一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法

1.本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法。


背景技术：

2.脉冲爆震发动机(pulse detonation engine，简称pde)是一种利用脉冲式爆震波产生推力的动力装置，较之常规基于等压燃烧的动力装置有着独特优势，例如：热效率高、推重比大、油耗率低、结构简单、工作范围宽等，尤其是能分别以吸气式和火箭式两种模态进行工作，具有非常广阔的应用前景。
3.爆震波的高频触发与起爆是脉冲爆震发动机正常工作的核心，爆震起爆通常分为两种方式：直接起爆与间接起爆。直接起爆需要极高的点火能量，实际应用极为困难。间接起爆则是先以较低能量点火产生缓燃，而后通过火焰加速、激波与火焰的相互作用最终实现缓燃向爆震转捩(deflagration to detonation transition，简称ddt)的过程，是一种切实可行的起爆方式。然而，间接起爆通常需要较长的ddt时间和ddt距离，这将直接影响脉冲爆震发动机的整体性能。
4.因此，探索快速短距起爆技术一直以来都是爆震研究的重点和难点，是脉冲爆震发动机应用和基础研究中的关键问题之一。经过多年研究，已经发展出固体扰流促爆、横向射流促爆、射流点火起爆以及激波聚焦起爆等多种起爆方法，但是如何有效缩短ddt时间和ddt距离的问题仍未得到有效地解决。


技术实现要素：

5.通过缓燃向爆震转捩的方式起爆爆震波通常需要较长的ddt时间和ddt距离，这将导致脉冲爆震发动机的频率受限、尺寸增大，进而严重影响脉冲爆震发动机的整体性能。因此，为进一步加快ddt进程，实现快速、短距起爆，本发明提出一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法，采用较低能量点火，通过相应的结构设计和空间布局实现固体扰流、横向射流、激波聚焦等促爆机制和方法的有机结合，能够有效缩短ddt时间和ddt距离，提升脉冲爆震发动机的推进性能。
6.本发明的技术方案为：
7.所述一种脉冲爆震燃烧室结构，沿轴向依次为推力壁、掺混腔和主爆震室；
8.所述掺混腔端部为推力壁，所述掺混腔内具有氧化剂和燃油供给口；
9.所述掺混腔与所述主爆震室之间安装有点火器；
10.所述主爆震室沿轴向依次分为火焰初始发展段、火焰加速段、激波聚焦段、衍射扩张段、稳定传播段；
11.所述火焰加速段中具有与爆震室同轴的中心通道，所述中心通道与爆震室内壁面之间形成环形加速通道；所述中心通道外壁面与爆震室内壁面之间通过若干径向肋板支撑；所述环形加速通道被径向肋板分为若干扇环形加速通道；在每个扇环形加速通道的爆震室壁面上布置有若干射流喷孔；
12.所述中心通道前端与点火器之间为火焰初始发展段；
13.所述激波聚焦段具有收缩的激波聚焦型面；所述衍射扩张段具有渐扩型扩张通道；所述激波聚焦段与所述衍射扩张段之间形成喉道。
14.进一步的，所述掺混腔与所述主爆震室之间布置有点火器安装座，所述点火器安装座通过支杆与爆震室内壁固定连接，点火器安装在点火器安装座上。
15.进一步的，点火器同轴安装在圆盘形点火器安装座上，点火器安装座由3个周向均匀分布的支杆连接固定于爆震室内壁上，点火器安装座的直径在满足点火器安装的前提下尽可能地小。
16.进一步的，所述掺混腔的氧化剂供给口采用所述掺混腔端部的进气阀门实现，进气阀门打开时，实现氧化剂供给，进气阀门关闭时，充当推力壁。
17.进一步的，掺混腔的内径与主爆震室的内径d1相等，掺混腔的轴向长度与d1之比不小于1；在掺混腔的前半段壁面上安装有周向均布的若干燃油喷嘴。
18.进一步的，所述中心通道的轴向长度l2与d1之比不小于4/3；中心通道前方火焰初始发展段的轴向长度l1与d1之比大于0.5以使火焰径向发展，中心通道后端与激波聚焦段前端的轴向距离l3与d1之比小于0.25。
19.进一步的，所述中心通道直径d2与主爆震室直径d1之比为0.45～0.55。
20.进一步的，若干周向均匀分布的径向肋板将中心通道固定，且将环形加速通道分割为若干周向均匀分布的扇环形加速通道；每个扇环形加速通道相应的爆震室壁面上布置两排轴向分布的射流喷孔，两排射流喷孔之间的排布夹角为相邻径向肋板间夹角的1/3。
