一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，包括燃料及氧化劑供給系統(tǒng)及諧振腔裝置和控制方法。燃料及氧化劑供給系統(tǒng)包括高壓氣瓶、截止閥、過濾器、壓力表、減壓器、節(jié)流閥和電控閥；諧振腔是一端封閉的圓管狀裝置，腔體上開有火花塞安裝孔、壓力測(cè)量孔及進(jìn)氣孔。通過控制減壓器、節(jié)流閥開閉和諧振腔腔體結(jié)構(gòu)，將燃料和氧化劑的供給壓力、當(dāng)量比、填充位置和填充角度控制在合適范圍內(nèi)，便可在諧振腔中較短距離內(nèi)獲得高頻爆震波。本發(fā)明提出的短距起爆高頻爆震波裝置及其控制方法對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用具有重要意義，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率進(jìn)而增大其推力，同時(shí)可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長度。
【專利說明】一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine,簡稱F1DE)是一種利用間歇式爆震波產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)是否白帶氧化劑，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。由于PDE具有熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等潛在優(yōu)點(diǎn)，近年來，很多國家均在積極開展相關(guān)研究。
[0003]雖然PDE相對(duì)于現(xiàn)有的推進(jìn)系統(tǒng)具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)，但是要把這些潛在的優(yōu)勢(shì)變成現(xiàn)實(shí)，尚面臨許多挑戰(zhàn)和難題。其中一個(gè)關(guān)鍵難題就是如何實(shí)現(xiàn)TOE的高頻工作。提PDE的工作頻率不僅可以減少機(jī)身振動(dòng)，延長其使用壽命，還可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，所以實(shí)現(xiàn)I3DE的高頻工作是爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是將爆震發(fā)動(dòng)機(jī)向工程實(shí)際應(yīng)用推進(jìn)的瓶頸技術(shù)之一。
[0004]諧振腔是一種脈動(dòng)燃燒器，在發(fā)生脈動(dòng)燃燒時(shí)其腔體內(nèi)存在兩個(gè)激勵(lì)過程:燃燒在某種條件下激發(fā)諧振腔中的聲學(xué)脈動(dòng)；反過來，聲學(xué)脈動(dòng)改變?nèi)紵奶匦?，使燃燒更加劇烈。脈動(dòng)燃燒過程是周期性的，而且本身的頻率較高，可用來提高TOE的工作頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]縮短脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)長度和提高其工作頻率是實(shí)現(xiàn)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵問題，為了解決脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的短距高頻起爆的難題，本發(fā)明提出一種短距起爆高頻爆震波裝置及其控制方法，包括燃料及氧化劑供給系統(tǒng)及諧振腔的裝置和控制方法。按本發(fā)明中表述的正確操作步驟，控制調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的供給壓力、當(dāng)量比及可燃混合物的填充位置和填充角度，便可在諧振腔中較短距離內(nèi)獲得高頻爆震波。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，包括燃料和氧化劑供給系統(tǒng)及諧振腔裝置。