CN201696167U - 一种多管并联脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多管并联脉冲爆震燃烧室，包括点火起爆装置及爆震室入口和出口分别在同一平面的多管轴线平行并联爆震燃烧室，每个爆震室包括爆震室入口、起爆射流入口、起爆射流出口和爆震室出口，每相邻的两个爆震室起爆射流入口分别在爆震室上游或下游，通过长度相等的射流传播管连接，点火起爆装置安装在任一头部起爆射流点火爆震室。工作时，点火起爆装置工作，点燃该爆震室中的可燃混气并逐级传递给下一个爆震室，形成循环。本实用新型使脉冲爆震燃烧室附件系统更加简化，可以在不改动发动机整体结构情况下直接用于现有常见多管并联脉冲爆震燃烧室，解决现有多管脉冲爆震燃烧室点火起爆问题。

Description

一种多管并联脉冲爆震燃烧室

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其是一种脉冲爆震发动机的燃烧室。

背景技术

爆震波的发现最早可以追溯到18世纪末，相比于爆燃波，爆震波的传播速度可以达到几千米每秒，同时产生极高的燃气压力(大于15至55个大气压)和燃气温度(大于2800K)，根据传统CJ理论，CJ爆震点是熵增的最小点，这意味着以爆震燃烧为基础的推进系统在热循环效率上将非常具有优势，因此自上世纪四十年代开始，各机构竞相研究爆震发动机，在六十多年的探索研究阶段，出现了各种类型的爆震发动机，当前该领域研究的热点主要集中在基于脉冲爆震循环的脉冲爆震发动机。

由于脉冲爆震发动机利用间歇爆震燃烧来产生推力，因此对于每一个爆震燃烧室通常需要一个周期的点火源，当前主要采用的点火源有火花放电、瞬态等离子点火、电火花触发的射流点火及预爆管等等，其缺点就是每个爆震室需要独立的点火系统和控制系统，从而带来系统的复杂性。

为克服脉冲爆震发动机严重依赖大功率脉冲点火单元的缺点，美国空军实验室提出了将其中之一爆震燃烧室尾部爆震波，通过联焰管引入其他待点火的爆震燃烧室头部的点火起爆方法，通过多管串联，最终实现多管的连续点火起爆，从其试验设备看，由于其多管爆震室入口处在同一平面，因此就需较长的联焰管，同时为达到传焰的目的，如何向联焰管内充填可爆混和物也是一个技术难点。申请号200710018897.0的中国专利基于此点火起爆方法提出了一种避免采用较长联焰管的多个爆震室首尾通过射流传播管串联的爆震燃烧室结构，即其中之一爆震室出口上游的起爆射流出口与下一个爆震室入口下游的起爆射流入口相连，最终形成多管圆环形燃烧室，故其单个爆震室入口是沿圆周切线方向，与圆周轴线方向有很大的偏转角，同时爆震室各个头部入口点沿圆周分布。当空气来流是轴线方向时(这是目前传统航空发动机燃烧室入口空气来流方向)，这些缺点导致发动机必须采用额外的空气导流及分流装置引到每一个爆震室入口，从而不便于爆震燃烧室向传统航空发动机燃烧室的移植；同时由于在此过程中空气流动方向有较大的偏转，总压损失也将增大。

发明内容

为了克服现有技术射流传播管较长或多管爆震室入口点分散、各爆震室入口方向与发动机轴线方向偏转角过大、总压损失大及不便移植等不足，本实用新型提出了一种适合多管并联脉冲爆震燃烧室及其点火起爆方法，基于此可以解决以上缺点，从而更便于将脉冲爆震燃烧室替代现有燃气轮机的主燃烧室、加力燃烧室。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括启动起爆装置6和多个并联的爆震室2，每个爆震室2包括爆震室入口1、起爆射流入口4、起爆射流出口5和爆震室出口3；爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在进气来流方向的最上游，爆震室出口3在爆震室气流的最下游；起爆射流入口4和起爆射流出口5位于爆震室2两端，将各个爆震室2按起爆射流入口4和起爆射流出口5在爆震室相对位置的不同，爆震室2可分成两种，即头部起爆射流点火爆震室2a和尾部起爆射流点火爆震室2b。对于头部起爆射流点火爆震室2a，起爆射流入口4位于爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室2a当量直径距离处，起爆射流出口5位于爆震室出口3上游，起爆射流出口5与相邻的采用尾部爆震射流点火的爆震室2b的起爆射流入口4相连；尾部爆震射流点火爆震室2b的起爆射流入口4位于爆震室出口3上游1～2倍于该爆震室2b当量直径距离处，起爆射流出口5位于爆震室入口1下游，并与相邻的采用头部起爆射流点火的爆震室2a的起爆射流入口4相连；以此类推，多个爆震室连接后，最后一个爆震室的起爆射流出口5和最初爆震室的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了多个爆震室入口1和多个爆震室出口3分别在同一平面的多管轴线平行并联爆震燃烧室，起爆射流出口5和起爆射流入口4之间通过射流传播管8连接，每两个相邻爆震室间连接的射流传播管8的长度相等。启动起爆装置6安装在多管并联爆震燃烧室其中任意一个采用头部起爆射流点火的爆震室2a的爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，并与该爆震室的起爆射流入口4错开。