21.进一步的，激波聚焦段的收缩角度为α＞60
°
，衍射扩张段的轴向长度与主爆震室直径d1之比大于0.5以便于所触发爆震波的顺利过渡，激波聚焦段与衍射扩张段相邻，且其共同构成的喉道直径d3与中心通道直径d2相等。
22.一种脉冲爆震燃烧室结构的起爆方法，包括以下步骤：
23.步骤1：开启氧化剂供给口向掺混腔以及主爆震室内供入氧化剂，然后打开燃油供给口向掺混腔内喷注燃料，燃油喷雾与氧化剂在掺混腔内进行混合并向下游填充，待可燃混气填充完毕时关闭燃油与氧化剂供给口；
24.步骤2：通过射流喷孔向扇环形加速通道引入射流工质，对扇环形加速通道内的流场产生扰动以提升通道内的湍流强度，为后续火焰在扇环形加速通道内的加速奠定基础，并触发点火器产生初始火焰；
25.步骤3：传播速度较慢的半球形初始火焰不断发展先后进入中心通道以及各个扇环形加速通道内，扇环形加速通道内的火焰在射流以及涡团的作用下不断加速并产生较强的前导激波，火焰锋面与前导激波之间的距离不断缩短，为激波聚焦奠定有利基础；中心通道内的火焰产生弱压缩波使得激波聚焦段内可燃混气的温度和压力持续升高，改善了可燃混气的性质，有利于传出加速通道后的火焰的加速以防止火焰与衍射前导激波之间距离的增大；
26.步骤4：强度较高的前导激波传出加速通道后，靠近主爆震室壁面的一侧继续向前传播，远离主爆震室壁面的一侧向主爆震室中心衍射；向前传播的前导激波传播至激波聚焦段时在激波聚焦型面上不断叠加，局部压力和温度迅速升高，火焰急剧加速并与前导激波耦合触发局部爆震，该局部爆震沿着激波聚焦型面不断发展；
27.衍射的前导激波在主爆震室中心聚焦增强并产生热点，随后也触发局部爆震；该局部爆震不断发展，最终会形成爆震波面向下游传播进入扩张通道发生衍射。由于衍射扩张段的轴向长度与主爆震室直径d1之比大于0.5，形成的坡度较缓的渐扩型扩张通道使得爆震波的峰值压力略有下降但并不解耦，从而在主爆震室的稳定传播段形成稳定传播的平面爆震波。
28.有益效果
29.通常，采用较低能量点火的方式触发爆震往往需要较长的ddt时间和ddt距离，较长的ddt时间将导致脉冲爆震发动机的频率受限，不易得到稳定的推力，较长的ddt距离将导致脉冲爆震发动机的轴向尺寸增大，排气时间增长，进气道的压力脉动更加明显，不利于脉冲爆震发动机的持续稳定工作，这些都将直接影响脉冲爆震发动机的推进性能。本发明能有效改善上述问题。
30.本发明提出的一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法，能够在低能量点火的前提下，通过固体扰流、横向射流、激波聚焦等促爆机制和方法的有机结合，强化湍流、激波与火焰的相互作用，有效促进火焰加速，进而加快ddt进程。加速通道内横向射流促进火焰加速并形成足够强度的前导激波是实现激波聚焦的重要前提，通过激波聚焦产生的热点则是成功触发爆震的关键。本发明通过将两种机制结合，能够有效缩短ddt进程。
31.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
33.图1：本发明的整体结构示意图；
34.其中：1进气阀门/推力壁；2主爆震室；3支杆；4点火器安装座；5射流喷孔；6中心通道壁面；7燃油喷嘴；8点火器；9肋板；10激波聚焦段型面；11衍射扩张段型面。
35.图2：本发明的二维结构示意图；
36.其中：
①
火焰初始发展段；
②
火焰加速段；
③
激波聚焦段；
④
衍射扩张段；
⑤
稳定传播段。
37.图3：本发明的起爆原理示意图。
38.图4及图5：为本发明脉冲爆震燃烧室结构成功起爆的部分时刻的压力、温度云图。
39.图6：没有激波聚焦型面时部分时刻的压力、温度云图。
40.图7：没有射流喷射时部分时刻的压力、温度云图。
41.图8：l2/d1＝1时部分时刻的压力、温度云图。
42.图9：d2/d1＝0.4时部分时刻的压力、温度云图。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.如图1所示，本实施例中的脉冲爆震燃烧室结构，包括进气阀门、主爆震室、燃油喷
