CN116241913A - 一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种脉冲爆震涡轮发动机用多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，包括扩压器、多管螺旋扇形爆震管、供油管、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、出口稳压腔。气流经过扩压器后分为两部分，一部分从螺旋扇形爆震管头部进气锥流入供油掺混段，与从供油掺混段喷嘴喷出的燃油进行掺混，可燃混气进入点火起爆段内经热射流点火器点燃，在经历爆燃转爆震过程后形成爆震波；另一部分流经爆震管外壁对爆震管进行冷却。两股气流在出口稳压腔中进行混合、稳压后排入涡轮。通过采用螺旋扇形爆震管，一方面可使脉冲爆震燃烧室完美匹配燃气涡轮发动机压气机出口的环形气流通道，提高流道的截面利用率，从而增大脉冲爆震涡轮发动机的推力；另一方面可以缩短脉冲爆震燃烧室的轴向长度，从而缩短整个脉冲爆震涡轮发动机的长度，减小发动机总重量，提高发动机推重比，并且由于发动机整个转子系统的轴向距离缩短，发动机转子动力学特性得以改善。

Description

一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体为一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室。

背景技术

脉冲爆震涡轮发动机是一种用脉冲爆震燃烧室替代传统涡轮发动机中等压燃烧室的新型发动机，目前脉冲爆震涡轮发动机可分为脉冲爆震涡扇发动机、脉冲爆震涡喷发动机和脉冲爆震涡轴发动机等几种类型。与传统航空发动机相比，它具有热循环效率高、工作范围广、单位性能优等优点，具有广阔的应用前景。

在实际应用中，由于在大管径圆管中触发爆震波较为困难，采用多管脉冲爆震燃烧室组合形式的脉冲爆震涡轮发动机是PDTE工程应用的趋势。目前研究的多管脉冲爆震燃烧室大都由若干个圆形截面爆震管组成，对发动机环形气流通道的实际截面利用率小(截面利用率定义为爆震室入口截面积与发动机环形气流通道截面积之比)，不利于发动机推力的提高。

在实际应用中，直接起爆可燃混合物需要很大的能量，且对于多相非均匀混合物，直接起爆难度很大，更接近实际工程应用的是间接起爆。目前最有希望的起爆方式之一是爆燃转爆震方法，而这种方法产生爆震波需要较长的爆燃转爆震距离，从而导致脉冲爆震燃烧室的轴向距离过长，整个发动机转子系统的轴向长度太长，转子系统的动力学问题、发动机的重量等都将限制脉冲爆震涡轮发动机的工程应用。

发明内容

要解决的技术问题

为了提高脉冲爆震燃烧室对发动机环形流道的截面利用率，同时缩短脉冲爆震燃烧室轴向距离，本发明提供一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，通过周向并联布置若干个具有扇形截面的螺旋扇形爆震管，提高截面利用率、同时缩短脉冲爆震燃烧室轴向距离，以实现增加发动机推力、减小发动机质量，提高推重比，同时改善发动机转子动力学特性的作用。

技术方案

本发明提供了一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，包括扩压器1、供油管3、多管螺旋扇形爆震管、燃烧室外机匣7、燃烧室内机匣8和出口稳压腔9；多个螺旋扇形爆震管6沿周向并联布置于燃烧室外机匣7与燃烧室内机匣8形成的环形腔室内，并且每个螺旋扇形爆震管均由供油掺混段和点火起爆段组成；供油掺混段的进口设置有头部进气锥2，燃油喷嘴4安装于头部进气锥2背风面的中心位置，供油管穿过燃烧室外机匣和螺旋扇形爆震管的外壳伸入头部进气锥与燃油喷嘴连通；点火起爆段中，热射流点火器5设置在螺旋扇形爆震管的上弧顶，与喷嘴的轴向距离为1～2倍爆震管等效直径，从热射流点火器后0.5～1倍爆震管等效直径处开始为一段螺旋管。气流经过扩压器1减速扩压后分为两部分，一部分从头部进气锥2流入供油掺混段，与从燃油喷嘴4喷出的燃油进行掺混，可燃混气进入点火起爆段内经热射流点火器5点燃，在经历爆燃转爆震过程后形成爆震波；另一部分流经螺旋扇形爆震管6的外壁对其进行冷却。两股气流在出口稳压腔9中进行混合、稳压后排入涡轮。

