CN110259601B - 一种脉冲爆震发动机爆震室结构及起爆方法 - Google Patents

一种脉冲爆震发动机爆震室结构及起爆方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种脉冲爆震发动机燃烧室结构及起爆方法，通过在嵌入主爆震室的射流管尾部侧向开孔，在射流头部采用火花塞点火，携带大量活性基团的热射流从射流管尾部侧孔和右端出口进入主爆震室，使得初始点火能量显著放大，同时射流管尾部开孔的结构又实现了多点火源点火，既有利于激波间的相互碰撞、叠加、火焰前端激波强度的增强，又增大了点火面积，进而使得爆震波在较短的距离内产生。本发明极大地缩短了主爆震室中DDT距离，提高了脉冲爆震发动机的工作频率。

Description

一种脉冲爆震发动机爆震室结构及起爆方法
技术领域
本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，特别涉及一种新型脉冲爆震发动机燃烧室结构及起爆方法。
背景技术
脉冲爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新概念推进***，与传统发动机中的爆燃燃烧相比，爆震燃烧模式具有更高的热效率(49％)、更快的燃烧速率(2000m/s)。除此以外，脉冲爆震发动机飞行范围宽广(0～5Ma)、结构简单、燃料消耗率更低、推力大，是未来先进航空航天飞行器的理想动力之一。
生成爆震波是脉冲爆震发动机的内在本质，因此爆震波的触发是脉冲爆震发动机的关键技术所在。通常，脉冲爆震发动机的起爆有两种方法：直接起爆和间接起爆。
而通过高能量强点火模式的爆震波直接起爆在工程上目前还难以实现，因为大部分的碳氢燃料和空气混合物直接起爆需要的能量很高。工程上可行的方法是间接起爆：通过低能量的点火源首先产生缓燃波，然后通过火焰加速、激波和火焰的相互作用最终实现缓燃向爆震的转变(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)。以往的脉冲爆震发动机的起爆中一般采用火花塞点火，但是由于火花塞本身的限制，其点火能量较小且点火延迟时间较大，导致DDT的距离较长，较长的DDT距离会降低发动机工作频率，进而影响了脉冲爆震发动机的性能。
发明内容
缓燃向爆震转变(DDT)过程的长短决定了爆震室的长度，因此在很大程度上影响了脉冲爆震发动机的频率。为了进一步缩短DDT距离实现脉冲爆震发动机的短距快速起爆，本发明提供了一种新型脉冲爆震发动机燃烧室结构及起爆方法，通过在嵌入主爆震室的射流管尾部侧向开孔，在射流头部采用火花塞点火，携带大量活性基团的热射流从射流管尾部侧孔和右端出口进入主爆震室，使得初始点火能量显著放大，同时射流管尾部开孔的结构又实现了多点火源点火，既有利于激波间的相互碰撞、叠加、火焰前端激波强度的增强，又增大了点火面积，进而使得爆震波在较短的距离内产生。本发明极大地缩短了主爆震室中DDT距离，提高了脉冲爆震发动机的工作频率。
本发明的技术方案为：
所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：包括主爆震室和射流管；所述射流管的开口端从主爆震室的封闭端嵌入主爆震室中；
所述射流管处于主爆震室外部的壁面上安装有进气阀门、火花塞和燃油喷嘴；所述射流管处于主爆震室内部的壁面上开有两列侧孔，射流管通过端部开口以及两列侧孔与主爆震室相通；
所述主爆震室的壁面上安装有进气阀门和燃油喷嘴。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：主爆震室和射流管均为圆管；主爆震室和射流管的轴线相互平行；射流管壁面上的每列侧孔由处于同一轴向位置且沿射流管周向均布的若干侧孔组成。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：射流管壁面上的两列侧孔将处于主爆震室内部的射流管分为轴向长度相等的3段。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：处于主爆震室内部的3段射流管的长度n与射流管的直径d比值为1.2～1.5。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：射流管壁面上的两列侧孔孔径m与射流管的直径d的比值为0.2～0.4。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：处于主爆震室外部的射流管轴向长度L大于主爆震室直径D；射流管直径d与主爆震室直径D的比值为1/4～1/3。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：所述射流管在封闭端上安装有单个进气阀门，所述主爆震室封闭端上在射流管周围安装有多个进气阀门，多个阀门能够同时打开或关闭。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：在射流管管壁上距离射流管封闭端1.5d的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴；在主爆震室管壁上距离主爆震室封闭端1.5D的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴。
所述一种脉冲爆震发动机爆震室的起爆方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：打开主爆震室和射流管的进气阀门和燃油喷嘴，向主爆震室和射流管中填充燃料和空气；
步骤2：在射流管封闭端点火，形成的火焰热射流从射流管的两列侧孔和开口端进入主爆震室；
其中从第一列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波向主爆震室两端传播，其中向主爆震室封闭端传播的激波在衰减前到达主爆震室封闭端并产生反射激波，该反射激波与向主爆震室开口端传播的激波叠加，形成第一类高温高压点；
从第二列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第二类高温高压点，并与第一类高温高压点融合为一个较大的高温高压区；
从射流管开口端进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第三类高温高压点，并与所述较大的高温高压区叠加融合为一个更大的高温高压区，在所述更大的高温高压区内形成爆震波。
