技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機新概念燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子是波轉(zhuǎn)子預增壓和高效等容燃燒等技術(shù)集合成一體的新概念燃燒系統(tǒng)，它是由一系列圍繞軸旋轉(zhuǎn)的面積固定的通道組成，像一個圓柱形的鼓筒轉(zhuǎn)子。當波轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子通道周期性地暴露于兩側(cè)靜止端板上的進排氣端口中，當轉(zhuǎn)子通道轉(zhuǎn)到進氣端口時（此時排氣端口封閉），高速氣流進入轉(zhuǎn)子通道，于是在通道內(nèi)部產(chǎn)生了激波、壓縮波、膨脹波以及接觸間斷相互作用形成的復雜波系，復雜波系的作用促使能量快速交換從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子通道內(nèi)混氣進行預壓縮，兩側(cè)端板上的端口控制波轉(zhuǎn)子的進排氣流動過程。當進氣端口封閉時，利用布置在排氣端口上的熱射流點火器點燃轉(zhuǎn)子通道內(nèi)可燃混氣，在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道的末端區(qū)域形成初始火焰，初始火焰以點火源為中心向周圍發(fā)展，形成薄層火焰面，并在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)復雜波系作用下，薄層火焰面不斷擴展，誘使火焰面?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，形成紊流火焰面，紊流火焰面皺褶變形，產(chǎn)生劇烈的橫向和縱向的小擾動波，火焰前沿后存在溫度梯度，強化壓縮波疊加而形成激波，在前導激波后橫波碰撞疊加，產(chǎn)生“熱點”，“熱點”中混合物自燃，來自“熱點”中心火焰加速并沿著“熱點”周圍溫度梯度迅速擴散，誘使局部產(chǎn)生近似爆震燃燒或爆震燃燒。區(qū)別傳統(tǒng)脈沖爆震發(fā)動機爆震燃燒過程，由燃燒形成的火焰和激波沿內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道向上游未燃混氣中傳播，即燃燒產(chǎn)生的激波和火焰運動方向與充填氣流方向相反。另外，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道是高速旋轉(zhuǎn)部件，綜合考慮其轉(zhuǎn)子動力學特性、密封泄露等問題，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道一般長度不宜太長，從目前公開文獻來看，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子技術(shù)處于領(lǐng)先地位的美國印第安納大學-普渡大學印第安納波利斯聯(lián)合分校的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道長度為700mm左右，而本課題組內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子長度僅為200mm，這給內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的爆震燃燒起爆帶來巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，可以采取在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)安裝不同結(jié)構(gòu)的障礙物加速火焰?zhèn)鞑ズ图げǚ瓷浯龠M可燃混氣的快速起爆，縮短初始火焰形成至爆震燃燒產(chǎn)生的時間和距離。內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置通常采用在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)設(shè)置一系列障礙物，按照實際的要求設(shè)計型面、堵塞比和陣列方式等滿足強化燃燒和強化激波反射要求。從內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子進氣端口進入轉(zhuǎn)子通道的可燃混氣遇到障礙，改變流線，在障礙物后壁區(qū)形成湍流渦，湍流渦的脫落提高可燃混氣的進一步摻混和湍流度，有利于形成更高質(zhì)量的可燃混氣，提高點火成功率，形成較強初始火焰，并提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。從緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩過程來看，火焰加速，激波匯聚產(chǎn)生局部“熱點”，以及火焰和激波的相互作用是成功實現(xiàn)緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩過程的關(guān)鍵。

在脈沖爆震發(fā)動機爆震燃燒起爆研究領(lǐng)域中，Shchelkin等人（Soviet Journal of Technical Physics,Vol.10,pp.823-827,1940）將螺旋障礙物安置在爆震管中能夠加速緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩實現(xiàn)。S.Y.Lee等人（AIAA 2000-3217）采用在方管中安裝圓形平板障礙物，實現(xiàn)乙烯/空氣混合物的緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩過程，平板障礙物提高了爆震室內(nèi)的紊流強度，促進火焰加速，未燃混氣中局部熱爆炸更進一步加速火焰?zhèn)鞑?，平板障礙物堵塞比0.3～0.6之間能夠有效增加火焰?zhèn)鞑ニ俣取.de Witt（AIAA 2004-3747）等人研究了高速火焰/激波組合體和障礙物之間相互作用的起爆技術(shù)，采用平板和環(huán)形孔板組合以及圓錐體和環(huán)形孔板組合的兩種強化激波反射裝置，以乙烯為燃料、氮氣稀釋的氧氣為氧化劑，在內(nèi)徑140mm，長3100mm的爆震管中研究緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩過程，研究結(jié)果表明：對于恰當比的乙烯/空氣混合物，在距離點火位置1320mm處完成DDT過程，實現(xiàn)爆震起爆。因此，在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子中安裝障礙物能夠加速火焰?zhèn)鞑?，強化激波反射聚焦，促進緩燃到爆震燃燒轉(zhuǎn)捩的完成。針對內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩過程及起爆裝置尚沒有涉及，因為內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的通道是高速旋轉(zhuǎn)部件，并且通?；鹧婧图げ▊鞑シ较蚺c來流方向相反，用于脈沖爆震發(fā)動機中的強化燃燒裝置很難直接應用于內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩過程的起爆，需要開發(fā)適用于內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子工作特點的強化燃燒裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置，該裝置能夠提高預混氣體的壓力和火焰面的放熱速率，實現(xiàn)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒效果。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置，包括擾流裝置、連接片和導桿；所述擾流裝置通過連接片與轉(zhuǎn)子通道固定連接；所述導桿安裝在擾流裝置上；所述導桿與連接片固定連接。擾流裝置通過使流體產(chǎn)生流動漩渦來增加流體的湍流度。

