带导气装置的脉冲爆震燃烧室和吸气式脉冲爆震发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种反传抑制机构、脉冲爆震燃烧室以及采用该脉冲爆震燃烧室的脉冲爆震发动机。

背景技术

吸气式脉冲爆震发动机是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来获得推力的动力装置。脉冲爆震循环具有热循环效率高、燃油消耗率低，工作和适用范围广、污染低、燃烧过程自增压等特点被认为是最有可能代替传统涡轮发动机中等压循环的热力循环方式。

根据发动机工作原理和结构，吸气式脉冲爆震发动机又被分为“纯”吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震涡轮发动机两大类。其中，“纯”吸气式脉冲爆震发动机主要由进气道、爆震燃烧室和喷管组成，其直接将爆震燃烧生成的高温高压产物由尾喷管高速排出从而产生推力。脉冲爆震涡轮发动机采用脉冲爆震燃烧室代替传统涡轮发动机中的等压燃烧室(包括加力燃烧室和主燃烧室)，该类发动机将爆震循环的优点与传统涡轮发动机机械功率提取高的优势结合起来，大大提高了传统燃气涡轮发动机的性能。

由于脉冲爆震燃烧具有非稳态增压特性，无论是“纯”吸气式脉冲爆震发动机还是脉冲爆震涡轮发动机，在爆震燃烧室工作时均会产生周期性的压力和已燃燃气向发动机上游传播，即反传现象。当反传压力和燃气作用在进气道或压气机出口时，会影响进气道或压气机的正常工作，使进气道或压气机的效率降低，严重时甚至造成进气道不启动或压气机喘振等严重后果。与此同时，进气道或压气机工作特性的改变，使爆震燃烧室进气条件发生变化，导致爆震燃烧室起爆过程和反传特性受到影响，严重时甚至导致发动机熄火。

对于脉冲爆震燃烧室压力和燃气反传的问题，现有的研究绝大多数是通过在爆震燃烧室前设计合适的反传抑制结构以阻止压力和燃气反传至进气道或压气机。按照反传抑制结构和原理，可将吸气式脉冲爆震发动机的反传抑制结构分为气动阀式和机械阀式两种。气动阀式反传抑制结构通过合理、巧妙的流道设计一定程度上解决了脉冲爆震燃烧室周期性压力和燃气反传的问题，这种方案结构简单，容易实现高频工作，但结构尺寸较大，且不能完全隔离爆震燃烧室压力反传，例如Srnirnov等提出的锥形气动阀，范育新、王家骅等人提出的旋流器式气动阀，何小民等人提出的钝体加盖子气动阀等。机械阀式反传抑制结构通过在爆震燃烧室前安装周期性开闭的机械阀门以解决爆震燃烧室压力和燃气反传的问题。例如美国ASI公司提出的新型旋转阀式多管脉冲爆震发动机概念，Matsuoka等人提出的脉冲爆震发动机阀门系统等。机械阀式反传抑制结构能够将高温高压燃烧产物与上游稳态部件隔离开来，与气动阀式结构相比，机械阀式结构的反传抑制更彻底，结构尺寸更小，但结构较复杂，且目前机械阀多使用外置电机驱动，在阀门驱动和开闭的可靠控制方面目前尚无有效的解决方案。

发明内容

为了解决吸气式脉冲爆震发动机的机械阀式反传抑制结构复杂且存在阀门驱动和开闭控制困难的技术问题，本发明提供了一种带导气装置的脉冲爆震燃烧室，实现了爆震燃烧室反传隔离和爆震室自适应填充。此外，本发明还提供了一种采用该脉冲爆震燃烧室的脉冲爆震发动机。另外，本发明还提供了一种反传抑制机构。

本发明的技术方案：

一种反传抑制机构，用于阻止压力和燃气反传至吸气式脉冲爆震发动机的进气道或压气机；所述反传抑制机构包括机械旋转阀，所述机械旋转阀用于实现所述吸气式脉冲爆震发动机中各组爆震燃烧单元与空气来流的连通和切断；每组所述爆震燃烧单元包括多个爆震燃烧装置；