嘴、射流喷孔、点火器安装座以及点火器；进气阀门为旋转阀门，位于掺混腔前的端面上，阀门开启时向掺混腔内供入氧化剂，阀门关闭时则充当推力壁；燃料通过掺混腔内周向均匀分布的燃油喷嘴进行喷注；燃油喷雾与氧化剂的混合主要发生在掺混腔内；气体通过各扇环形加速通道相应主爆震室壁面上的射流喷孔喷入并形成横向射流；通过主爆震室头部中心位置的点火器进行点火；主爆震室的右端为出口，与外界相通。
45.为提升燃料与氧化剂的掺混质量，在主爆震室之前设置掺混腔，3个燃油喷嘴周向均匀分布在掺混腔的内壁面上向掺混腔内提供燃料，燃油喷雾形成之后与从进气阀门供入的氧化剂进行掺混并向后填充。连接点火器安装座以及主爆震室壁面的支杆也将对掺混气流造成扰动，能够在一定程度上再次促进燃料与氧化剂掺混的均匀程度。
46.根据主爆震室不同轴向位置处的燃烧状态以及各个结构对燃烧所起到的作用将主爆震室沿轴向依次分为火焰初始发展段、火焰加速段、激波聚焦段、衍射扩张段以及稳定传播段。火焰传播速度的快速提升主要发生在火焰加速段，爆震起爆则是主要发生在激波聚焦段。
47.中心通道以及(扇)环形加速通道是火焰加速段的主要特征，环形加速通道被6个周向均匀分布的肋板分割为6个周向均匀分布的扇环形加速通道，且每个扇环形加速通道相应的主爆震室壁面上均轴向布置两排射流喷孔。两排射流喷孔的周向夹角为20
°
，首个射流位置距离中心通道左端的距离以及射流之间的轴向间距均与扇环形加速通道的径向尺寸h相等。横向射流的喷射介质为化学恰当比的h2/air，射流喷孔所形成的横向射流对扇环形加速通道内的扰动是相应通道内火焰加速的主要因素。
48.上述脉冲爆震燃烧室结构的起爆方法为：
49.开启进气阀门向掺混腔以及主爆震室内供入氧化剂，然后打开燃油喷嘴向掺混腔内喷注燃料，燃油喷雾与氧化剂在掺混腔内进行混合并向下游填充，待可燃混气填充至整个主爆震室时关闭燃油喷嘴和进气阀门，关闭后的进气阀门将充当推力壁的作用。
50.开启射流喷孔引入气体射流并触发点火形成传播速度较慢的初始火焰，如图3(a)所示。射流开启后将不断发展并对扇环形加速通道内的流场造成扰动，加速通道内的湍流强度不断升高，为后期该通道内的火焰加速奠定基础。未受扰动的初始层流火焰传播速度较慢并呈半球形，因此火焰进入中心通道内的时刻要早于火焰传播进入加速通道内的时刻。
51.气体射流喷入扇环形加速通道内将会形成大量各种尺度的涡团，这些涡团将会有效促进燃烧过程中的传热、传质，促使燃烧强度迅速提升，并且横向射流与火焰的直接相互作用将有效促进火焰的拉伸、卷曲，火焰锋面的增大也将有利于火焰速度的提升。因此，前期落后于中心通道内火焰的扇环形通道的火焰加速更快，扇环形通道内火焰与中心通道内火焰的轴向距离不断缩短。中心通道内的火焰也将不断产生弱压缩波使激波聚焦腔内可燃混气的温度和压力持续升高，改善了可燃混气的性质，有利于传出加速通道后的火焰的加速以防止火焰与衍射前导激波之间距离的增大，为衍射激波在中轴线上聚焦触发局部爆震奠定基础。
52.由于扇环形加速通道内的火焰传播速度更快，故其产生的压缩波不断叠加能够形成更强的前导激波，前导激波使得未燃混气的温度和压力升高，反过来又促进了扇环形加速通道内火焰的加速。因此，扇环形加速通道内的火焰锋面与前导激波之间的距离不断缩
短，并在即将传出扇环形加速通道之前形成高能火焰射流，为激波聚焦奠定有利基础。
53.强度较高的前导激波传出加速通道后，靠近主爆震室壁面的一侧继续向前传播并在激波聚焦型面发生激波聚焦，产生局部爆震，局部爆震将沿激波聚焦型面不断发展，如图3(c)所示。远离主爆震室壁面的一侧由于没有壁面限制而向主爆震室中心衍射，中心通道内传播而来的弱压缩波将与这部分远离主爆震室壁面向主爆震室中心发展的火焰射流以及衍射激波相互作用，前导激波相互叠加，火焰射流强度增大。衍射激波将在主爆震室中心聚焦增强产生热点，随后触发局部爆震。
54.激波聚焦作用一般可以由激波与型面相互作用、激波与激波相互作用等方式进行，此处两种激波聚焦方式均存在。由相应的计算结果可知，激波聚焦作用将以两种方式在两处发生。第一处：向前传播的前导激波在激波聚焦型面叠加聚焦并在此处触发局部爆震；第二处：衍射的前导激波在主爆震室中心位置碰撞聚焦产生高压点，进而生成局部爆震。因此，局部爆震将由向前传播的前导激波以及衍射的前导激波分别触发。
