃烧室头部，补氧环周向均匀设置多只节流补氧喷嘴；节流补氧喷嘴数量与蒸发管数量一致，且伸入蒸发管中，节流补氧喷嘴内部毛细孔起氧气节流作用，可通过调整毛细孔尺寸控制供氧量；氧气瓶用于存贮高压氧气，充气口用于加或补氧气；电爆阀用于控制氧气输出，防止氧气泄漏；发动机达到点火转速后，电爆阀打开，氧气经补氧环上的节流补氧喷嘴按预设分配流量进入蒸发管中。
进一步地，供油装置包括依次连接的燃油泵、供油管路、燃油环；燃油环安装于蒸发管燃烧室头部，燃油环周向均匀设置多只燃油喷嘴，燃油喷嘴数量与蒸发管数量一致，且伸入蒸发管中；燃油泵为无刷泵，燃油环装配使用前经调试确保各燃油喷嘴流量一致，燃油泵将燃油经供油管路泵进燃油环，燃油经喷嘴均匀供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。
进一步地，蒸发管燃烧室为直流环形燃烧室，包括内圈和外圈；内圈和外圈组成环形腔体，腔体内部设置有数个L型蒸发管，燃烧室机匣上对应于L型蒸发管设置有数个蒸发管出口。
进一步地，涡轮机匣外侧周向均匀设置多个火药起动器，火药起动器产生高温、高压气体冲击涡轮机匣内的涡轮；气体流道光顺设计，减小流阻，降低能量损耗；涡轮通过传动轴带动燃烧室上游的压气机叶轮，发动机转子系快速加速至起动点火转速。
进一步地，节流补氧喷嘴根据蒸发管燃烧室着火顺序和火焰由点火处传播至整个燃烧室的范围需求，分配流经各节流补氧喷嘴的氧气流量；节流补氧喷嘴内部毛细孔起氧气节流作用，通过调整毛细孔尺寸控制供氧量，使得烟火点火器附近氧气浓度等于或高于其它区域。燃烧室内适宜的氧气分布，更利于燃烧室快速联焰，实现稳定燃烧。
进一步地，燃油雾化效果直接影响起动点火成功率，部分类似产品采用高压喷嘴实现燃油雾化，此方案对燃油泵供油能力有较高要求，且对油品清洁度要求高；部分产品燃油仅依靠烟火点火器的热量雾化，可使发动机在6000m海拔下有较高点火可靠性，在6000m海拔以上，因环境温度过低，导致燃油雾化效果变差，起动点火失败。本发明燃油雾化分两步实现：
高空起动时，燃油与氧气同步供给，燃油喷嘴出口喷射方向与节流补氧喷嘴氧气喷射方向呈预设夹角角度0°～180°，高速氧气流冲击燃油，燃油在冲击力下破碎成小颗粒，实现第一步雾化；
供入燃油的同时，烟火点火器开始作用，快速加热蒸发管，燃油从燃油喷嘴射出后经蒸发管进入燃烧室，燃油在蒸发管的高温环境中再次雾化，燃油喷射方向与发动机轴向夹角呈0°～180°，延长燃油在蒸发管中换热时间，强化燃油雾化效果。
进一步地，燃油喷嘴为直管，末端封闭，在管壁沿轴向设置多个燃油喷射孔，燃油通过管壁的燃油喷射孔与氧气混合。
进一步地，烟火点火器为长时烟火点火器，本发明设计时采用两级雾化，可使用长时烟火点火器，相比于传统烟火点火器降低单位时间内施放的热量，延长烟火点火器作用时间至8～10秒，而发动机快速起动时间小于等于7秒，发动机进入怠速后烟火点火器继续工作2～3秒，极大提高发动机高空快速起动的可靠性。
进一步地，烟火点火器控制释放的能量随时间衰减，即点火初期释放的能量高于后期；在低温环境点火时，通过较高的热量实现燃油雾化并点火，随着着火时间推进，燃烧室内部温度迅速上升，火焰愈发稳定，烟火点火器施放能量的需求逐步减弱。
与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明设置补氧装置，氧气瓶内存储高压氧气，在发动机起动时，氧气经周向均布的节流补氧喷嘴进入燃烧室，增加燃烧室中氧气含量，可通过调整节流补氧喷嘴通径对燃烧室内氧气浓度分布进行调节，氧气与燃油在燃烧室中掺混，适宜的油气比有利于点火和快速联焰，实现稳定燃烧；2)本发明能够强化燃油雾化，补氧环与燃油环同心安装，节流补氧喷嘴与燃油喷嘴伸入蒸发管入口，两种喷嘴出口呈一定角度，燃油经燃油喷嘴呈线状喷射，高压氧气经节流补氧喷嘴射出后侧面撞击燃油，燃油在高速气流冲击下实现初始雾化；同时烟火点火器工作，产生的高温环境使临近蒸发管中的燃油进一步雾化，使其更易点燃；3)本发明能够延长点火时间，低温环境下，点火初期燃烧室内部联焰慢、燃烧不稳定，火焰极易熄灭，为提高起动可靠性，设计使用长时烟火点火器，直至发动机进入怠速2～3秒后停止工作，此时，燃烧室整体温度已经上升，且进气温度提高，低温环境的影响已经消除，无需外部能量维持发动机工作。