有益效果
本发明提出了一种新型脉冲爆震发动机燃烧室结构及起爆方法，其增益效果如下：通常，低能量点火由于点火能量较小，爆燃向爆震转变的距离较长，这会严重限制脉冲爆震发动机的频率，并一步影响其相关性能。对于吸气式脉冲爆震发动机来说，DDT距离较大会导致发动机进气道出现较大的压力脉动，进一步影响发动机工作稳定性。这是因为吸气式脉冲爆震发动机存在压力前传的问题，而较长的DDT距离需要较长的排气时间，爆震波传出爆震室后，发动机尾部产生的膨胀波束来不及追上前传的压力波并削弱其压力，使得反传燃气一直传入进气道。本发明能有效改善上述问题。
本发明将射流管部分嵌入主爆震室中，充分发挥射流点火可以将初始点火能量放大及活性基团加速反应的优势，同时射流管尾部开孔的结构又实现了多点火源点火，既有利于激波间的相互碰撞、叠加、火焰前端激波强度的增强，又增大了点火面积。因此，相比于普通点火，爆震波会在更短的距离内产生，这样，爆震室的长度进一步缩短，发动机的工作频率进一步提高。另外，对于吸气式脉冲爆震发动机，如上所述，缩短了爆震室后，发动机内的排气负担减小，使得发动机出口产生的膨胀波束能够更快地赶上前传的压力波，减小进气道内的压力扰动，在提升发动机工作稳定性的同时获得更好的推进性能。
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
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：
图1：本发明的二维物理模型图；
图2：起爆原理数值模拟纹影图；
其中：(1)火花塞点火、(2)火焰在射流管中加速燃烧、(3)热射流从第一列侧孔中喷出进入主爆震室、(4)从第一列侧孔出来的热射流与主爆震室壁面碰撞生成反射激波、(5)反射激波与向右传播的激波碰撞叠加在靠近壁面处产生第一类高温高压点、(6)从第二列侧孔喷出的射流前端的激波与右传的激波碰撞叠加产生第二类高温高压点、(7)两个高温高压点汇聚融合为一个稍大的高温高压区、(8)从射流管尾部出来的射流前端的激波与右传的激波再次碰撞叠加产生第三类高温高压点、(9)第三类高温高压点与前面生成的稍大的高温高温高压区汇聚融合为一个更大的高温高压区、(10)在更大的高温高压区的作用下生成稳定的平面爆震波。
图中1——火花塞；2——部分嵌入主爆震室的射流管；3——主爆震室；4——射流管侧孔；5——进气阀门；6——燃油喷嘴；7——射流管右端出口。
具体实施方式
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。
如图1所示，本实施例中的脉冲爆震发动机爆震室结构包括主爆震室和射流管；主爆震室和射流管均为一端开口的圆管，主爆震室和射流管的轴线相互平行，主爆震室直径为D，D的大小取决于所使用燃料的胞格尺寸。射流管直径为d，直径d与主爆震室直径D的比值为1/4～1/3，目的在于实现火焰加速、增强射流强度。
所述射流管的开口端从主爆震室的封闭端嵌入主爆震室中，处于主爆震室外部的射流管轴向长度为L，为了保证进入主爆震室的射流具有一定的强度，L的长度大于主爆震室直径D。
所述射流管处于主爆震室外部的壁面上安装有进气阀门、火花塞和燃油喷嘴；其中射流管在封闭端上安装有单个进气阀门和火花塞，在射流管管壁上距离射流管封闭端1.5d的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴。
所述射流管处于主爆震室内部的壁面上开有两列侧孔，射流管通过端部开口以及两列侧孔与主爆震室相通。
每列侧孔由处于同一轴向位置且沿射流管周向均布的若干侧孔组成，孔的直径m与射流管的直径d的比值为0.2～0.4，m太小不易于射流管中的热射流喷入主爆震室，m太大则会减弱喷入主爆震室射流的强度；两列侧孔将嵌入主爆震室的部分射流管等分为三段，其长度用n表示，n与射流管的直径d比值为1.2～1.5，此范围下有利于激波间的叠加、碰撞，达到激波强度增强的目的。
所述主爆震室的壁面上安装有进气阀门和燃油喷嘴，其中主爆震室封闭端上在射流管周围安装有多个进气阀门，多个阀门能够同时打开或关闭；而在主爆震室管壁上距离主爆震室封闭端1.5D的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴，以获得较好的油气填充效果。
对于上述结构的脉冲爆震发动机爆震室，首先打开进气阀门和燃油喷嘴向主爆震室和射流管中填充一定量的燃油和空气，由于射流管周向也安装有进气阀门和燃油喷嘴，射流管尾部侧孔及右端出口与主爆震室相联通，因此射流管也有助于主爆震室中的油气掺混。
其次，在射流管左端头部采用火花塞点火，由于射流管的尺寸较小，油气混合物在射流管里加速燃烧，当火焰传播到射流管尾部时，携带大量活性基团的热射流一部分从侧孔进入主爆震室。由于射流管的存在极大地减小了热射流到达主爆震室上下壁面的距离，因此热射流前端的激波在迅速衰减前到达主爆震室端壁面并与其发生碰撞产生反射激波，该反射激波与从第一列侧孔出来向右传播的激波叠加，激波强度增强，并产生第一类高温高压点。
随后，射流管内剩余的热射流经过两列侧孔间隔的加速，射流强度进一步增强，随即又一部分热射流从第二列侧孔进入主爆震室，该部分射流前端的激波迅速与主爆震室内叠加后的向右传播的激波碰撞、叠加产生第二类高温高压点，随着火焰的进一步传播，两个高温高压点融合为一个稍大的高温高压区。
之后，射流管内剩余的热射流经过最后一段射流管的加速从射流管右端出口流入主爆震室，该热射流前端的激波与前述生成的激波再次碰撞叠加产生第三类高温高压点，随着燃烧的进一步发展，该高温高压点与前述生成的稍大的高温高压区再次叠加融合为一个更大的高温高压区，最终在该区域的诱导下爆震波生成。
为了更好的验证本发明的技术效果，本申请公开了具体的仿真实例。
Fluent是现在比较流行的计算流体动力学分析软件，其可计算的物理问题包括耦合传热、热辐射、可压与不可压流体、化学反应和燃烧问题等，能够相对准确的模拟发动机燃烧室内的流动和燃烧过程。运用Fluent软件，对本发明提出的一种新型脉冲爆震发动机燃烧室结构及起爆方法进行了仿真分析，如附图2所示。本算例中，主爆震室和射流管中填充当量比的氢气和空气，初始条件为常温常压，采用高温点火，各物理参数符合前述的要求。
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。