作为本实用新型的第一种优选方案，当一组并联的爆震室个数为某整数M的N倍时，可以在相隔M-1个爆震室的N个爆震室的爆震室入口1下游安装启动起爆装置，启动时，同时起爆N个启动起爆装置6，可以始终有N个爆震波在相互追赶。设任一爆震室起爆射流入口4和起爆射流出口5之间的长度加上一个射流传播管8的长度和为L，并令V为在爆震燃烧室所有工况下的最大爆震波传播速度，令T为一个爆震工作周期，则M应大于VT/L。

作为本实用新型的第二种优选方案，当多个爆震室沿来流方向沿圆面并联均布时，假设并联的爆震室个数为某整数M的N倍，则以该圆面圆心为中心将其圆面均分成N个扇面，同时沿来流方向每个扇面内包含M个并联爆震室，最终沿爆震燃烧室来流方向将多个爆震室分成排布相同的N组，每组包含M个爆震室，启动起爆装置6安装在每组爆震室中位于多管并联脉冲爆震燃烧室的圆面最外层的任意一个采用头部起爆射流点火的爆震室2a，同时启动起爆装置6在每组爆震室中的安装位置应相同。

作为本实用新型的第三种优选方案，将多管并联圆环形分布的脉冲爆震燃烧室分成内外两层，内外层所包含的爆震室数目相同，外层由采用头部起爆射流点火的爆震室2a组成，内层由采用尾部起爆射流点火的爆震室2b组成，启动起爆装置6仅安装在外层爆震室2a。当有多个启动起爆装置6时，其应在外层爆震室周向均匀安装。

作为本实用新型的第四种优选方案，对于尾部起爆射流点火的爆震室2b，若燃烧室以空气为氧化剂，则当起爆射流射入其尾部时应保证爆震室出口3的堵塞比大于0.2。

本实用新型工作时，当所有爆震室入口1都有可爆混气以相同条件充满整个爆震室2时，启动起爆装置6工作，形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到起爆射流出口5后，大部分爆震波通过爆震室出口3排出，一部分爆震波通过起爆射流出口5传播到下一个采用尾部起爆射流点火的爆震室2b的起爆射流入口4，从而在爆震室2b内快速形成爆震波，爆震波在这个爆震室2b中迅速向上游传播到起爆射流出口5，此时爆震室入口1关闭，一部分爆震波通过起爆射流出口5传播到下一个采用头部起爆射流点火的爆震室2a的起爆射流入口4，这样不断向下游传递。对于单个爆震室，不管最初爆震波是向上游还是向下游传播，最终该压缩波将从爆震室出口3排出传播到与爆震室下游相连的低压部件或外界环境，进而形成一道膨胀波从爆震室出口3反向向爆震室入口1传播，从而使爆震室内的压力下降，等压力下降到填充压力时，可爆混合气重新冲入爆震室入口1，开始该爆震室新一轮的填充过程。当爆震波传到最后一个爆震室的起爆射流出口5后又回到了装有启动起爆装置6的爆震室2a，此时装有启动起爆装置6的爆震室2a已完成废气排放和可爆混合气填充过程，爆震射流传入爆震室2a后迅速形成爆震波，启动起爆装置不再工作。

为防止初始启动起爆装置6工作时燃烧波不会向通过该爆震室2a上游一侧的射流传播管8相连的爆震室2b传播，在装有启动起爆装置6的爆震室2a的起爆射流入口4安装启动阀门7，当启动起爆装置6工作时，启动阀门7关闭，等启动阀门7上游爆震室2b形成爆震波后启动阀门7开启，并在燃烧室正常工作时一直保持常开状态。