为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统总体结构示意图；
图2为实施例1中节流补氧喷嘴、燃油喷嘴位置示意图；
图3为补氧环、燃油环结构示意图；
图4为燃烧室结构示意图；
图5为实施例2中节流补氧喷嘴、燃油喷嘴位置示意图；
图6为实施例3中节流补氧喷嘴、燃油喷嘴位置示意图；
图中附图标记为：燃烧室机匣1001；涡轮机匣1002；涡轮1003；传动轴1004；压气机叶轮1005；L型蒸发管1101；内圈1102；外圈1103；氧气瓶1201；充气口1202；电爆阀1203；输气管1204；补氧环1210；节流补氧喷嘴1211；燃油泵1301；供油管路1302；燃油环1310；燃油喷嘴1311；烟火点火器1400；火药起动器1500。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，在本实施例中，燃烧室机匣1001一端连接有涡轮机匣1002，另一端连接有补氧装置和供油装置；燃烧室机匣1001内部设置有蒸发管燃烧室，燃烧室机匣1001外部对应于蒸发管燃烧室中数个蒸发管的位置均匀开设有数个蒸发管出口，蒸发管出口处设置有烟火点火器1400，烟火点火器1400设置在燃烧室机匣1001上蒸发管出口附近，周向均匀设置多个烟火点火器1400。发动机转子系达到起动点火转速后，烟火点火器1400开始工作，作用时间持续8～10s，预热、雾化、点燃燃油，至发动机稳定运行后失效。涡轮机匣1002外侧设置有数个火药起动器1500，补氧装置包括补氧环1210，供油装置包括燃油环1310，补氧环1210和燃油环1310安装于蒸发管燃烧室头部；补氧环1210周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的节流补氧喷嘴1211；燃油环1310周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的燃油喷嘴1311；节流补氧喷嘴1211与燃油喷嘴1311均伸入蒸发管中，且同一个蒸发管内的节流补氧喷嘴1211与燃油喷嘴1311的喷射方向之间存在角度。火药起动器1500产生高温、高压气体，使发动机转子系快速加速至起动点火转速；氧气、燃油分别经节流补氧喷嘴1211和燃油喷嘴1311供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器1400作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。
具体地，在本实施例中，涡轮机匣1002外侧周向均匀设置多个火药起动器1500，火药起动器1500产生高温、高压气体冲击涡轮机匣1002内的涡轮1003；气体流道光顺设计，减小流阻，降低能量损耗；涡轮通过传动轴1004带动燃烧室上游的压气机叶轮1005，发动机转子系快速加速至起动点火转速。
如图2-3所示，在本实施例中，蒸发管燃烧室为直流环形燃烧室，包括内圈1102和外圈1103；内圈1102和外圈1103组成环形腔体。供油装置由燃油泵1301、供油管路1302、燃油环1310组成，燃油环1310安装在燃烧室头部，燃油环1310周向均匀设置多只燃油喷嘴1311，燃油喷嘴1311中心为毛细孔结构，燃油喷嘴1311数量与蒸发管数量一致，燃油喷嘴1311伸入蒸发管中；燃油泵1301为无刷泵，供油稳定，调节精度高、响应快。燃油环1310装配使用前经调试确保各燃油喷嘴1311流量一致，燃油泵1301将燃油经供油管路1302泵进燃油环1310，燃油经喷嘴均匀供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器1400作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。