优选的，所述螺旋扇形爆震管6包括供油掺混段和点火起爆段，供油掺混段为一截面为扇形的直管段，点火起爆段为一截面为扇形的螺旋管段，在点火起爆段内设置有若干助爆障碍物12，助爆障碍物12的两个端面均为螺旋扇形爆震管6的螺旋轴线的法平面，助爆障碍物12的堵塞比在0.3～0.6之间，每两个助爆障碍物12之间间隔0.8～1.2倍螺旋扇形爆震管6的等效直径。

具体地，所述螺旋扇形爆震管的周向排布个数根据螺旋脉冲爆震燃烧室的内、外径尺寸而定，选择范围在3～12之间，对应的扇形张角范围为120°～30°。

具体地，所述头部进气锥，其前面为一四棱锥，后半部分为一扇形截面的柱体，柱体的中心有燃油供油通道和燃油喷嘴4的安装孔。

具体地，所述出口稳压腔，其内壁设置有激波阻尼板，可以削弱爆震波的强度，降低爆震室出口燃气的脉动，激波阻尼板个数根据稳压腔的轴向长度取1～3个。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出的一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，有益效果包括两个方面：一是通过采用扇形截面爆震管，完美匹配发动机的环形气流通道，提高了流道的截面利用率，从而增大了脉冲爆震涡轮发动机的推力；二是通过采用螺旋形爆震管，缩短了脉冲爆震燃烧室的轴向长度，从而可缩短整个脉冲爆震涡轮发动机的长度，减小发动机总重量，提高推重比，并且由于发动机整个转子系统的轴向距离缩短，发动机转子动力学特性得以改善。

附图说明

图1：本发明的结构图

图2：本发明的螺旋扇形爆震管结构图

图3：螺旋扇形爆震管的供油掺混段左视图

图4：出口稳压腔结构图

图5：一种优化方案的头部进气锥结构图

图6：一种优化方案的出口稳压器结构图

附图标记说明：1-扩压器,2-头部进气锥,3-供油管，4-燃油喷嘴，5-热射流点火器,6-螺旋扇形爆震管,7-燃烧室外机匣,8-燃烧室内机匣,9-出口稳压腔,10-支板,11-火花塞,12-助爆障碍物,13-激波阻尼板,14联通管,15-螺旋导流板。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明作进一步说明。

参照附图1-4，在本实施例中，螺旋扇形爆震管6入口处的头部进气锥2通过两块支板10和供油管3固定在螺旋扇形爆震管的扇形截面中心，头部进气锥2背风面的中心通过螺纹固定有燃油喷嘴4，燃油通过穿过燃烧室外机匣7和螺旋扇形爆震管6的壁面伸入头部进气锥2内的供油管3供给燃油喷嘴4，热射流点火器5设置在燃油喷嘴4下游1～2倍爆震管等效直径处，以保证燃油与气流掺混形成的可燃混气能顺利进入到热射流点火器5内部，且热射流点火器5与喷嘴4的轴向距离不至太长。热射流点火器5位于螺旋扇形爆震管6的上弧顶且与后者制成一体，从热射流点火器5后0.5～1倍爆震管等效直径处开始为一段螺旋管，其内部有与管壁一体制造的若干助爆障碍物12，障碍物堵塞比在0.3～0.6之间，障碍物间距为0.8～1.2倍螺旋扇形爆震管的等效直径，以保证在有效缩短DDT距离的同时兼顾爆震室的流动损失与流通能力。若干所述螺旋扇形爆震管6沿周向并联且制造成一体，安装于燃烧室外机匣7与燃烧室内机匣8形成的环形腔室内，以匹配发动机的环形气流通道，环形腔室前端与扩压器1通过焊接相连，后端与含激波阻尼板13的出口稳压腔9通过焊接相连。