其特殊之处在于：

所述反传抑制结构还包括数量与吸气式脉冲爆震发动机中爆震燃烧装置的总数量匹配的导气传动装置以及用于在所述导气传动装置泄压时使其回弹复位的传动弹簧；

各个导气传动装置分别由其对应的爆震燃烧装置中引出的部分能量气驱动，压缩所述传动弹簧并产生轴向位移；

所有导气传动装置的输出端均与所述机械旋转阀配合连接，能够将其轴向位移转化为所述机械旋转阀的周向转动，驱动其启闭和开度控制。

进一步地优选的，所述爆震燃烧装置包括爆震管、设置在所述爆震管上的火花塞、喷油嘴和导气筒；所述导气传动装置通过所述导气筒从所述爆震管中取部分能量气作为驱动气。

进一步地优选的，所述导气筒与所述火花塞之间的间距大于等于300mm且小于等于400mm。

本发明同时还提供了一种带导气装置的脉冲爆震燃烧室，包括反传抑制机构、多组爆震燃烧单元和支撑结构；

所述反传抑制机构包括机械旋转阀，所述机械旋转阀用于实现所述爆震燃烧单元与空气来流的连通和切断；

每组所述爆震燃烧单元包括多个爆震燃烧装置，用于产生爆震波；

所述支撑结构用于将所述多组爆震燃烧单元固定约束在发动机上；

其特殊之处在于：

所述反传抑制结构还包括数量与所述爆震燃烧装置的总数量匹配的导气传动装置以及用于在所述导气传动装置泄压时使其回弹复位的传动弹簧；

各个导气传动装置分别由其对应的爆震燃烧装置中引出的部分能量气驱动，压缩所述传动弹簧并产生轴向位移；

所有导气传动装置的输出端均与所述机械旋转阀配合连接，能够将其轴向位移转化为所述机械旋转阀的周向转动，驱动其启闭和开度控制。

进一步地优选的，所述爆震燃烧装置包括爆震管、设置在所述爆震管上的火花塞、喷油嘴和导气筒；所述导气筒的输出端与所述导气传动装置相连，用于从所述爆震管中引出部分能量气以驱动所述导气传动装置动作。

进一步地优选的，所述导气筒与所述火花塞之间的间距大于等于300mm且小于等于400mm。

进一步地优选的，所述机械旋转阀包括由外向内依次设置的环状阀体、连接结构和中心轴承；环状阀体的端面上开设有N个沿同一圆周向均匀分布的孔，所述孔的内径与所述爆震燃烧装置的爆震管的内径匹配，所述孔的数目N为爆震燃烧装置总数的1/k，k为大于1且小于5的整数，N为大于等于2的整数；环状阀体的内环内壁面上设有滑槽；所述滑槽以2π/kN为最小周期正弦曲线的形式延伸，所述正弦曲线的波谷处若对应有所述孔，则该波谷、所述孔的轴线以及所述环状阀体的轴线共面；

单个所述导气传动装置包括依次连接的滑销箱、传动杆和导气筒套；所述滑销箱由滑销、支撑弹簧和滑销箱外罩组成，滑销安装在滑销箱外罩的中部并伸出滑销箱外罩，滑销用于与所述机械旋转阀上的滑槽配合传动，支撑弹簧安装在滑销箱外罩内且位于滑销的底部用于向其施加压力以使滑销始终与所述滑槽保持紧密接触；所述传动杆的中部设置有凸台，用于限位所述传动弹簧；所述导气筒套包括导气腔和周向固定结构，所述导气腔的侧壁沿周向均布设有多个泄压孔；所述周向固定结构具有多个插接柱；

所述导气筒的中部套设有端面具有多个卡接窗口的环状盘；

所述周向固定结构的插接柱与所述环状盘的卡接窗口一一匹配实现插接连接，将所述导气腔与所述导气筒连通；

所述爆震管的侧壁上设置有两类传动杆支撑结构，第一类传动杆支撑结构位于爆震管的端部侧壁且靠近导气筒的区域，仅用于支撑所述导气传动装置中的传动杆；第二类传动杆支撑结构位于爆震管的端部侧壁且靠近所述机械旋转阀的区域，用于支撑所述导气传动装置中的传动杆以及用于限位所述传动弹簧；