本实用新型的有益效果是：首先本实用新型的点火起爆方法交替利用爆震室内的爆震波点火起爆另一个爆震室，使爆震波的起爆接近于直接起爆，而不需要额外的高能高频脉冲点火系统，从而使脉冲爆震燃烧室附件系统更加简化；另一方面，在起爆射流的组织上，将多管脉冲爆震燃烧室中的各爆震室分成头部射流起爆爆震室2a和尾部射流起爆爆震室2b两类，通过其间交替射流起爆，使得该点火起爆方法可以在不改动发动机整体结构情况下直接用于现有常见多管并联脉冲爆震燃烧室，解决现有多管脉冲爆震燃烧室点火起爆问题。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型启动过程示意图；

图2是本实用新型点火起爆工作过程示意图，其中图2.1为爆震室头部起爆射流点火时工作过程示意图，图2.2为爆震室尾部起爆射流点火时工作过程示意图。

图3是本实用新型实施例1的技术示意图，其中图3.1为多管爆震燃烧室结构示意图，图3.2为由多管爆震燃烧室上游向下游观察时的技术示意图；

图4是本实用新型实施例2的由多管爆震燃烧室上游向下游看时的技术示意图；

图5是本实用新型实施例3的由多管爆震燃烧室上游向下游看时的技术示意图。

图中，1-爆震室入口，2-爆震室，2a-头部起爆射流点火爆震室，2b-尾部起爆射流点火爆震室，3-爆震室出口，4-起爆射流入口，5-起爆射流出口，6-启动起爆装置，7-启动阀门，8-射流传播管，9-左行膨胀波，10-左行爆震波，11-入射爆震波，12-右行爆震波，13-起爆射流在爆震室入口下游处射流传播管内的射流方向，14-起爆射流在爆震室出口上游处射流传播管内的射流方向。

具体实施方式

实施例1：参照图3，包括1个启动起爆装置6和六个并联爆震室2，并联爆震室2通过射流传播管8连接组成圆周分布的六管并联脉冲爆震燃烧室，每个爆震室2包括爆震室入口1、爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管包括连接在一起的上一级爆震室的起爆射流出口5和下一级爆震室的起爆射流入口4；爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游；起爆射流入口4和起爆射流出口5位于爆震室2两端，根据各个爆震室2的起爆射流入口4和起爆射流出口5在爆震室内相对位置的不同，爆震室2可分成两种，即头部起爆射流点火爆震室2a和尾部爆震射流点火爆震室2b；启动起爆装置6安装在六管并联爆震燃烧室其中一个爆震室2的爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，相应的该爆震室就是采用头部起爆射流点火的爆震室2a。对于头部起爆射流点火爆震室2a，其爆震室入口1在爆震室气流上游一侧，起爆射流入口4位于爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室2a当量直径距离处，爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流出口5位于爆震室出口3上游，起爆射流出口5与相邻的采用尾部爆震射流点火的爆震室2b的起爆射流入口4相连；尾部爆震射流点火爆震室2b的爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流入口4位于爆震室出口3上游1～2倍于该爆震室2b当量直径距离处，起爆射流出口5位于爆震室入口1下游，并与相邻的采用头部起爆射流点火的爆震室2a的起爆射流入口4相连；以此类推，六个爆震室连接后，最后一个爆震室的起爆射流出口5和最初爆震室的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了多个爆震室入口1和多个爆震室出口3分别在同一平面，六个爆震室S型相连的六管轴线平行并联爆震燃烧室。当图3中启动起爆装置6工作后，在其所在爆震室2a内形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到该爆震室出口上游时，一部分爆震波通过尾部的射流传播管8传到相邻的爆震室2b出口上游，并进而在爆震室2b内产生向上游传播的爆震波，随后其又通过上游的射流传播管8传到相邻的下一个爆震室2a入口上游，这样爆震波在射流传播管的作用下持续的在爆震燃烧室内传播，从爆震燃烧室上游向下游看，其形成如图3.1箭头方向所示的逆时针点火时序。

