CN101718226B - 发动机无间歇爆轰转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机无间歇爆轰转子。它为一绕轴线转动的轮盘，包括转盘体和前后底板。转盘体中心有预混燃料入口，中间有燃烧环管，两者之间有进气支路管道沟通，接口处有单向阀；燃烧环管内有绕射障碍体将其分割成若干割区，并设点火器件，燃烧环管到转盘体外缘之间有出气燃烧管道。本发明极大的简化了发动机结构，克服了连续点火的困难，极大的加强了燃烧所提供动力的频率，提高了输出力矩的平滑性，降低成本提高效率，同时在爆轰燃烧状态下，可以获得燃烧效率的极大化。本发明可以应用在电力、动力或航空航天等领域。

Description

发动机无间歇爆轰转子

技术领域：

本发明涉及一种热力发动机转子，尤其是一种利用预混燃料的爆燃或者爆轰燃烧过程进行连续做功的发动机无间歇爆轰转子。它可以应用在电力、动力或航空航天领域。

背景技术：

本发明源于传统发动机技术的再思考和现代发动机技术原理的研讨。

一般认为发动机发展大致经历了两个大的历史阶段，第一阶段就是在1950年以前，主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后，涡轮发动机迅猛发展，一直占据着霸主地位，它有很多的变种，如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，但其核心技术都是压气机-涡轮组合，即燃气轮机。

很早就有人提出，涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢？因为人类所发明的热机到目前为止，绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。

对此，目前也出现了很多新的机种，如脉冲爆震发动机、冲压发动机等，这是主要的几个研究方向，也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段。脉冲爆震发动机噪声巨大，工作频率就明显跟不上去。工作频率就是指爆震燃烧频率，要100赫兹左右才能够产生足够的比冲，如果到不了这个频率，比冲不够，与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面，排气、进气一秒钟来回一百多次，而且还没有一个活塞把气体推出去，只靠膨胀过程来填充、***，再填充、再***，这本身是非常困难的。

许多的研究人员都为改善这些状况作出了努力，具体可以体现在他们发表的专利中，如US 4741154(1988)，他们提出旋转爆轰引擎的概念，但对如何解决爆震燃烧频率和点火及DDT过程(爆燃到爆轰转换(Deflagration to Detonation Transition))都进行了回避；CN 100507253C(2007)是西北工业大学的工作，他们将多个爆轰管相邻的连接在轮轱的边缘，爆轰管之间存在垂向的联通管道用以传递燃烧，他们的思想非常好，只是结构复杂，而且该设计回避了进气等问题，具体实施可能存在困难；目前研究较多的是旋转阀门多管式设计如GE的US7228683B2(2007)，US 6983586B2(2006)等等，但这种设计存在其明显的缺憾，由其工作频率低造成的偏向振动会导致噪音和不稳定。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种发动机无间歇爆轰转子。本发明开发了新的发动机转子结构，解决了连续点火的问题，改善了燃烧所提功率的持续稳定和平滑性，在节约成本的同时提高了效能，可以在爆轰燃烧状态下，获得燃烧效率的极大化，也改变了爆轰发动机对DDT过程困难的长期困扰景况。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有轮盘体。

轮盘体作为转子的核心部件，为各管道的载体，它可以是一体化制造的，也可以是拼接或者是片状结构叠合而成的。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有前后底板。

前后底板是各管道的封闭体，同时对轮盘体形成支持作用。前后底板的形状可以多种多样，也可以是一些功能构件，如轴、涡轮、涡扇等。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有预混燃料入口。

预混燃料入口提供了稳定的预混燃料来源，保障工作介质的存在，同时预混燃料是预加压的，预混燃料可以是气体或者气雾或者气粉形态，其化学成分配比能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有进气支路管道。

进气支路管道提供了将由预混燃料入口进入的预混燃料分流，进气支路管道的下游设置单向阀门，预混燃料通过单向阀门被导向不同的燃烧环管管段。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有燃烧环管。

燃烧环管为圆环管道或者规则多边形状管道，内设绕射障碍体将燃烧环管不完全均匀分割，向外连接出气燃烧管道，同时设置至少一个的点火器件或者点火方式来启动燃烧环管内的预混燃料燃烧。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有单向阀门。