Claims (4)

1.一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：包括主爆震室和射流管；所述射流管的开口端从主爆震室的封闭端嵌入主爆震室中；
所述射流管处于主爆震室外部的壁面上安装有进气阀门、火花塞和燃油喷嘴；所述射流管处于主爆震室内部的壁面上开有两列侧孔，射流管通过端部开口以及两列侧孔与主爆震室相通；
所述主爆震室的壁面上安装有进气阀门和燃油喷嘴；
主爆震室和射流管均为圆管；主爆震室和射流管的轴线相互平行；射流管壁面上的每列侧孔由处于同一轴向位置且沿射流管周向均布的若干侧孔组成；
射流管壁面上的两列侧孔将处于主爆震室内部的射流管分为轴向长度相等的3段；
处于主爆震室内部的3段射流管的每段射流管长度n与射流管的直径d比值为1.2~1.5；
射流管壁面上的两列侧孔孔径m与射流管的直径d的比值为0.2~0.4；
处于主爆震室外部的射流管轴向长度L大于主爆震室直径D；射流管直径d与主爆震室直径D的比值为1/4~1/3；
在射流管封闭端点火时，形成的火焰热射流从射流管的两列侧孔和开口端进入主爆震室；其中从第一列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波向主爆震室两端传播，其中向主爆震室封闭端传播的激波在衰减前到达主爆震室封闭端并产生反射激波，该反射激波与向主爆震室开口端传播的激波叠加，形成第一类高温高压点；从第二列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第二类高温高压点，并与第一类高温高压点融合为一个较大的高温高压区；从射流管开口端进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第三类高温高压点，并与所述较大的高温高压区叠加融合为一个更大的高温高压区，在所述更大的高温高压区内形成爆震波。
2.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：所述射流管在封闭端上安装有单个进气阀门，所述主爆震室封闭端上在射流管周围安装有多个进气阀门，多个进气阀门能够同时打开或关闭。
3.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机爆震室结构，其特征在于：在射流管管壁上距离射流管封闭端1.5d的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴；在主爆震室管壁上距离主爆震室封闭端1.5D的位置安装有周向均布的多个燃油喷嘴。
4.一种权利要求1所述脉冲爆震发动机爆震室的起爆方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：打开主爆震室和射流管的进气阀门和燃油喷嘴，向主爆震室和射流管中填充燃料和空气；
步骤2：在射流管封闭端点火，形成的火焰热射流从射流管的两列侧孔和开口端进入主爆震室；
其中从第一列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波向主爆震室两端传播，其中向主爆震室封闭端传播的激波在衰减前到达主爆震室封闭端并产生反射激波，该反射激波与向主爆震室开口端传播的激波叠加，形成第一类高温高压点；
从第二列侧孔进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第二类高温高压点，并与第一类高温高压点融合为一个较大的高温高压区；
从射流管开口端进入主爆震室的热射流前端激波与主爆震室内向主爆震室开口端传播的激波碰撞叠加，产生第三类高温高压点，并与所述较大的高温高压区叠加融合为一个更大的高温高压区，在所述更大的高温高压区内形成爆震波。
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