实施例2：参照图4，包括六个启动起爆装置6和三十六个沿来流方向圆面均布的并联爆震室2，首先沿来流方向依于图中所示将其均分成六个扇面，每个扇面包含六个并联爆震室，最终沿爆震燃烧室来流方向将三十六个爆震室分成排布相同的六组，组与组间相互独立无连接关系，每组包含六个爆震室。对于每一组，并联爆震室2通过射流传播管8连接，每个爆震室2包括爆震室入口1、爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管包括连接在一起的上一级爆震室的起爆射流出口5和下一级爆震室的起爆射流入口4；爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游；起爆射流入口4和起爆射流出口5位于爆震室2两端，根据各个爆震室2的起爆射流入口4和起爆射流出口5在爆震室内相对位置的不同，爆震室2可分成两种，即头部起爆射流点火爆震室2a和尾部爆震射流点火爆震室2b；启动起爆装置6安装在该组并联爆震室中其中一个位于整个爆震燃烧室最外层中间的爆震室2的爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，相应的该爆震室就是采用头部起爆射流点火的爆震室2a。对于头部起爆射流点火爆震室2a，其爆震室入口1在爆震室气流上游一侧，起爆射流入口4位于爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室2a当量直径距离处，爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流出口5位于爆震室出口3上游，起爆射流出口5与相邻的采用尾部爆震射流点火的爆震室2b的起爆射流入口4相连；尾部爆震射流点火爆震室2b的爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流入口4位于爆震室出口3上游1～2倍于该爆震室2b当量直径距离处，起爆射流出口5位于爆震室入口1下游，并与相邻的采用头部起爆射流点火的爆震室2a的起爆射流入口4相连；六个爆震室连接后，最后一个爆震室的起爆射流出口5和最初爆震室的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了一组爆震室入口1和多个爆震室出口3分别在同一平面，六个爆震室S型相连的六管轴线平行并联爆震燃烧室。最终每组爆震室都有一个启动起爆装置6，为实现在一个循环周期内爆震波经过每组中所有的爆震室，最终得到如图4所示的爆震室2a和爆震室2b相应的排布；当爆震波由爆震室2a传向爆震室2b时，两爆震室在出口上游通过射流传播管相连，当爆震波由爆震室2b传向爆震室2a时，两爆震室在入口下游通过射流传播管相连。当所有爆震室都有可爆混合气以相同条件充满整个爆震室2时，六个启动起爆装置6同时工作，在各自所在的爆震室2a形成向下游传播的爆震波，爆震波传播到爆震室2a出口上游后，一部分爆震波经射流传播管传播到相邻的下一个爆震室2b内，从而在爆震室2b下游快速形成向上游传播的爆震波，随后其又通过上游的射流传播管传到相邻的下一个爆震室2a入口上游，这样爆震波在射流传播管的作用下持续的在每组爆震室内传播，从爆震燃烧室上游向下游看，六组爆震室都形成如图4箭头方向所示的逆时针点火时序。

实施例3：参照图5，包括三个启动起爆装置和二十四个沿来流方向圆环形分布并联的爆震室，每个爆震室每个爆震室2包括爆震室入口1、爆震室出口3和射流传播管8，射流传播管8包括连接在一起的上一级爆震室的起爆射流出口5和下一级爆震室的起爆射流入口4；爆震室入口1和爆震室出口3位于爆震室2两端，爆震室入口1在最上游；起爆射流入口4和起爆射流出口5位于爆震室2两端，根据各个爆震室2的起爆射流入口4和起爆射流出口5在爆震室内相对位置的不同，爆震室2可分成两种，即头部起爆射流点火爆震室2a和尾部爆震射流点火爆震室2b。将二十四管并联脉冲爆震燃烧室分成各包含相同数目爆震室的内外两层，同时外层中的爆震室采用头部起爆射流点火，内层中的爆震室采用尾部起爆射流点火，即外层包含12个爆震室2a，内层包含12个爆震室2b，内外层的爆震室交错布置，使任意一个爆震室2a位于两相邻爆震室2b之间以及任意一个爆震室2b位于两相邻爆震室2a之间；将三个启动起爆装置6沿圆周均匀分布安装在脉冲爆震燃烧室外层其中三个爆震室2a入口1下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处外侧，从爆震燃烧室上游向下游看，最终形成如图5所示爆震室2a和爆震室2b相应的排布。对于头部起爆射流点火爆震室2a，其爆震室入口1在爆震室气流上游一侧，起爆射流入口4位于爆震室入口1下游1～2倍于该爆震室2a当量直径距离处，爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流出口5位于爆震室出口3上游，起爆射流出口5与内层相邻的采用尾部爆震射流点火的爆震室2b的起爆射流入口4相连；尾部爆震射流点火爆震室2b的爆震室出口3在爆震室气流下游一侧，起爆射流入口4位于爆震室出口3上游1～2倍于该爆震室2b当量直径距离处，起爆射流出口5位于爆震室入口1下游，并与外层相邻的采用头部起爆射流点火的爆震室2a的起爆射流入口4相连；二十四个爆震室连接后，最后一个爆震室的起爆射流出口5和最初爆震室的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了一组爆震室入口1和多个爆震室出口3分别在同一平面，二十四个爆震室内外层交错相连的多管轴线平行并联爆震燃烧室。当所有爆震室都有可爆混合气以相同条件充满整个爆震室2时，三个启动起爆装置6同时工作，在各自所在的爆震室2a形成向下游传播的爆震波，爆震波传动爆震室2a出口上游后，一部分爆震波经射流传播管传播到相邻的内层处下一个爆震室2b内，从而在爆震室2b下游快速形成向上游传播的爆震波，随后其又通过上游的射流传播管传到相邻的外层下一个爆震室2a入口上游，这样爆震波在射流传播管的作用下持续的在爆震室内传播，从而形成三个爆震波相互追赶的局面，最终多管爆震燃烧室形成如图5箭头方向所示的逆时针及内外层交叉点火时序。此后爆震燃烧室进入稳定循环，不再需要外部点火设备，同时爆震波经过外层两相邻爆震室2a的传播时间及爆震波经过内层两相邻爆震室2b的传播时间相同，进而便于爆震燃烧室前端进气阀门的控制。