多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其工作时，来自上游压气机的速度较高的气流经过扩压器1减速扩压后分为两部分，一部分经头部进气锥2进入多个螺旋扇形爆震管6，另一部分流经螺旋扇形爆震管6的外壁对其进行冷却。进入螺旋扇形爆震管6的气流在供油掺混段内与燃油喷嘴4喷射出的燃油相互作用，形成充分混合的可燃混气并流向下游，对点火起爆段进行填充，此时热射流点火器5中也充满了可燃混气，继而热射流点火器5内的火花塞11点火，热射流点火器5产生热射流，点火起爆段内开始产生爆燃火焰并向下游传播，火焰在助爆障碍物12的影响下，经历较短的爆燃转爆震过程后，最终在到达螺旋扇形爆震管6的出口前形成稳定自持的爆震波，之后气流到达爆震管出口，在出口稳压腔9中与爆震管外的冷却气流进行混合、稳压，并在激波阻力板13的作用下进一步降低排气脉动，最终稳压后的气流排入涡轮并冲击涡轮做功。

本发明进一步的优化方案是：头部进气锥2为空心结构，其两侧各伸出一联通管14，相邻爆震管之间通过联通管相互联通，参照附图5，此结构一方面可以降低来自下游反传压力波的压力，另一方面，一个爆震管点火产生的高温燃烧产物在反传压力作用下通过联通管传递给相邻两个爆震管，点燃相邻爆震管内的新鲜反应物，可实现1个点火器控制多个爆震室点火，从而减少射流点火器的数量，减轻整个爆震室的重量。

本发明进一步的优化方案是：在出口稳压腔9内可以安装螺旋导流板15，参照附图6，一方面可以加强爆震管外壁冷却气流与爆震管出口气流的掺混，降低爆震室出口燃气的脉动，另一方面螺旋导流板15引导气流以合适的角度直接冲击涡轮转子，从而能取消发动机的涡轮导向器，进一步减轻发动机重量。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其特征在于：包括扩压器1、供油管3、多管螺旋扇形爆震管、燃烧室外机匣7、燃烧室内机匣8和出口稳压腔9；所述多管螺旋扇形爆震管由多个螺旋扇形爆震管6沿周向并联布置于所述燃烧室外机匣7与所述燃烧室内机匣8形成的环形腔室内，并且所述每个螺旋扇形爆震管6均由供油掺混段和点火起爆段组成；所述供油掺混段的进口处设置有头部进气锥2，燃油喷嘴4安装于所述头部进气锥2的背风面的中心位置，供油管穿过所述燃烧室外机匣7和螺旋扇形爆震管6的外壳，伸入所述头部进气锥2并与所述燃油喷嘴4连通；所述点火起爆段中，热射流点火器5设置在所述螺旋扇形爆震管6的上弧顶，与燃油喷嘴4的轴向距离为1～2倍所述螺旋扇形爆震管等效直径，所述螺旋扇形爆震管6从热射流点火器5后沿轴向0.5～1倍爆震管等效直径处开始为一段螺旋管；气流经过扩压器1减速扩压后分为两部分，一部分气流从所述头部进气锥2流入供油掺混段，与从所述燃油喷嘴4喷出的燃油进行掺混，形成可燃混合气进入点火起爆段内并在热射流点火器5处点燃，经历爆燃转爆震过程后形成爆震波；另一部分气流流经每个所述螺旋扇形爆震管6的外壁并对其进行冷却；所述两部分气流在出口稳压腔9中进行混合、稳压后排入涡轮。

2.根据权利要求1所述的一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述每个螺旋扇形爆震管6包括供油掺混段和点火起爆段，所述供油掺混段为一截面为扇形的直管段，所述点火起爆段为一截面为扇形的螺旋管段，在所述点火起爆段内设置有若干助爆障碍物12，所述助爆障碍物12的两个端面均为螺旋扇形爆震管6的螺旋轴线的法平面，所述助爆障碍物12的堵塞比在0.3～0.6之间，每两个所述助爆障碍物12之间间隔0.8～1.2倍所述螺旋扇形爆震管6的等效直径。

3.根据权利要求1所述的一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述螺旋扇形爆震管6的周向排布个数根据螺旋脉冲爆震燃烧室的内、外径尺寸而定，选择范围在3～12个之间，对应的扇形张角范围为120°～30°。

4.根据权利要求1所述的一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述头部进气锥2的前部为一四棱锥，后部为一扇形截面的柱体，所述柱体的中心设置有燃油供油通道和燃油喷嘴安装孔。

5.根据权利要求1所述的一种多管螺旋式扇形脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述出口稳压腔的内壁设置有激波阻尼板，以削弱爆震波的强度，降低爆震室出口燃气的脉动，激波阻尼板个数根据稳压腔的轴向长度取1～3个。

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