如圖1所示:燃料和氧化劑供給系統(tǒng)包括高壓氣瓶(1-1)、高壓氣瓶(2-1)、截止閥(1-2)、截止閥(2-2)、過濾器(1-3)、過濾器(2-3)、壓力表(1-41)、壓力表(1-42)、壓力表(2-41)、壓力表(2-42)、減壓器(1-5)、減壓器(2-5)、節(jié)流閥(1-6)、節(jié)流閥(2-6)、電控閥(1-7)、電控閥(2-7)，各個(gè)零件按照?qǐng)D1中所標(biāo)示的順序連接成為氧化劑和燃料兩套供給系統(tǒng)；高壓氣瓶(1-1)和高壓氣瓶(2-1)分別用來儲(chǔ)存高壓的燃料和氧化劑；截止閥(1-2)和截止閥(2-2)分別用來控制燃料和氧化劑氣瓶開閉；過濾器(1-3)和過濾器(2-3)分別用來凈化燃料和氧化劑；壓力表(1-41)和壓力表(2-41)分別用來讀取燃料和氧化劑的氣源壓力，壓力表(1-42)和壓力表(2-42)分別用來讀取燃料和氧化劑的供給壓力；減壓閥(1-5)和減壓閥(2-5)分別用來調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的供給壓力；節(jié)流閥(1-6)和節(jié)流閥(2-6)分別用來調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的供給流量，進(jìn)一步調(diào)節(jié)可燃混氣的當(dāng)量比；電控閥(1-7)和(2-7)分別用來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料和氧化劑兩路供給系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；燃料和氧化劑經(jīng)混合后供入諧振腔(8);諧振腔(8)是高頻爆震波產(chǎn)生的場所。如圖2所示，諧振腔(8)是一端封閉的管狀裝置，其內(nèi)徑為20mm，總長為390mm ;腔內(nèi)沒有爆震增強(qiáng)裝置。從封閉端到開口端，在腔體上依次開有壓力測(cè)量孔(P1)、壓力測(cè)量孔(P2)、壓力測(cè)量孔(P3)、壓力測(cè)量孔(p4)、火花塞安裝孔(spark)和進(jìn)氣孔(inlet)。其中，壓力測(cè)量孔(P1)、壓力測(cè)量孔(P2)、壓力測(cè)量孔(P3)和壓力測(cè)量孔(p4)可安裝壓力傳感器，測(cè)量爆震過程中各測(cè)點(diǎn)處的壓力值，并以此判斷是否形成爆震波；進(jìn)氣孔(inlet)位于距諧振腔開口端1/3管長處，進(jìn)氣孔(inlet)的軸線方向與腔體軸線方向的夾角大約在15°?45°之間，進(jìn)氣方向?yàn)閺拈_口端朝向封閉端；火花塞安裝孔(spark)可安裝火花塞,用來點(diǎn)火,點(diǎn)火能量小于50mJ。
[0008]一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，控制方法可具體表述為:先向諧振腔內(nèi)填充燃料和氧化劑，再用火花塞進(jìn)行一次點(diǎn)火，則諧振腔內(nèi)產(chǎn)生爆震波；其后連續(xù)向諧振腔內(nèi)供入燃料和氧化劑，由于爆震波向諧振腔封閉端傳播，在封閉端形成一個(gè)高溫高壓區(qū)，可燃混合物被諧振腔內(nèi)封閉端的高溫高壓產(chǎn)物點(diǎn)燃，即不再需要火花塞，諧振腔中可通過自適應(yīng)點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定工作；由于爆震波產(chǎn)生后，諧振腔內(nèi)壓力高于供給壓力，使得供給過程暫時(shí)中斷，但隨著爆震波過后排氣過程的進(jìn)行，諧振腔內(nèi)壓力下降，當(dāng)?shù)陀谌剂虾脱趸瘎┑墓┙o壓力時(shí)，燃料和氧化劑再次供入諧振腔，即諧振腔中新鮮可燃混氣的高頻供給可通過自適應(yīng)過程來實(shí)現(xiàn)，無需專用閥門控制；與傳統(tǒng)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)相比，諧振腔實(shí)現(xiàn)高頻爆震不需要隔離過程。