Claims (5)

1.一种多管并联脉冲爆震燃烧室，包括启动起爆装置和多个并联的爆震室，其特征在于：每个爆震室包括爆震室入口、起爆射流入口、起爆射流出口和爆震室出口；爆震室入口和爆震室出口位于爆震室两端，爆震室入口在进气来流方向的最上游，爆震室出口在爆震室气流的最下游；爆震室分成头部起爆射流点火爆震室和尾部起爆射流点火爆震室；头部起爆射流点火爆震室的起爆射流入口位于爆震室入口下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，起爆射流出口位于爆震室出口上游，起爆射流出口与相邻的采用尾部爆震射流点火的爆震室的起爆射流入口相连；尾部爆震射流点火爆震室的起爆射流入口位于爆震室出口上游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，起爆射流出口位于爆震室入口下游，并与相邻的采用头部起爆射流点火的爆震室的起爆射流入口相连；以此类推，多个爆震室连接后，最后一个爆震室的起爆射流出口和最初爆震室的起爆射流入口相连接，首尾相连，共同构成了多个爆震室入口和多个爆震室出口分别在同一平面的多管轴线平行并联爆震燃烧室，起爆射流出口和起爆射流入口由射流传播管连接，每两个相邻爆震室间连接的射流传播管长度相等；启动起爆装置安装在多管并联爆震燃烧室其中任意一个采用头部起爆射流点火的爆震室的爆震室入口下游1～2倍于该爆震室当量直径距离处，并与该爆震室的起爆射流入口错开。

2.根据权利要求1所述的一种多管并联脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述的爆震室个数为某整数M的N倍时，在相隔M-1个爆震室的N个爆震室的爆震室入口下游安装启动起爆装置；M大于VT/L，其中，任一爆震室起爆射流入口和起爆射流出口之间的长度加上一个射流传播管的长度和为L，V为在爆震燃烧室所有工况下的最大爆震波传播速度，T为一个爆震工作周期。

3.根据权利要求1所述的一种多管并联脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述的整数M的N倍个爆震室沿来流方向沿圆面并联均布时，以该圆面圆心为中心将爆震室分成排布相同的N组，每组包含M个爆震室，启动起爆装置安装在每组爆震室中位于该圆面最外层的任意一个采用头部起爆射流点火的爆震室，同时启动起爆装置在每组爆震室中的安装位置相同。

4.根据权利要求1所述的一种多管并联脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述的多管并联圆环形分布的脉冲爆震燃烧室分成内外两层，内外层所包含的爆震室数目相同，外层由采用头部起爆射流点火的爆震室组成，内层由采用尾部起爆射流点火的爆震室组成，启动起爆装置仅安装在外层爆震室；当有多个启动起爆装置时，其在外层爆震室周向均匀安装。

5.根据权利要求1所述的一种多管并联脉冲爆震燃烧室，其特征在于：所述的尾部起爆射流点火的爆震室以空气为氧化剂，当起爆射流射入其尾部时爆震室出口的堵塞比大于0.2。

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