补氧装置由氧气瓶1201、充气口1202、电爆阀1203、输气管1204、补氧环1210组成，氧气瓶1201用于存贮高压氧气；充气口1202用于加/补氧气；电爆阀1203控制氧气输出，防止氧气泄漏，可长期贮存；补氧环1210与燃油环1310同心安装在燃烧室头部，节流补氧喷嘴1211数量与蒸发管数量一致，节流补氧喷嘴1211内部毛细孔起氧气节流作用，可通过调整毛细孔尺寸控制供氧量，节流补氧喷嘴1211与燃油喷嘴1311对1伸入蒸发管中。发动机达到点火转速后，电爆阀1203打开，氧气经补氧环1210上的节流补氧喷嘴1211，按设计分配流量进入蒸发管中。
如图2所示，在本实施例中，燃油喷嘴1311长于节流补氧喷嘴1211，节流补氧喷嘴1211与燃油喷嘴1311之间的夹角处于0°～90°范围内，高速氧气流侧面冲击燃油，燃油在冲击力下破碎成小颗粒，实现第一步雾化；供入燃油的同时，烟火点火器1400开始作用，快速加热蒸发管，燃油从喷嘴射出后经蒸发管进入燃烧室，燃油在蒸发管的高温环境中再次雾化，而燃油喷射方向与发动机轴向呈一定角度，即90°～180°的夹角A(现有技术中，其它产品的燃油沿发动机轴向喷射)，人为延长燃油在蒸发管中换热时间，可强化燃油雾化效果。
如图4所示，在本实施例中，蒸发管燃烧室为直流环形燃烧室，沿周向均匀布置多只L型蒸发管1101，用于燃油预热、雾化，蒸发管直径、长度等尺寸经设计计算，保证燃油、氧气在蒸发管内充分混合、雾化；内、外圈表面周向均匀布置小孔，压缩空气从内外圈小孔进入燃烧室与燃油掺混、燃烧。
实施例2
如图5所示，在本实施例中，燃油喷嘴1311为直毛细管，燃油喷嘴1311与发动机轴向之间的角度为0°，节流补氧喷嘴1211出口处向燃油管倾斜，节流补氧喷嘴1211长于燃油喷嘴1311，节流补氧喷嘴1211与发动机轴向之间的夹角B范围为90°～180°，节流补氧喷嘴1211与燃油喷嘴1311之间的夹角为0°～90°，其工作原理与实施例1一致。
实施例3
如图6所示，在本实施例中，燃油喷嘴1311为直管，末端封闭，在图示位置沿轴向设置多个燃油喷射孔(图中示例数量为3个)，喷射方向沿径向或向前方偏斜(图中向左方向为前方)，此方案中，节流补氧喷嘴1211出口处向燃油管倾斜，节流补氧喷嘴1211与发动机轴向之间的夹角C范围为90°～180°，且节流补氧喷嘴1211出口位于燃油喷射孔上游，其工作原理与实施例1一致。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，包括燃烧室机匣(1001)，其特征在于，所述燃烧室机匣(1001)一端连接有涡轮机匣(1002)，另一端连接有补氧装置和供油装置；所述燃烧室机匣(1001)内部设置有蒸发管燃烧室，所述燃烧室机匣(1001)内部对应于所述蒸发管燃烧室中数个蒸发管的位置均匀开设有数个蒸发管出口，燃烧室机匣外部对应蒸发管出口位置附近设置有数个烟火点火器(1400)；所述涡轮机匣(1002)外侧设置有数个火药起动器(1500)；
所述补氧装置包括补氧环(1210)，所述供油装置包括燃油环(1310)，补氧环(1210)和燃油环(1310)安装于蒸发管燃烧室头部；所述补氧环(1210)周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的节流补氧喷嘴(1211)；所述燃油环(1310)周向均匀设置有数个与蒸发燃烧室内部蒸发管位置相对应的燃油喷嘴(1311)；所述节流补氧喷嘴(1211)与燃油喷嘴(1311)均伸入蒸发管中，且同一个蒸发管内的节流补氧喷嘴(1211)与燃油喷嘴(1311)的喷射方向之间存在角度；
所述火药起动器(1500)产生高温、高压气体，使发动机转子系快速加速至起动点火转速；氧气、燃油分别经节流补氧喷嘴(1211)和燃油喷嘴(1311)供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃；