[0009]采用本發(fā)明提供的短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，合適壓力的新鮮可燃混氣從進(jìn)氣孔(inlet)進(jìn)入諧振腔，進(jìn)氣孔位于距諧振腔開口端1/3管長處，且方向?yàn)閺拈_口端朝向封閉端，由于諧振腔的幾何結(jié)構(gòu)和湍流火焰與供給激勵(lì)的相互作用，諧振腔內(nèi)在沒有任何爆震增強(qiáng)裝置的情況下可實(shí)現(xiàn)爆震波的短距起爆，在本專利實(shí)施例1中，由實(shí)驗(yàn)波形可以看出:在距點(diǎn)火位置朝向封閉端60mm處已經(jīng)成功起爆爆震波；諧振腔內(nèi)產(chǎn)生爆震波后壓力迅速升高，高于新鮮可燃混氣供給壓力，使得新鮮可燃混氣供給暫時(shí)中斷，此后隨著燃燒產(chǎn)物的排出，腔體內(nèi)壓力下降，當(dāng)?shù)陀谛迈r可燃混氣供給壓力時(shí)，新鮮可燃混氣重新供入，可以實(shí)現(xiàn)白適應(yīng)高頻供給；新鮮可燃混氣進(jìn)入諧振腔后第一次由火花塞點(diǎn)燃，產(chǎn)生爆震波后混氣供給中斷，腔體中壓力下降后再進(jìn)入諧振腔中的新鮮混氣均靠與前一循環(huán)的燃燒產(chǎn)物接觸點(diǎn)燃，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)點(diǎn)火且不需要隔離過程。
[0010]采用本發(fā)明提供的短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，可以省去爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻供給閥門系統(tǒng)、隔離供應(yīng)系統(tǒng)和爆震增強(qiáng)裝置，進(jìn)而大大縮短脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的長度，簡化爆震發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率，最終增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力、延長發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，對(duì)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]附圖1:燃料及氧化劑供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0012]附圖2:諧振腔腔體結(jié)構(gòu)示意圖
[0013]附圖3:實(shí)施例1中諧振腔內(nèi)壓力波形圖
[0014]以上圖中，(1-1)為高壓燃料氣瓶；(2-1)為高壓氧化劑氣瓶；(1-2)和(2-2)為截止閥；(1-3)和(2-3)為過濾器；(1-41)、(1-42)、(2-41)和(2_42)為壓力表；(1_5)和(2-5)為減壓器；(1-6)和(2-6)為節(jié)流閥；(1-7)和(2-7)為電控閥；(8)為諧振腔；(spark)為火花塞安裝孔；(P1)、(P2)、(P3)和(P4)為壓力傳感器；(inlet)為進(jìn)氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0015]現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0016]一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，包括燃料及氧化劑供給系統(tǒng)及諧振腔裝置和控制方法。如圖1所示，燃料及氧化劑供給系統(tǒng)包括高壓氣瓶(1-1)、高壓氣瓶(2-1)、截止閥(1-2)、截止閥(2-2)、過濾器(1-3)、過濾器(2-3)、壓力表(1_41)、壓力表(1-42)、壓力表(2-41)、壓力表(2-42)、減壓閥(1-5)、減壓閥(2-5)、節(jié)流閥(1-6)、節(jié)流閥(2-6)、電控閥(1-7)、電控閥(2-7)和諧振腔⑶；各個(gè)部件按照如圖1所示順序連接。高壓氣瓶(1-1)和高壓氣瓶(2-1)分別用來儲(chǔ)存高壓的燃料和氧化劑；截止閥(1-2)和截止閥(2-2)分別用來控制燃料和氧化劑氣瓶開閉；過濾器(1-3)和過濾器(2-3)分別用來凈化燃料和氧化劑；壓力表(1-41)和壓力表(2-41)分別用來讀取燃料和氧化劑的氣源壓力，壓力表(1-42)和壓力表(2-42)分別用來讀取燃料和氧化劑的供給壓力；減壓閥(1-5)和減壓閥(2-5)分別用來調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的供給壓力；節(jié)流閥(1-6)和節(jié)流閥(2-6)分別用來調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的供給流量，進(jìn)一步調(diào)節(jié)可燃混氣的當(dāng)量比；電控閥(1-7)和(2-7)分別用來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料和氧化劑兩路供給系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；諧振腔(8)是高頻爆震波產(chǎn)生的場所。