CN219713418U - 一种爆震燃烧室和爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种爆震燃烧室和爆震发动机。爆震燃烧室包括燃烧室本体，所述燃烧室本体内设置有可产生爆震波的环形燃烧腔，所述爆震波沿所述环形燃烧腔的周向传播；所述环形燃烧腔包括沿其径向方向相对设置的内壁和外壁，所述内壁和所述外壁中的至少一个设置为工作壁面，所述工作壁面设置有朝所述环形燃烧腔内凸伸的阻挡部。本文公开的爆震燃烧室能够加快起爆过程，并保持爆震波的稳定。

Description

一种爆震燃烧室和爆震发动机

技术领域

本申请涉及但不限于发动机领域，特别是一种爆震燃烧室和爆震发动机。

背景技术

爆震燃烧是通过前导基波对可爆混合物压缩使其发生高速化学反应来实现；因爆震燃烧具有单位时间放热强度大、自增压、燃烧效率高、污染物排放低等优点，基于爆震燃烧的推进技术是未来空间技术的重要发展趋势。

旋转爆震发动机(RotatingDetonationEngine，简称RDE)是一种利用连续爆震燃烧来产生推力的新概念发动机。与同样采用爆震循环的脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngine，简称PDE)相比，RDE只需一次起爆即可实现爆震波连续传播。RDE的热循环效率远高于基于等压燃烧的传统喷气式发动机，且释热速率快、结构简单。因此，旋转爆震发动机受到了世界各国的广泛关注，已成为航空航天推进领域的研究热点之一。

通常，为了RDE中获得稳定爆震波，可以利用预爆管向燃烧室内切向或垂直射入爆震波，直接引爆燃烧室内的可燃混合物，进而形成起爆爆震波。

在旋转爆震燃烧室点火阶段，火焰从最初的缓燃波逐渐变成爆震波，缓燃波需要较长时间才能转变为爆震波，甚至无法转变为爆震波模态，或者在旋转爆震燃烧室变工况工作时，会出现不稳定工作状态，此时爆震波会出现解耦，转变为缓燃波。具体表现为发动机出现交替的爆震波和缓燃波模态工作，严重影响发动机的稳定性。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种爆震燃烧室和爆震发动机，能够加快起爆，并保持爆震波的稳定。

本申请实施例提供了一种爆震燃烧室，爆震燃烧室包括燃烧室本体，所述燃烧室本体内设置有可产生爆震波的环形燃烧腔，所述爆震波沿所述环形燃烧腔的周向传播；

所述环形燃烧腔包括沿其径向方向相对设置的内壁和外壁，所述内壁和所述外壁中的至少一个设置为工作壁面，所述工作壁面设置有朝所述环形燃烧腔内凸伸的阻挡部。

在一示例性实施例中，所述工作壁面局部凸起以形成所述阻挡部。

在一示例性实施例中，所述阻挡部沿所述环形燃烧腔的径向方向的高度为所述环形燃烧腔的径向宽度的0.1至0.5倍。

在一示例性实施例中，所述阻挡部在所述工作壁面上沿周向设置为多个。

在一示例性实施例中，所述内壁和所述外壁均设置为所述工作壁面，所述内壁上的阻挡部与所述外壁上的阻挡部在周向上交错设置。

在一示例性实施例中，所述内壁和所述外壁均设置为所述工作壁面，所述外壁上的阻挡部的数量不少于所述内壁上的阻挡部的数量。

在一示例性实施例中，相邻所述阻挡部之间的周向距离为所述环形燃烧腔的径向宽度的0.8至1.2倍。

在一示例性实施例中，所述阻挡部沿垂直于所述环形燃烧腔轴向的横截面为半圆形、三角形或矩形。

在一示例性实施例中，所述阻挡部为沿所述环形燃烧腔的轴向方向延伸的长条状结构。

在一示例性实施例中，所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向方向的长度，与所述环形燃烧腔的轴向长度相同；或者，所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向的长度，小于所述环形燃烧腔的轴向长度，且所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向的长度等于所述环形燃烧腔内爆震波传播区域的轴向长度。

在一示例性实施例中，所述环形燃烧腔内的爆震波包括沿第一方向传播的第一爆震波和沿第二方向传播的第二爆震波，所述第一方向与所述第二方向均为所述环形燃烧腔的周向且所述第一方向为所述第二方向的反方向；