所述传动弹簧套装在所述传动杆上，两端分别由所述凸台和所述第二类传动支撑结构限位。

进一步地优选的，所述环状阀体的内环侧壁沿轴向向外延伸一定距离以为所述连接结构提供足够的安装面，环状阀体的外环侧壁沿轴向向外延伸一定距离形成所述爆震管的径向限位面。

进一步地优选的，所述环状阀体端面上的孔为圆孔。

此外，本发明还提供了一种吸气式脉冲爆震发动机，包括脉冲爆震燃烧室；其特殊之处在于：所述脉冲爆震燃烧室采用上述的带导气装置的脉冲爆震燃烧室。

本发明的有益效果：

1.本发明的脉冲爆震燃烧室是在传统脉冲爆震燃烧室的基础上为每一个爆震燃烧装置都增设了一个导气传动装置，各个导气传动装置分别由其对应的爆震燃烧装置中引出的部分能量气驱动，压缩所述传动弹簧并产生轴向位移，所有导气传动装置的输出端均与所述机械旋转阀配合连接，能够将其轴向位移转化为所述机械旋转阀的周向转动，驱动其启闭和开度控制。当机械旋转阀转动至使某个爆震燃烧单元与来流流路断开时，起到隔离反转的作用。与此同时，机械旋转阀的位置会使另一个爆震燃烧单元与来流连通，该爆震燃烧单元处于自适应填充阶段。本发明能够自适应实现来流填充和反传隔离，无需额外设置阀门的驱动电机、信号采集单元以及电机控制单元，结构更简单、成本低，可靠性更高。

2.本发明的脉冲爆震燃烧室具体是在爆震燃烧装置的爆震管侧壁上设置了与其连通的导气筒，将导气传动装置的输入端与爆震燃烧装置的爆震管侧壁上的导气筒连接并连通，将导气传动装置的输出端与旋转机械阀相配合；稳定爆震波在爆震燃烧装置的爆震管中形成后，爆震波后的高压燃气通过爆震管侧壁的导气筒进入导气传动装置的输入端，并在压差作用下推动导气传动装置产生轴向运动，从而带动机械旋转阀旋转，实现机械旋转阀的启闭和开度控制。随着导气传动装置向上游(空气来流方向)产生位移，设置在导气传动装置中传动杆中部的凸台和爆震燃烧装置中爆震管侧壁的传动杆支撑结构之间的传动弹簧被逐步压缩，导气传动装置中导气腔上的泄压孔位移至爆震管侧壁上导气筒的左侧，导气腔和导气筒内的高压气体得以释放，内外压差降低，导气传动装置在传动弹簧的作用下逐步回到初始位置，机械旋转阀也在其带动下继续旋转至关闭位置，实现切断来流流路、隔离反传的作用。而与此同时，机械旋转阀的位置使得相邻的爆震燃烧单元与来流连通，实现了爆震管自适应填充。相对于传统的具有气动阀式反传抑制结构的脉冲爆震燃烧室，本发明的反传抑制更彻底，结构尺寸更小。相对于传统的具有机械式反传抑制结构的脉冲爆震燃烧室，本发明能够自适应实现来流填充和反传隔离，无需额外设置阀门的驱动电机、信号采集单元以及电机控制单元，结构更简单、成本低，可靠性更高。

2.本发明的脉冲爆震燃烧室中导气筒位于爆震管中部且距离火花塞的间隔在300mm-400mm之间。间隔过短将导致火花塞前可能无法形成稳定爆震波，使进入导气筒内的压力降低，无法可靠驱动导气传动装置；而间隔过长将导致传动杆长度增加，传动装置可靠性降低。

3.本发明的脉冲爆震燃烧室中：环状阀体端面上孔的数目N为爆震燃烧装置总数的1/k，k为整数且1＜k＜5，N为整数且2≤N；环状阀体的内环内壁面上的滑槽以2π/kN为最小周期正弦曲线的形式延伸，若正弦曲线的波谷处若对应有所述孔，则该波谷、所述孔的轴线以及所述环状阀体的轴线共面；上述结构参数设计能够满足：在机械旋转阀旋转时，属于同一个爆震燃烧单元的爆震管的进气流量相同，使同一个爆震燃烧单元中各个爆震燃烧装置和导气传动装置工作状态相同，提高了爆震燃烧室各部件协同工作可靠性。