所述节流补氧喷嘴(1211)根据蒸发管燃烧室着火顺序和火焰由点火处传播至整个燃烧室的范围需求，分配流经各个节流补氧喷嘴(1211)的氧气流量；节流补氧喷嘴(1211)内部毛细孔起氧气节流作用，通过调整毛细孔尺寸控制供氧量，使得烟火点火器(1400)附近氧气浓度等于或高于其它区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述补氧装置包括依次连接的氧气瓶(1201)、充气口(1202)、电爆阀(1203)、输气管(1204)、补氧环(1210)；所述补氧环(1210)安装于蒸发管燃烧室头部，补氧环(1210)周向均匀设置多只节流补氧喷嘴(1211)；节流补氧喷嘴(1211)数量与蒸发管数量一致，且伸入蒸发管中；节流补氧喷嘴(1211)内部毛细孔起氧气节流作用，通过调整毛细孔尺寸控制供氧量；氧气瓶(1201)用于存贮高压氧气，充气口(1202)用于加或补氧气；电爆阀(1203)用于控制氧气输出，防止氧气泄漏；发动机达到点火转速后，电爆阀(1203)打开，氧气经补氧环(1210)上的节流补氧喷嘴(1211)按预设分配流量进入蒸发管中。
3.根据权利要求1所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述供油装置包括依次连接的燃油泵(1301)、供油管路(1302)、燃油环(1310)；所述燃油环(1310)安装于蒸发管燃烧室头部，燃油环(1310)周向均匀设置多只燃油喷嘴(1311)，燃油喷嘴(1311)数量与蒸发管数量一致，且伸入蒸发管中；所述燃油泵(1301)为无刷泵，燃油环(1310)装配使用前经调试确保各燃油喷嘴(1311)流量一致，燃油泵(1301)将燃油经供油管路(1302)泵进燃油环(1310)，燃油经喷嘴均匀供入蒸发管中，在高压氧气冲击作用下初步雾化后与氧气掺混，在烟火点火器(1400)作用下进一步雾化，进入燃烧室后点燃。
4.根据权利要求1所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述蒸发管燃烧室为直流环形燃烧室，包括内圈(1102)和外圈(1103)；所述内圈(1102)和外圈(1103)组成环形腔体，所述腔体内部设置有数个L型蒸发管(1101)，所述燃烧室机匣(1001)上对应于所述L型蒸发管(1101)设置有数个蒸发管出口。
5.根据权利要求1所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述涡轮机匣(1002)外侧周向均匀设置多个火药起动器(1500)，火药起动器(1500)产生高温、高压气体冲击涡轮机匣(1002)内的涡轮(1003)；气体流道光顺设计，减小流阻，降低能量损耗；涡轮通过传动轴(1004)带动燃烧室上游的压气机叶轮(1005)，发动机转子系快速加速至起动点火转速。
6.根据权利要求1所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，燃油雾化分两步实现：
高空起动时，燃油与氧气同步供给，燃油喷嘴(1311)出口喷射方向与节流补氧喷嘴(1211)氧气喷射方向呈预设夹角角度，高速氧气流冲击燃油，燃油在冲击力下破碎成小颗粒，实现第一步雾化；
供入燃油的同时，烟火点火器(1400)开始作用，快速加热蒸发管，燃油从燃油喷嘴(1311)射出后经蒸发管进入燃烧室，燃油在蒸发管的高温环境中再次雾化，燃油喷射方向与发动机轴向呈预设夹角角度，延长燃油在蒸发管中换热时间，强化燃油雾化效果。
7.根据权利要求6所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述燃油喷嘴(1311)为直管，末端封闭，在管壁沿轴向设置多个燃油喷射孔，燃油通过管壁的燃油喷射孔与氧气混合。
8.根据权利要求1或6所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述烟火点火器(1400)为长时烟火点火器，烟火点火器(1400)作用时间为8～10秒，而发动机快速起动时间小于等于7秒，发动机进入怠速后烟火点火器继续工作2～3秒。
9.根据权利要求8所述的一种基于蒸发管燃烧室的高空快速起动点火系统，其特征在于，所述烟火点火器(1400)控制释放的能量随时间衰减，即点火初期释放的能量高于后期；在低温环境点火时，通过较高的热量实现燃油雾化并点火，随着着火时间推进，燃烧室内部温度迅速上升，火焰愈发稳定，烟火点火器(1400)施放能量的需求逐步减弱。
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