進一步的，所述擾流裝置的截面包括梯形、三角形、矩形、圓形以及上底邊帶有半圓形的梯形。

進一步的，所述擾流裝置的排列方式包括對排和錯排兩種。錯排方式有利于擾流裝置深入影響火焰燃燒核心區(qū)，對排方式有利于增加兩壁面的湍流度。

進一步的，所述導桿為三棱柱型導桿。三角形截面增加了導桿的抗彎強度，當三棱柱型導桿受熱時會產(chǎn)生彎曲應力。

更進一步，所述擾流裝置與導桿通過螺栓連接，擾流裝置正面開有兩個三角形通道用于擾流裝置在三棱柱型導桿上的定位；擾流裝置兩側(cè)面開有螺紋孔用于與螺栓螺紋連接實現(xiàn)三棱柱型導桿與擾流裝置的固定。三棱柱型導桿的三角形截面有利于增大與螺栓的接觸面積。

進一步的，所述三棱柱型導桿兩端帶有螺紋柱，通過螺母與連接片固定連接。實現(xiàn)三棱柱型導桿和連接片的裝配。

進一步的，所述連接片與轉(zhuǎn)子通道端面的凹槽相吻合，不影響轉(zhuǎn)子通道在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子實驗裝置上的安裝。同時連接片通過螺栓與轉(zhuǎn)子通道固定，實現(xiàn)三棱柱型導桿和轉(zhuǎn)子通道的位置關(guān)系的固定。

本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置工作原理是：利用擾流裝置改變流體流通面積使流體產(chǎn)生流動漩渦來增加流場的湍流度，同時利用擾流裝置反射激波，增強激波與火焰的相互作用，從而強化燃燒。高速氣流進入轉(zhuǎn)子通道，遇到擾流裝置會在擾流裝置后方形成穩(wěn)定的回流區(qū)，當火焰?zhèn)鞑サ交亓鲄^(qū)時，誘使火焰鋒面皺褶變形，形成紊流火焰面，并在回流區(qū)開始脫落，大大提高火焰面放熱強度。同時高速氣流進入轉(zhuǎn)子通道內(nèi)會產(chǎn)生一系列的壓縮波，壓縮波疊加形成激波，激波遇到擾流裝置時發(fā)生反射，反射激波和激波疊加區(qū)壓力值迅速增加，形成熱點有利于發(fā)展成爆震燃燒，實現(xiàn)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子等容燃燒。在利用內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子非定常等容燃燒熱循環(huán)效率高和增壓技術(shù)優(yōu)勢的同時，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置可以加速火焰?zhèn)鞑バ阅?，提高預混氣壓力。

本發(fā)明的一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

1、強化燃燒效果好且適用范圍廣；

2、本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置利用擾流裝置加速火焰?zhèn)鞑ズ图げǚ瓷鋸亩岣哳A混氣的壓力和增強火焰面放熱速率；

3、本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置所涉及的擾流裝置面積小、長度短，對安裝空間要求低；

4本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置所涉及的擾流裝置可拆換，可根據(jù)不同波轉(zhuǎn)子實驗工況進行更改；

本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置主要應用于內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子試驗裝置，能夠大幅提高內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子燃燒性能，同時也可以用于其它非定常燃燒裝置如脈沖爆震發(fā)動機、激波管等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明用于內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明工作原理示意圖；

圖4為擾流裝置一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，本圖中擾流裝置的截面為梯形；

圖5為擾流裝置另一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，本圖中擾流裝置的截面為長方形；

圖6為擾流裝置一個實施例的排列示意圖，圖中顯示為錯排；

圖7為擾流裝置另一個實施例的排列示意圖，圖中顯示為對排；

圖8為本發(fā)明的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置的爆炸圖；

圖9為連接片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為導桿結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置進行詳細說明。

如圖1和8所示，本發(fā)明的一種內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置，包括擾流裝置4、連接片1和導桿3；擾流裝置4通過連接片1和導桿3與轉(zhuǎn)子通道2固定連接；擾流裝置4安裝在導桿3上；導桿3與連接片1固定連接。擾流裝置4通過使流體產(chǎn)生流動漩渦來增加流體的湍流度。