单向阀门控制预混燃料流向燃烧环管，其开启可以由主动操控或者被动由进气支路管道与燃烧环管压差控制。通常情况下，进气支路管道的压力p_支大于未燃燃烧环管管段内的压力p_{燃管-未燃}和单向阀门的压力损失p_阀-损失之和，同时还要满足补充燃料的要求，因此应该满足以下关系：

p_支＞p_{燃管-未燃}+p_阀-损失+mv²/2，

其中m为填充燃烧环管及部分出气燃烧管道的预混燃料质量，v是燃料填充的平均速度。当然，p_支也不可以太大，当燃烧环管在发生燃烧的时候，必须要求燃烧环管内的压力可以将单向阀门关闭。另外，v是一个需要特别注意的量，因为这里牵涉到燃料填充和燃烧接力之间时间竞赛的问题。这里有几个时间，燃烧环管内燃烧周期时间t_燃管，燃烧产物排出检验至单向阀门开启需要的时间使时间t_排气减压，充气时间t_充气，因此必须有

t_充气＜t_燃管/n-t_排气减压，

其中n为燃烧环管被分隔区间的数目，所以t_充气这个时间可能非常的短，尤其当爆燃波在以约2000m/s的高速在燃烧环管内传播的时候，对直径小的发动机，要求的充气速度v非常的快，肯定会带来技术上的困难，不过这也是本发明的重要优点之一所在，与一般的爆轰发动机相比，我们的转子几乎不存在频率的限制，这是为何本发明被称作为无间歇爆轰转子的原因。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有点火器件或者点火方式。

点火器件或者点火方式是包括激光点火、火花点火、声波点火、激波点火、电火花点火等可以在燃烧环管产生燃烧的设置。点火器件在本发明中的主要作用是启动燃烧，不需要频繁的点火，如在一次正常的运行过程中，通常只需要一次点火。一般也只设置一个点火器件。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有绕射障碍体。

绕射障碍体固定在燃烧环管的壁面上，其大小不足以完全封闭燃烧环管，保障燃烧在分割区的强度不被过多削弱的同时保证爆轰波或者爆燃波在燃烧环管不同分割区间的连续接力。绕射体的设计因尽量减少动力的损失，可以将迎波面设计得比较平滑，绕射面设计得比较陡峭，如椭圆内凹的聚波结构。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，具有出气燃烧管道。

出气燃烧管道与燃烧环管一起形成向外旋出的弧形管道，管道尾端开口于轮盘体的边缘或者外侧，其形状可以有特殊的设计，如收缩或者扩张或者先收缩后扩张等。

本发明的发动机无间歇爆轰转子，各管道(不包含燃烧环管)、阀门、障碍体均绕旋转轴线均匀对应分布，数量在两组以上。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种发动机无间歇爆轰转子，为一绕轴线转动的轮盘，包括轮盘体和与轮盘体前后侧面贴合的前后底板；轮盘体和前后底板有中心孔构成预混燃料入口，轮盘体中间有一个燃烧环管，与预混燃料入口之间有进气支路管道沟通，两者接口处装有单向阀门；燃烧环管内设有若干绕射障碍体，将燃烧环管分割成若干割区；燃烧环管内装有点火器件；燃烧环管到轮盘体外缘之间有出气燃烧管道。

上述进气支路管道、绕射障碍体、单向阀门数量相同，沿周向均布，数量不少于2组。

上述燃烧环管为圆环管道或者正多边形管道。

上述绕射障碍体固定在所述燃烧环管的壁面上，其大小不足以完全封闭燃烧环管，相邻分割区之间留有有效间隙，并保证分割区的空腔不被过多缩小。

上述出气燃烧管道与燃烧环管一起形成向外旋出的弧形管道，该管道尾端开口于轮盘体的边缘或向外侧向后底板。

上述点火器件为激光点火器、或火花点火器、或声波点火器、或激波点火器、或电火花点火器、或射流点火器，设置在能在燃烧环管产生燃烧之处。

上述预混燃料，其化学成分配比为能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧的气体、或气雾、或气粉形态燃料。

上述预混燃料在预混燃料入口处应有预加压力以保证燃料的供给。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明的发动机无间歇爆轰转子，是一种利用预混燃料的爆轰或者爆燃燃烧过程进行连续做功的发动机重要构件，预混燃料燃烧的连续接力是爆轰波或者爆燃波在燃烧环管内通过绕射障碍体边缘实现绕射得以实现的。当预混燃料处在爆轰燃烧工作状态下，可以获得燃烧效率的极大化。

本发明有效的减小了排气时间，即排气过程和充气过程大部重叠，改善了燃烧的频率对单纯依赖靠膨胀过程排气的状况。

本发明融合了对传统冲程发动机结构和燃烧过程的批判及现代科学对爆轰发动机的研究成果，极大的简化了发动机结构，弱化了连续点火的困难，极大的加强了燃烧所提供动力的频率，提高了输出力矩的平滑性，降低成本提高效率，同时在爆轰燃烧状态下，可以获得燃烧效率的极大化。

本发明还改善了爆轰发动机内燃烧从爆燃到爆轰转换(Deflagration to Detonation Transition(DDT过程))对燃烧管长度尺度和频繁点火的要求，为爆轰燃烧动力小型化提供可行方法。