4.本发明的脉冲爆震燃烧室中环状阀体端面上开设的圆孔使爆震室流道在填充阶段与环状阀体流道紧密贴合，一定程度上降低总压损失；而在爆震起爆和传播阶段，环状阀体端面圆孔能够在导气传动装置的驱动下迅速切断流路，及时抑制爆震燃烧室反传。

5.本发明脉冲爆震燃烧室中导气传动装置中的周向固定结构与爆震燃烧装置中导气筒中部的环状盘端面的扇形窗口匹配，可以避免发动机振动所导致的导气传动装置周向位移。

6.本发明的脉冲爆震燃烧室能够直接替代现有的吸气式脉冲爆震发动机(包括“纯”吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震涡轮发动机)中的爆震燃烧室，可替换性强，改进成本低，经实际验证，替换脉冲爆震燃烧室后得到的新的吸气式脉冲爆震发动机的综合性能提升显著。

7.本发明的反传抑制机构反传抑制彻底，且结构简单、尺寸小、成本低、可靠性高。

附图说明

图1是本发明的整体三维结构示意图。

图2是本发明的整体剖面示意图。

图3是本发明中机械旋转阀的三维结构示意图。

图4是本发明中机械旋转阀的剖面示意图。

图5是机械旋转阀中环状阀体的三维结构示意图。

图6是机械旋转阀中环状阀体的剖面示意图。

图7是本发明中爆震燃烧装置的三维结构示意图。

图8是本发明中爆震燃烧装置的剖面示意图。

图9是本发明中导气传动装置的三维结构示意图。

图10是本发明中导气传动装置的剖面示意图。

图11是本发明中支撑结构的三维结构示意图。

图12是爆震燃烧装置和导气传动装置装配三维结构示意图。

图13是爆震燃烧装置和导气传动装置装配结构正视图。

图14是一号爆震燃烧装置和二号爆震燃烧装置分别处于填充和膨胀阶段。

图15是一号爆震燃烧装置中爆震波向下游传播经过导气孔后，爆震波后的高压已燃混气由导气孔进入导气筒并推动导气传动装置向上游位移，从而带动机械旋转阀旋转的原理图。

图16是一号爆震燃烧装置来流流路被机械旋转阀切断，二号爆震燃烧装置来流流路逐渐打开。导气腔的泄压孔位移至导气筒左侧，内外压差降低，导气传动装置在传动弹簧的作用下开始回弹，带动机械旋转阀旋转的原理图。

图17是一号爆震燃烧装置处于膨胀阶段，二号爆震燃烧装置处于填充阶段。随后二号爆震燃烧装置填充完成，周向布置火花塞点火起爆，进入下一循环的原理图。

附图标记说明：

1.机械旋转阀，11.环状阀体，12.滑槽，13.连接结构，14.中心轴承；

2.爆震燃烧装置，21.爆震管，22.导气筒，23.喷油嘴，24.火花塞，25.第一类传动杆支撑结构，26.第二类传动杆支撑结构，27.环状盘，28.导气孔，29.扇形窗口；

3.导气传动装置，31.传动杆，32.导气筒套，33.凸台，34.滑销箱，35.导气腔，36.泄压孔，37.周向固定结构，38.支撑弹簧，39.滑销，310.滑销箱外罩；

4.支撑结构；

5.传动弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明提出的带导气装置的脉冲爆震燃烧室，包括反传抑制机构、多组爆震燃烧单元和支撑结构；反传抑制机构包括机械旋转阀1、多个导气传动装置3以及用于使导气传动装置3复位的传动弹簧5；每组爆震燃烧单元包括多个爆震燃烧装置2，导气传动装置3的数目与爆震燃烧装置2的总数目匹配，每个爆震燃烧装置2均匹配设置有一个导气传动装置3，各个导气传动装置3分别由其对应的爆震燃烧装置2中引出的部分能量气驱动；所有导气传动装置3的输出端均与机械旋转阀1配合连接，能够驱动机械旋转阀1转动，实现其启闭和开度控制，进而实现多组爆震燃烧单元与空气来流的连通和切断，以及反传隔离。