如圖2所示，諧振腔(8)是一端封閉的管狀裝置，其內(nèi)徑20mm，總長390mm。從封閉端到開口端，在腔體上依次開有壓力測(cè)量孔(P1)、壓力測(cè)量孔(P2)、壓力測(cè)量孔(P3)、壓力測(cè)量孔(P4)、火花塞安裝孔(spark)和進(jìn)氣孔(inlet)。其中，壓力測(cè)量孔(P1)、壓力測(cè)量孔(P2)、壓力測(cè)量孔(P3)和壓力測(cè)量孔(P4)可安裝壓力傳感器，測(cè)量爆震過程中各測(cè)點(diǎn)處的壓力值，并以此判斷是否形成爆震波；進(jìn)氣孔(inlet)的方向與腔體軸線方向的夾角大約在15°?45°之間,進(jìn)氣方向從開口端朝向封閉端；火花塞安裝孔(spark)可安裝火花塞，用來點(diǎn)火，點(diǎn)火能量小于50mJ，點(diǎn)火后諧振腔⑶內(nèi)產(chǎn)生緩燃波，緩燃波經(jīng)一段距離后發(fā)展為爆震波，產(chǎn)生高頻爆震波后，諧振腔(8)封閉端殘留的高溫燃燒產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火，不再需要火花塞進(jìn)行點(diǎn)火。
[0017]實(shí)施例1如圖1所示，檢查管路氣密性和裝置完好性，在確認(rèn)沒有故障的情況下打開高壓氣瓶(1-1)、高壓氣瓶(2-1)之后的截止閥(1-2)、截止閥(2-2);—定壓力的新鮮可燃混氣從高壓氣瓶供出，依次經(jīng)過截止閥、過濾器、氣源壓力表、減壓器、供給壓力表、節(jié)流閥和電控閥，從諧振腔進(jìn)氣孔(inlet)進(jìn)入腔體；讀取(1-41)、壓力表(2_41)讀數(shù)，在確認(rèn)氣源壓力正常后，調(diào)整減壓器(1-5)、減壓器(2-5)，參照壓力表(1-42)、壓力表(2-42)的讀數(shù)，將燃料和氧化劑的供給壓力調(diào)整到合適的范圍(0.5?1.5MPa);調(diào)整節(jié)流閥(1_6)、節(jié)流閥(2-6)使燃料和氧化劑的供給比例，即當(dāng)量比在合適的范圍(0.5?1.5);先開啟火花塞開關(guān)，火花塞于(spark)處點(diǎn)火,點(diǎn)火能量小于50mJ,后開啟電控閥(1_7)、電控閥(2_7)使燃料氧化劑供給開始，新鮮可燃混氣流向諧振腔(8)封閉端，點(diǎn)火后諧振腔(8)內(nèi)產(chǎn)生緩燃波，緩燃波經(jīng)一段距離后發(fā)展為爆震波；諧振腔內(nèi)穩(wěn)定爆震ls，通過壓力傳感器(P1)、傳感器(P2)、傳感器(P3)和傳感器(P4)測(cè)量腔體內(nèi)壓力變化；測(cè)量完畢，依次關(guān)閉電控閥(1-7)、電控閥(2-7)、火花塞和截止閥(1-2)、截止閥(2-2)，諧振腔(8)中停止爆震。諧振腔(8)中穩(wěn)定工作后壓力波形如圖3所示，從圖中可以看出Pl、p2處壓力較高，峰值壓力均在2MPa以上， P3處大部分和P4處一部分壓力峰值甚至超過3MPa。由于本實(shí)施例中使用乙烯作燃料，使用體積分?jǐn)?shù)分別為60%和40%的氮氧混合物作氧化劑，利用C-J爆震波理論計(jì)算得到的爆震波壓力約為2.3MPa，所以可斷定在腔體內(nèi)P1~p4位置處已產(chǎn)生爆震波，其中仏處距離火花塞(spark)最近，大約為60mm距離，是目前已知的最短爆震波起爆距離，所以本發(fā)明可以有效縮短傳統(tǒng)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)身長度；產(chǎn)生爆震波后腔體內(nèi)壓力迅速升高，高于混合氣供給壓力，使得混合氣供給暫時(shí)中斷，此后隨著燃燒產(chǎn)物的排出，腔體內(nèi)壓力下降，當(dāng)腔體內(nèi)壓力低于新鮮可燃混氣供給壓力時(shí)，可燃混氣重新供入，腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)新鮮可燃混氣的自適應(yīng)高頻供給，不需要專用閥門控制；進(jìn)入諧振腔腔體中的新鮮可燃混氣通過與前一循環(huán)產(chǎn)生的高溫高壓燃燒產(chǎn)物接觸，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)點(diǎn)火，不再需要火花塞點(diǎn)火；高壓新鮮可燃混氣持續(xù)穩(wěn)定供給，諧振腔內(nèi)即產(chǎn)生連續(xù)的高頻爆震波，從圖3中可以看出P1~P4處的壓力峰值頻率基本達(dá)到100Hz。理論上，調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)可以獲得1000Hz以上的高頻爆震波，遠(yuǎn)高于已知的各種脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率。由此，采用本發(fā)明提供的方法，在諧振腔中獲得了短距起爆的連續(xù)高頻爆震波。