本发明可以应用在电力、动力或航空航天等领域。

附图说明：

图1发动机无间歇爆轰转子结构示意图。

图2是图1中o-A-B处剖面图。

图3无间歇爆轰转子结构示意图。

图4无间歇爆轰转子和涡轮组合发动机转子结构示意图。

图5并联N组无间歇爆轰转子或者并联无间歇爆轰转子和涡轮组合协同工作示意图。

具体实施方式：

实施例一：本发明的优选实施例结合附图详述如下：参见图1和图2，本发动机无间歇爆轰转子为一绕轴线转动的轮盘，包括轮盘体1和与轮盘体前后侧面贴合的前后底板9、10。所述轮盘体1和前后底板9、10有中心孔构成预混燃料入口8；所述轮盘体1中间有一个燃烧环管5，与所述预混燃料入口8之间有进气支路管道2沟通，两者接口处装有单向阀门6；所述燃烧环管5内设有若干绕射障碍体3，将燃烧环管5分割成若干割区；燃烧环管5内装有点火器件4；所述燃烧环管5到轮盘体1外缘之间有出气燃烧管道7。点火器件或者点火方式4点燃燃烧环管5内的预混燃料，燃烧火焰和燃烧波通过两种途径传播，一种是向出气燃烧管道7运动；另一种是在绕射障碍体3边缘发生绕射及在绕射障碍体3边缘附近的燃烧环管5壁面发送反射将燃烧火焰和燃烧波引向下一个燃烧环管5内由绕射障碍体3分割的未燃区域。燃烧火焰和燃烧波在出气燃烧管道7中运动并最终在轮盘体1边缘高速喷出为发动机无间歇爆轰转子转动提供转矩和动力；燃烧火焰和燃烧波在绕射障碍体3边缘的绕射和反射使得燃烧得以维持，频繁的点火和DDT过程的困难被化解，也使得转子平稳的连续无间歇做功过程得以实现。

实施例二：参见图1、图2和图3，本实施例与实施例一相同，特别之处是：前后底板9和10的形状发生改变，底板9和底板10的肩部被作为转动轴通过轴承或轴瓦安装在基座11上。这个结构可以直接作为发动机的一种实现形式。

实施例三：参见图1、图2和图4，本实施例与实施例一相同，特别之处是：出气燃烧管道7的形状变为燃烧气流略向后倾斜的设计，而底板10被涡轮结构12所替代。出气燃烧管道7喷出的高速气流经由涡轮结构12，也会产生动力，从而加强转子的运动。所以这个结构可以作为发动机转子的一种实现形式。

实施例四：参见图4、图1、图2和图5，可以将案例一或者案例三所示的结构并联，或者将案例一和案例三所示的结构并联，以实现动力的倍增，模块的尺寸和组合可以比较灵活。这个结构是发动机转子的一种有效的实现形式。

Claims (7)

1.一种发动机无间歇爆轰转子，为一绕轴线转动的轮盘，包括轮盘体(1)和与轮盘体前后侧面贴合的前后底板(9、10)，其特征在于：

1)所述轮盘体(1)和前后底板(9、10)有中心孔构成预混燃料入口(8)；

2)所述轮盘体(1)中间有一个燃烧环管(5)，与所述预混燃料入口(8)之间有进气支路管道(2)沟通，所述进气支路管道(2)和燃烧环管(5)的接口处装有单向阀门(6)；

3)所述燃烧环管(5)内设有若干绕射障碍体(3)，将燃烧环管(5)分割成若干分割区；燃烧环管(5)内装有点火器件(4)；所述绕射障碍体(3)固定在所述燃烧环管(5)的壁面上，其大小不足以完全封闭燃烧环管(5)，相邻分割区之间留有有效间隙，并保证分割区的空腔不被过多缩小；

4)所述燃烧环管(5)到轮盘体(1)外缘之间有出气燃烧管道(7)。

2.根据权利要求1所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述进气支路管道(2)、绕射障碍体(3)、单向阀门(6)数量相同，沿周向均布，数量不少于2组。

3.根据权利要求1所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述燃烧环管(5)为圆环管道或者正多边形管道。

4.根据权利要求1所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述出气燃烧管道(7)与燃烧环管(5)一起形成向外旋出的弧形管道，该弧形管道尾端开口于轮盘体(1)的边缘。

5.根据权利要求1所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述点火器件(4)为激光点火器、或火花点火器、或声波点火器、或射流点火器，设置在能在燃烧环管(5)产生燃烧之处。

6.根据权利要求1所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述预混燃料，其化学成分配比为能够满足产生爆轰或者爆燃燃烧的气体、或气雾、或气粉形态燃料。

7.根据权利要求6所述的发动机无间歇爆轰转子，其特征在于所述预混燃料在预混燃料入口(8)处应有预加压力以保证燃料的供给。

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