如图3-6所示，机械旋转阀1包括由外向内依次设置的环状阀体11、连接结构13和中心轴承14。环状阀体1的端面上开设有N个沿同一圆周向均匀分布的孔15，孔15的数目N等于爆震管21数量1/k(k为大于1且小于5的整数)；优选的，孔15为圆孔，为圆孔时孔15的内径等于爆震燃烧装置2中爆震管21的内径；环状阀体11的内环内壁面上设有用于与导气传动装置3中的滑销配合使用的滑槽12，该滑槽12以2π/kN为最小周期正弦曲线的形式延伸，滑槽12最靠下游位置(正弦曲线波谷处)与开孔周向位置对应，即：若正弦曲线的某个波谷处对应有孔15，则该波谷、该孔15的轴线以及环状阀体1的轴线三者共面。为了匹配连接结构13和爆震燃烧装置2中的爆震管21，环状阀体11的内环侧壁沿轴向向外延伸一定距离以为连接结构13提供足够的安装面，环状阀体11的外环侧壁沿轴向向外延伸一定距离形成爆震管21的径向限位面。连接结构13用于将环状阀体11与中心轴承14连接。中心轴承14用于固定在发动机机匣上，保证机械旋转阀1的轴向位置固定。

如图7-8所示，爆震燃烧装置2用于产生爆震波，爆震燃烧装置共有kN个，沿同一圆周均布设置。单个爆震燃烧装置2包括爆震管21、导气筒22、火花塞24、喷油嘴23和传动杆支撑结构；爆震管21的内径对应机械旋转阀1端面上的孔15的内径，爆震管21的外壁面与机械旋转阀1中环状阀体11的外环侧壁沿轴向的延伸段匹配贴合。每根爆震管21的侧壁上均设置有导气筒22、火花塞24、喷油嘴23以及传动杆支撑结构，其中火花塞24和喷油嘴23位于爆震管21上更靠近机械旋转阀1的端部，导气筒22位于爆震管21的中部且距离火花塞24的距离大于等于300mm小于等于400mm，可以在保证产生稳定爆震波的前提下进一步提高导气传动装置3的工作可靠性。导气筒22通过导气孔28与爆震管21内腔相连，火花塞24位于喷油嘴23与导气筒22之间(即火花塞24位于喷油嘴23的下游)。导气筒22的中部安装有环状盘27，该环状盘27的端面上均布开设有多个扇形窗口29；在与导气传动装置3配合工作时，导气传动装置3右端的周向固定结构通过该环状盘27上的扇形窗口29与导气筒22匹配。传动杆支撑结构共有两类：第一类传动杆支撑结构25安装在爆震管21的端部侧壁且靠近导气筒22的区域，只起到支撑导气传动装置中传动杆31的作用，通过减小与传动杆31的接触面积能够起到减小摩擦的作用；第二类传动杆支撑结构26安装在爆震管21的端部侧壁且更靠近机械旋转阀1的区域，同时起到支撑导气传动装置3中传动杆31和固定传动弹簧5的作用。

如图1、9-10所示，导气传动装置3的数目与爆震燃烧装置2相对应，每个爆震燃烧装置2都匹配有一个导气传动装置3。单个导气传动装置3包括依次连接的滑销箱34、传动杆31和导气筒套32。传动杆31为等径直杆，在传动杆31的中部设置有凸台33用于在导气传动装置3与爆震燃烧装置2配合工作时起到固定传动弹簧5的作用。导气筒套32由导气腔35、泄压孔36和周向固定结构37组成；导气腔35的内径与爆震燃烧装置2中导气筒22的外径匹配，其右端的周向固定结构37与导气筒22上环状盘27端面的扇形窗口29匹配安装；泄压孔36有多个，沿周向均匀布置在导气筒套32的侧壁上且与导气腔35连通。如图12、13所示，导气传动装置3与爆震燃烧装置2、传动弹簧5装配后，爆震燃烧装置2中的导气筒22插入导气传动装置3中的导气腔35内，且遮挡导气腔35侧壁上的泄压孔，导气传动装置3中的导气腔35通过爆震燃烧装置2中的导气筒22与爆震管2内腔连通(即与爆震室连通)，导气传动装置3中的传动杆31由爆震燃烧装置2中爆震管21侧壁的传动杆支撑结构支撑，传动弹簧5由导气传动装置3中传动杆31中部的凸台33和爆震管21侧壁上其中一个传动杆支撑结构限位。滑销箱34由滑销39、支撑弹簧38和滑销箱外罩310组成，滑销39为直径与机械旋转阀1中环状阀体11内环内壁面上的滑槽12宽度匹配的圆柱体，滑销39安装在滑销箱外罩310的中心位置且端部伸出滑销箱外罩310，支撑弹簧38安装在滑销箱外罩310内且位于滑销39的底部用于向其施加压力，保证滑销39与机械旋转阀1的滑槽12始终保持紧密接触，保证了机械旋转阀的工作可靠性。在导气传动装置3与机械旋转阀1配合工作时，滑销39在机械旋转阀1的滑槽12内滑动，从而带动旋转机械阀1旋转，将导气传动装置3的轴向往复运动通过滑销39与滑槽12的配合转化为机械旋转阀1的周向旋转运动。