【權(quán)利要求】
1.一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，包括燃料和氧化劑供給系統(tǒng)及諧振腔裝置，其特征在于:燃料和氧化劑供給系統(tǒng)包括高壓氣瓶(1-1)、高壓氣瓶(2-1)、截止閥(1-2)、截止閥(2-2)、過濾器(1-3)、過濾器(2-3)、壓力表(1-41)、壓力表(1-42)、壓力表(2-41)、壓力表(2-42)、減壓器(1-5)、減壓器(2-5)、節(jié)流閥(1-6)、節(jié)流閥(2-6)、電控閥(1-7)、電控閥(2-7);各個(gè)零件按照數(shù)字I?7所標(biāo)示的順序連接成為氧化劑和燃料兩套系統(tǒng)；燃料和氧化劑經(jīng)混合后供入諧振腔(8);諧振腔(8)是一端封閉的圓管狀裝置，在腔體上從封閉端到開口端依次開有壓力測(cè)量孔(P1)、壓力測(cè)量孔(P2)、壓力測(cè)量孔(P3)、壓力測(cè)量孔(P4)、火花塞安裝孔(spark)和進(jìn)氣孔(inlet);火花塞安裝孔(spark)位于進(jìn)氣孔(inlet)和諧振腔開口端之間；進(jìn)氣孔(inlet)位于距諧振腔開口端1/3管長處，進(jìn)氣孔軸線方向與諧振腔軸線方向之間的夾角為15°?45° ,且進(jìn)氣方向?yàn)閺拈_口端朝向封閉端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，其特征在于:諧振腔內(nèi)沒有爆震增強(qiáng)裝置，短距起爆高頻爆震波的實(shí)現(xiàn)僅依賴于腔體結(jié)構(gòu)和湍流火焰與供給激勵(lì)的相互作用。
3.如權(quán)利要求1所述的一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，其特征在于:向諧振腔內(nèi)填充燃料和氧化物后，用火花塞進(jìn)行一次點(diǎn)火，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生爆震波；爆震波向諧振腔封閉端傳播，在封閉端形成一個(gè)高溫高壓區(qū)；連續(xù)向諧振腔內(nèi)供入燃料和氧化劑，可燃混合物被諧振腔內(nèi)封閉端的高溫高壓產(chǎn)物點(diǎn)燃，即不再需要火花塞，諧振腔中可通過自適應(yīng)點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定工作。
4.如權(quán)利要求1所述的一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，其特征在于:與傳統(tǒng)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)相比，諧振腔實(shí)現(xiàn)高頻爆震不需要隔離過程。
5.如權(quán)利要求1所述的一種短距起爆高頻爆震波的裝置及其控制方法，其特征在于:向諧振腔內(nèi)填充燃料和氧化物后，用火花塞進(jìn)行一次點(diǎn)火，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生爆震波；爆震波產(chǎn)生后，諧振腔內(nèi)壓力高于供給壓力，使得供給過程暫時(shí)中斷；隨著排氣過程的進(jìn)行，諧振腔內(nèi)壓力下降，當(dāng)?shù)陀谌剂虾脱趸瘎┑墓┙o壓力時(shí)，燃料和氧化劑再次供入諧振腔，即諧振腔中新鮮可燃混氣的高頻供給可通過自適應(yīng)過程來實(shí)現(xiàn)，無需專用閥門控制。
【文檔編號(hào)】F02K9/44GK103953459SQ201410169700
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】范瑋, 張啟斌, 王可, 魯唯 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)