擾流裝置4可自由拆除更換和固定，根據(jù)不同內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子實驗工況，選擇不同擾流裝置組合和不同擾流裝置排列方式。本實施例中，如圖4和5所示，擾流裝置4的截面可以包括梯形、三角形、矩形、圓形以及上底邊帶有半圓形的梯形。

如圖6和7所示，擾流裝置4的排列方式包括對排和錯排兩種。錯排方式有利于擾流裝置4深入影響火焰燃燒核心區(qū)，對排方式有利于增加兩壁面的湍流度。

導桿3橫截面為三角形，三角形截面增加了導桿3的抗彎強度，當三棱柱型導桿3受熱時會產(chǎn)生彎曲應力。

擾流裝置4與導桿3通過螺栓5連接，擾流裝置4正面開有兩個三角形通道用于擾流裝置4在三棱柱型導桿3上的定位；擾流裝置4兩側(cè)面開有螺紋孔用于與螺栓5螺紋連接實現(xiàn)三棱柱型導桿3與擾流裝置4的固定。三棱柱型導桿3的三角形截面有利于增大與螺栓5的接觸面積。如圖6、7，螺栓5可以選擇沉頭螺栓，比如六角螺栓5a或者一字形沉頭螺栓5b，當然也可以選擇十字形沉頭螺栓等。

如圖10所示，三棱柱型導桿3兩端帶有螺紋柱，通過螺母6與連接片1固定連接。實現(xiàn)三棱柱型導桿3和連接片1的裝配。

連接片1與轉(zhuǎn)子通道2端面的凹槽相吻合，不影響轉(zhuǎn)子通道2在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子實驗裝置上的安裝。如圖9所示，連接片1上設(shè)置螺紋孔，連接片1通過螺栓5與轉(zhuǎn)子通道2固定，實現(xiàn)三棱柱型導桿3和轉(zhuǎn)子通道2的位置關(guān)系的固定。

具體安裝過程為：選擇好擾流裝置4的組合形式和排列方式，通過擾流裝置4正面的三角形通道將擾流裝置4穿著在三棱柱導桿3上，然后通過擾流裝置4側(cè)面的螺紋孔與沉頭螺栓5將擾流裝置4固定在三棱柱導桿3上。三棱柱導桿3一端穿過連接件1通過螺母6與連接件1固定，連接件1放入轉(zhuǎn)子通道2的凹槽內(nèi)通過沉頭螺栓5與轉(zhuǎn)子通道2固定，然后再將三棱柱型導桿3的另一端穿過連接件1通過螺母6與連接件1固定。連接件1放入轉(zhuǎn)子通道2的凹槽內(nèi)通過沉頭螺栓5與轉(zhuǎn)子通道2固定，實現(xiàn)內(nèi)按波轉(zhuǎn)子強化燃燒裝置在轉(zhuǎn)子通道2內(nèi)的安裝。

圖3中A1和A2給出了擾流裝置4增強流場湍流度和強化氣動激波過程，高速填充氣體從內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子進氣管道8進入內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道2，遇到擾流裝置4會在擾流裝置4后方區(qū)域形成流動漩渦a，增加轉(zhuǎn)子通道2內(nèi)流體的湍流度，同時，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道2進氣端處于打開狀態(tài)，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道2排氣端處于關(guān)閉狀態(tài)，就會在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通道2內(nèi)產(chǎn)生一系列壓縮波，壓縮波疊加形成單一激波e，激波e遇到擾流裝置4后發(fā)生馬赫反射，激波e和反射激波d相互作用形成了一道強化激波o。強化激波o有利于提高預混氣的壓力從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖3中B1和B2給出了擾流裝置4誘導層流火焰h轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧鎗和由擾流裝置4產(chǎn)生的流動漩渦a促使層流火焰h轉(zhuǎn)變湍流火焰j的過程，由于湍流火焰面j的皺褶使火焰面積增加，加速燃燒速率，從而達到強化燃燒效果。熱射流g點燃未燃混氣，形成燃燒速率很低的層流火焰h，層流火焰在點火區(qū)內(nèi)膨脹，傳播至擾流裝置4同時和擾流裝置4附近的漩渦a相互作用，快速增加火焰面，火焰不斷加速。形成湍流火焰面j。

圖3中C1和C2給出了擾流裝置4強化燃燒激波和激波與火焰面相互作用的過程。湍流火焰j經(jīng)過加速，火焰面前的壓縮波不斷疊加，形成激波r。激波r在傳播的過程中遇到擾流裝置4發(fā)生反射，使得反射激波q能夠作用于火焰面j，增加火焰面積提高放熱速率從而加速火焰?zhèn)鞑?，達到強化燃燒效果。同時，在激波疊加區(qū)，產(chǎn)生“熱點m”，“熱點m”中混合物自燃，誘使局部產(chǎn)生近似爆燃燃燒或爆震燃燒，達到強化燃燒效果。

基于對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的描述，應該清楚，由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明并不僅僅局限于上面說明書中所闡述的特定細節(jié)，未脫離本發(fā)明宗旨或范圍的對本發(fā)明的許多顯而易見的改變同樣可能達到本發(fā)明的目的。