如图1、11所示，支撑结构4至少有3个，平行设置，安装在发动机机匣上，用于固定和约束爆震燃烧装置2中的爆震管21。

本发明的原理是：

定义来流方向为上游，爆震燃烧装置2产生的爆震波的绝大多数能量通过爆震管自身腔体向下游传播产生推力，其余能量通过爆震管21侧壁的导气筒22进入导气传动装置3中导气套筒32的导气腔35内，推动传动杆31轴向移动，进一步带动滑销箱34上的滑销39沿机械旋转阀1的滑槽12滑动，从而带动旋转机械阀1旋转，实现自适应地控制旋转机械阀1的启闭和开度，最终通过旋转机械阀1的自适应调节实现爆震室反传隔离和爆震室自适应填充。

如图14所示，此时刻两个相邻的爆震燃烧装置分别处于填充(一号爆震燃烧装置)和膨胀(二号爆震燃烧装置)阶段。随后时刻，一号爆震燃烧装置中周向布置的火花塞24点火，在火花塞24下游一段距离形成稳定爆震波向爆震室出口传播，由于喷油嘴23上游没有可燃混气分布，在喷油嘴24上游方向爆震波退化为不含化学反应的反传波向上游传播。

如图15所示，一号爆震燃烧装置中爆震波向下游传播经过其爆震管21侧壁上的导气孔28后，爆震波后的高压已燃混气由导气孔28进入导气筒22并推动其所对应的导气传动装置3向上游位移，导气传动装置3的滑销39沿机械旋转阀1的滑槽12移动，从而将导气传动装置3的轴向位移转化为机械旋转阀1的周向位移，带动机械旋转阀1旋转。与此同时，一号爆震燃烧装置中的反传波以远小于爆震波的传播速度向上游传播，与之相邻的二号爆震燃烧装置仍处于膨胀阶段。随着一号爆震燃烧装置中波后高压已燃混气不断进入导气筒22，导气传动装置3不断向上游位移，设置在导气传动装置3中传动杆31上的凸台33与爆震燃烧装置2传动杆支撑结构之间的传动弹簧5逐步被压缩。

在一号爆震燃烧装置对应的导气传动装置3中滑销39的带动下，机械旋转阀1逐步旋转至如图16所示的位置，此时一号爆震燃烧装置的爆震管21与机械旋转阀1端面的孔15均不连通，其来流流路被机械旋转阀1切断，实现了反传波的隔离。而与此同时，二号爆震燃烧装置的爆震管21与机械旋转阀1端面上其中一个孔15连通，其来流流路逐渐打开，二号爆震燃烧装置进入排气阶段。此时，二号爆震燃烧装置对应的导气传动装置3的导气腔35上的泄压孔36位移至2号爆震燃烧装置中导气筒22的左侧，导气腔35和导气筒22内的高压气体得以释放，内外压差降低，二号爆震燃烧装置对应的导气传动装置3在传动弹簧5的作用下开始向初始位置回弹，滑销9相对机械旋转阀1的滑槽12移动，从而带动机械旋转阀1旋转。

当机械旋转阀1逐步旋转至如图17所示位置时，此时二号爆震燃烧装置对应的导气传动装置3回弹至初始位置，一号爆震燃烧装置处于膨胀阶段，二号爆震燃烧装置处于填充阶段。随后二号爆震燃烧装置填充完成，其周向布置火花塞24点火起爆，进入下一循环。