所述阻挡部相对于所述环形燃烧腔的径向倾斜设置，且沿所述环形燃烧腔的第二方向倾斜延伸，使所述阻挡部对所述第一爆震波的阻力大于对所述第二爆震波的阻力。

本申请实施例还提供了一种爆震发动机，爆震发动机包括前述的爆震燃烧室。

相比于一些技术，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供的爆震燃烧室，在工作壁面上设置阻挡部，增加旋转爆震室的周向湍流度，加快了缓燃波传播速度，快速实现缓燃向爆震转变的过程。阻挡部作为扰流装置可以提高环形燃烧腔内爆震波的稳定性，有效地解决了发动机出现不稳定工作状态、需要再启动的问题，保证了发动机的稳定性。设置阻挡部后，无需采用预爆管的方式起爆，省去了传统的预爆管装置，能有效减小发动机的体积。

本申请实施例提供的爆震发动机，具有前述的爆震燃烧室，工作效率高，燃烧稳定性好，有效地解决了发动机启动失败、燃烧不稳定的问题，提高了爆震发动机的工作可靠性。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例中所述的爆震燃烧室的结构示意图一；

图2为本申请实施例中所述的爆震燃烧室的结构示意图二；

图3为本申请实施例中所述的爆震燃烧室的结构示意图三；

图4为本申请实施例中所述的爆震燃烧室的结构示意图四。

图示说明：

1-燃烧室本体，11-环形燃烧腔，111-燃烧室外环，112-燃烧室内柱，113-内壁，114-外壁，2-阻挡部。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

连续旋转爆震发动机是一种利用爆震燃烧的动力技术。其中，爆震燃烧室为爆震发动机的核心机，燃料混合燃烧的主要空间，连续旋转爆震燃烧室多为一种环缝形式。

爆震(Detonation)：是激波和火焰(化学反应)耦合的燃烧模式，其化学反应速率快、火焰传播快(大于1000m/s)、能够产生极高的压力和温度。爆震波产生极高的燃气压力(大于1.5～5.5MPa)，极高的燃气温度(大于2800K)。

缓燃波(Dflagration)：缓燃燃烧是通过热传导、热扩散及热辐射作用将热量传入未燃混合物，逐层加热、逐层燃烧，进而实现缓燃波的传播。缓燃波的传播速度较低，一般约为几米到十几米每秒。

本申请实施例提供了一种爆震燃烧室，如图1至图4所示，爆震燃烧室包括燃烧室本体1，燃烧室本体1内设置有可产生爆震波的环形燃烧腔11，爆震波沿环形燃烧腔11的周向传播；环形燃烧腔11包括沿其径向方向相对设置的内壁113和外壁114，内壁113和外壁114中的至少一个设置为工作壁面，工作壁面设置有朝环形燃烧腔11内凸伸的阻挡部2。

爆震波在环形燃烧腔11内沿周向传播。环形燃烧腔11的内壁113或外壁114至少一个上设置有阻挡部2，阻挡部2沿径向延伸，起到较小的阻挡爆震波的效果以增加旋转爆震室的周向湍流度，加快缓燃波传播速度，加快缓燃向爆震转变的速度。阻挡部2作为扰流装置可以提高环形燃烧腔11内爆震波的稳定性，有效地解决了发动机出现不稳定工作状态、需要再启动的问题，保证了发动机的稳定性。

应当理解的是，此处的“阻挡部2沿径向延伸”，阻挡部2的延伸方向与环形燃烧室的径向方向之间，也可以有一定的夹角。

此外，设置阻挡部2还可有利于旋转爆震发动机稳定工作：在工作壁面上设置的阻挡部2，会在一定程度上减弱爆震波的速度，但是这种情况是对旋转爆震发动机稳定工作有益的，便于补充燃料以维持爆震波，增加燃料和氧化剂的喷注混合时间，从而增加爆震工况裕度。

爆震燃烧室可以包括燃烧室外环111和燃烧室内柱112，燃烧室外环111套设在燃烧室内柱112外侧，且和燃烧室内柱112同轴设置，以围设出环形燃烧腔11。

在一示例性实施例中，如图1至图4所示，工作壁面局部凸起以形成阻挡部2。

工作壁面直接凸起形成阻挡部2，换言之，阻挡部2与外壁114或内壁113是一体式结构，在制造过程中可以一体成型，无需后期再单独加工制作，在环形燃烧腔11这种高温高压的环境中，确保了阻挡部2的连接可靠性，不会在连接处发生开裂等情况。