55.随着局部爆震的迅速发展，很快形成半球形的爆震波面，如图3(d)所示。爆震波面向下游传播进入衍射扩张段的渐扩通道内发生衍射，爆震波的峰值压力在渐扩通道内虽然略有下降，但是得益于渐扩型通道的扩张比较小，爆震波能够相对稳定的传播而不解耦，最终在主爆震室的稳定传播段迅速形成平面爆震波，如图3(e)所示。
56.为更好地说明本发明中所提到的一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法的技术效果，在此提供部分具体实例数据。主爆震室预先填充的可燃混气和横向射流的喷射介质均为化学恰当比的h2/air，初始条件设为常温常压，采用高温区域进行点火。实例如下：
57.图4、图5所示为使用本发明中所提到的脉冲爆震燃烧室结构成功起爆的部分时刻的压力、温度云图。其结构参数符合本发明所提限定结构参数范围。可以看出，图中所示起爆过程与本技术中的描述一致。加速通道内的火焰在横向射流的作用下可以产生较强的前导激波，前导激波传出加速通道后能够在激波聚焦型面以及主爆震室中心位置聚焦产生局部热点，局部热点迅速发展成为全局爆震，爆震波在扩张段内可以稳定传播而不解耦并继续向下游传播。
58.图6所示为将激波聚焦型面移除并将该部分改为直管时部分时刻的压力、温度云图。如图所示，加速通道内的火焰在横向射流的作用下同样可以产生较强的前导激波，但是由于没有激波聚焦型面的限制，从加速通道内传出的前导激波迅速发生衍射衰减，压力峰值迅速降低，并且前导激波与火焰之间的距离逐渐增大，致使起爆失败。此实例不仅说明激波聚焦型面在整个起爆过程中的关键作用，并且还表明l3较长或者角度α较小将会对起爆产生不利影响。
59.图7所示为加速通道内没有气体射流喷射时部分时刻的压力、温度云图。如图所示，由于加速通道内没有气体射流的喷入，导致火焰在加速通道内传播速度的提升较为缓慢，故而不能产生足够强度的前导激波，这将直接导致激波聚焦以及爆震起爆的失败。较弱的压缩波在激波聚焦型面上的碰撞聚焦虽然使得当地温度和压力再次上升，但是不足以产生足够强度的热点。实例表明，火焰在加速通道内传播速度的快速提升以及由此而产生的强度较高的前导激波是激波聚焦起爆的重要前提，而气体射流的喷入能够有效提升加速通道内火焰的传播速度。
60.图8所示为结构参数l2/d1＝1时部分时刻的压力、温度云图。该案例所用结构的l2
与d1之比小于4/3，不满足本发明对该参数的要求。l2/d1的减小导致加速通道的缩短，较短的加速通道不足以使火焰速度大幅提升，从而导致加速通道内不能形成足够强度的前导激波，并且火焰与前导激波之间仍然存在一定的距离。前导激波在激波聚焦型面聚焦所形成局部高压迅速衰减，并且向上游反射的压力波导致传出加速通道的火焰的速度有所减小，这进一步增大了起爆难度。进入扩张通道内的火焰与前导激波的距离持续增大，起爆失败。
61.图9所示为结构参数d2/d1＝0.4时部分时刻的压力、温度云图。该案例所用结构的d2与d1之比不满足专利申请书中对该参数的要求。d2/d1的减小直接导致扇环形加速通道的高度h增大，这将直接削弱气体射流提升加速通道内火焰速度的效果，并且相关研究表明火焰在相对狭小的通道内的加速效果更加显著，因此h的增大导致火焰在加速通道内速度的提升有限，且其所形成的前导激波强度较弱，从而导致激波聚焦以及爆震起爆的失败。
62.而d2/d1过大，会使h减小，导致气体射流对加速通道的扰动变强，同时所形成的阻塞作用也就越强，所喷入的气体射流将会推动加速通道内的可燃混气向两边传播，向前传播的可燃混气将不利于初始火焰传播进入加速通道，最终影响整个激波聚焦起爆过程。
63.综上所述，针对本发明中所提出的一种脉冲爆震燃烧室结构，申请人通过系统而深入的研究与分析，获得了该结构下的起爆边界，即能够成功起爆爆震波的结构参数范围。通过合理地设计该结构的相关参数，能够取得较为优越的起爆性能。但如果参数选择不合适，则无法必然生成爆震波。本专利所提出的一种脉冲爆震燃烧室结构及其起爆方法，将射流促进火焰加速以及激波聚焦起爆等相关机制进行了紧密结合，横向射流促进火焰速度的有效提升及其所产生的较强的前导激波是实现激波聚焦的重要前提，而激波聚焦则是实现短距起爆的关键，通过合理地结构设计能够有效促进ddt进程的加速。
64.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。