并且，环形燃烧腔11的内壁113与外壁114本身就长期承受爆震波和高温火焰的恶劣工况，在外壁114或内壁113上局部凸起形成阻挡部2，阻挡部2材质与外壁114或内壁113相同，能够保证在恶劣工况下长期稳定工作。

在一示例性实施例中，阻挡部2沿环形燃烧腔11的径向方向的高度为环形燃烧腔11的径向宽度的0.1至0.5倍。

阻挡部2沿环形燃烧腔11的径向方向的高度为环形燃烧腔11的径向宽度的0.1至0.5倍，以保证对爆震波起到一定的阻挡作用以增加旋转爆震室的周向湍流度，同时避免对爆震波的传播造成过大阻碍而直接导致爆震波解耦。

在一示例性实施例中，如图1至图4所示，阻挡部2在工作壁面上沿周向设置为多个。

阻挡部2在工作壁面上沿周向设置为多个，以提高周向湍流度的增加效果，同时避免在一处地方对爆震波造成过大的阻碍。

在一示例性实施例中，内壁113和外壁114均设置为工作壁面，内壁113上的阻挡部2与外壁114上的阻挡部2在周向上交错设置。

当内壁113和外壁114均作为工作壁面时，即，在内壁113和外壁114上均设置有阻挡部2时，内壁113上的阻挡部2与外壁114上的阻挡部2在周向上交错设置，以避免内壁113上的阻挡部2与外壁114上的阻挡部2位于同一半径方向上而导致环形燃烧腔11流道横截面积过小，避免对爆震波造成过大的阻碍。

在一示例性实施例中，内壁113和外壁114均设置为工作壁面，外壁114上的阻挡部2的数量不少于内壁113上的阻挡部2的数量。

当内壁113和外壁114均作为工作壁面时，即，在内壁113和外壁114上均设置有阻挡部2时，由于内壁113的周长小于外壁114的周长，因此，为了避免内壁113上相邻阻挡部2之间距离过小，可以将内壁113上的阻挡部2数量设置为少于外壁114上的阻挡部2的数量。

当然，为了保证外壁114上的阻挡部2与内壁113上的阻挡部2相互对应且交错设置，外壁114上的阻挡部2的数量与内壁113上的阻挡部2的数量可以设置为相等。

在一示例性实施例中，相邻阻挡部2之间的周向距离为环形燃烧腔11的径向宽度的0.8至1.2倍。

相邻阻挡部2之间的周向距离为环形燃烧腔11的径向宽度的0.8至1.2倍，如：相邻阻挡部2之间的周向距离可以设置为与环形燃烧腔11的径向宽度相同。

在一示例性实施例中，阻挡部2沿垂直于环形燃烧腔11轴向的横截面为半圆形、三角形或矩形。

阻挡部2的横截面可以设置为多种形式，如：半圆形、三角形或矩形，当然，在某些情况下，横截面也可以为梯形。如图3所示为半圆形的凸起，如图4为三角形的凸起。

在一示例性实施例中，如图1和图2所示，阻挡部2为沿环形燃烧腔11的轴向方向延伸的长条状结构。

阻挡部2的长度方向平行于环形燃烧腔11的轴向方向，保证阻挡部2不会影响轴向气流的流动，轴向气流经过阻挡部2的流动损失几乎为零，同时保证阻挡部2又能对周向传播的火焰(爆震波)产生较大的湍流度，加速缓燃波的速度，快速实现爆震的起爆过程。

在一示例性实施例中，阻挡部2沿环形燃烧腔11轴向方向的长度，与燃烧腔的轴向长度相同；或者，阻挡部2沿环形燃烧腔11轴向的长度，小于环形燃烧腔11的轴向长度，且阻挡部2沿环形燃烧腔11轴向的长度等于环形燃烧腔11内爆震波传播区域的轴向长度。

阻挡部2的轴向长度可以直接设置为与燃烧腔的轴向长度相同，设置方式简答，无需额外考虑阻挡部2的具体长度尺寸设计，无论爆震燃烧室中爆震波位于轴向上何种位置，阻挡部2均可起到良好的增加湍流度的效果。

当然，阻挡部2也可仅设置在环形燃烧腔11轴向上爆震波所产生区域，此时，阻挡部2的长度小于环形燃烧腔11的轴向长度，以减少阻挡部2的轴向尺寸，减少阻挡部2的材料用量，降低爆震燃烧室的制造成本。

在一示例性实施例中，环形燃烧腔11内的爆震波包括沿第一方向传播的第一爆震波和沿第二方向传播的第二爆震波，第一方向与第二方向均为环形燃烧腔11的周向且第一方向为第二方向的反方向；阻挡部2相对于环形燃烧腔11的径向倾斜设置，且沿环形燃烧腔11的第二方向倾斜延伸，如图4所示，使阻挡部2对第一爆震波的阻力大于对第二爆震波的阻力。

在环形燃烧腔11内产生爆震波时，最初会在燃烧室内形成朝两个方向传播的爆震波(即，沿第一方向传播的第一爆震波和沿第二方向传播的第二爆震波)，两爆震波碰撞后，由于波前均为刚燃烧结束的燃烧产物，若填充条件不佳，容易导致爆震波熄灭，从而造成发动机启动失败，甚至在不稳定过程中会出现四波或更多波的模态，影响爆震燃烧室的性能。此外，即便启动成功，爆震波在燃烧室内的传播方向具有很强的随机性，很难进行人为控制。

阻挡部2在沿径向延伸的同时沿第二方向倾斜，使阻挡部2对第一爆震波的阻力大于对第二爆震波的阻力，以抑制沿第一方向传播的第一爆震波，保证第二爆震波的正常传播。

第一方向可以是图3和图4中的逆时针方向，第二方向可以是图3和图4中的顺时针方向。应当理解的是，在实际应用中具体是抑制顺时针方向还是逆时针方向的爆震波，应该根据实际情况进行选择。

本申请实施例还提供了一种爆震发动机，爆震发动机包括前述的爆震燃烧室。

本申请实施例提供的爆震发动机，具有前述的爆震燃烧室，工作效率高，燃烧稳定性好，有效地解决了发动机启动失败、燃烧不稳定的问题，提高了爆震发动机的工作可靠性。

在本申请中的描述中，需要说明的是，“上”、“下”、“一端”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“装配”、“安装”应做广义理解，例如，术语“连接”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申请中的具体含义。

本申请描述的实施例是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的技术方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它技术方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的技术方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种爆震燃烧室，其特征在于，包括燃烧室本体，所述燃烧室本体内设置有可产生爆震波的环形燃烧腔，所述爆震波沿所述环形燃烧腔的周向传播；

所述环形燃烧腔包括沿其径向方向相对设置的内壁和外壁，所述内壁和所述外壁中的至少一个设置为工作壁面，所述工作壁面设置有朝所述环形燃烧腔内凸伸的阻挡部。

2.根据权利要求1所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述工作壁面局部凸起以形成所述阻挡部。

3.根据权利要求2所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述阻挡部沿所述环形燃烧腔的径向方向的高度为所述环形燃烧腔的径向宽度的0.1至0.5倍。

4.根据权利要求2所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述阻挡部在所述工作壁面上沿周向设置为多个。

5.根据权利要求4所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述内壁和所述外壁均设置为所述工作壁面，所述内壁上的阻挡部与所述外壁上的阻挡部在周向上交错设置。

6.根据权利要求4所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述内壁和所述外壁均设置为所述工作壁面，所述外壁上的阻挡部的数量不少于所述内壁上的阻挡部的数量。

7.根据权利要求4所述的爆震燃烧室，其特征在于，相邻所述阻挡部之间的周向距离为所述环形燃烧腔的径向宽度的0.8至1.2倍。

8.根据权利要求1至7中任一所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述阻挡部沿垂直于所述环形燃烧腔轴向的横截面为半圆形、三角形或矩形。

9.根据权利要求1至7中任一所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述阻挡部为沿所述环形燃烧腔的轴向方向延伸的长条状结构。

10.根据权利要求9所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向方向的长度，与所述环形燃烧腔的轴向长度相同；或者，

所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向的长度，小于所述环形燃烧腔的轴向长度，且所述阻挡部沿所述环形燃烧腔轴向的长度等于所述环形燃烧腔内爆震波传播区域的轴向长度。

11.根据权利要求1至7中任一所述的爆震燃烧室，其特征在于，所述环形燃烧腔内的爆震波包括沿第一方向传播的第一爆震波和沿第二方向传播的第二爆震波，所述第一方向与所述第二方向均为所述环形燃烧腔的周向且所述第一方向为所述第二方向的反方向；

所述阻挡部相对于所述环形燃烧腔的径向倾斜设置，且沿所述环形燃烧腔的第二方向倾斜延伸，使所述阻挡部对所述第一爆震波的阻力大于对所述第二爆震波的阻力。

12.一种爆震发动机，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一所述的爆震燃烧室。