[發(fā)明專利]增壓燃燒裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380068987.4
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN104919249A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 亞歷杭德羅·朱安
• 申請（專利權(quán)）人: 指數(shù)技術(shù)股份有限公司
• 主分類號: F23N5/00
• 分類號: F23N5/00
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 董敏;王艷江

技術(shù)領(lǐng)域

所描述的本發(fā)明總體上涉及增壓燃燒并且更特別地涉及增壓燃燒裝置——比如脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)——及其操作方法。

背景技術(shù)

增壓燃燒(pressure-gain?combustion)通過橫過燃燒室增加壓力，由此以熱力學(xué)的方式接近定容過程，從而得到了與常規(guī)的定壓燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)相比效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)。一種實(shí)現(xiàn)增壓燃燒的方法是使用振蕩燃燒裝置，比如實(shí)現(xiàn)脈沖爆震燃燒的脈沖式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(或稱之為“脈沖爆震燃燒器”)。

脈沖爆震燃燒為一種增壓燃燒過程，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)是脈動(dòng)的以允許燃燒室中的可燃混合物在通過點(diǎn)火源觸發(fā)的爆震之間被清除和更新。爆震為超音速燃燒活動(dòng)，其中，火焰峰變得結(jié)合至(coupled?to)沖擊波并且通過反應(yīng)混合物以聲速傳播。結(jié)果是，其熱力學(xué)特性有效地接近定容燃燒過程的熱力學(xué)特性，與定壓或穩(wěn)定的爆燃過程相比，定容燃燒過程提供了更高壓力、更高的熱效率和更低的比燃料消耗率(specific?fuel?consumption)。脈沖爆震燃燒器潛在地在熱力學(xué)方面更有效，因?yàn)槊}沖爆震燃燒器依靠的是從超音速的、沖擊誘發(fā)燃燒波升高的壓力，而不是依靠標(biāo)準(zhǔn)的定壓燃燒器中的定壓爆燃過程。與常規(guī)的定壓燃燒器中的20英尺/秒至70英尺/秒的速度相比，脈沖爆震中的火焰速度可以以6000英尺/秒行進(jìn)。

單爆震循環(huán)的操作循環(huán)包括下述步驟：用燃料和氧化劑的可燃混合物填充爆震管，點(diǎn)燃混合物，朝向管的排放端傳播爆震波，以及排出燃燒產(chǎn)物。在端部敞開的燃燒管中，所述產(chǎn)物通過由在爆震波離開敞開端時(shí)突然膨脹至大氣壓而產(chǎn)生的稀疏波從管中排出。該循環(huán)每秒鐘可以重復(fù)數(shù)次。

快速轉(zhuǎn)換至爆震是理想的，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致了更高的功率輸出的高的操作頻率。該爆燃向爆震轉(zhuǎn)換(DDT)為：利用低能量啟動(dòng)而產(chǎn)生亞音速爆燃轉(zhuǎn)換至超音速爆震的過程。該過程可分為四個(gè)階段：(i)混合物點(diǎn)火；(ii)燃燒波加速；(iii)爆炸中心的形成；以及(iv)爆震峰的發(fā)展。向爆震轉(zhuǎn)換所需的距離和時(shí)間分別稱為起動(dòng)距離和起動(dòng)時(shí)間。階段(i)至階段(iii)占據(jù)了總體起動(dòng)DDT距離和時(shí)間的大部分。用于DDT的大部分時(shí)間主要由向湍流火焰轉(zhuǎn)換的層流消耗。用于DDT的距離對湍流火焰的加速更敏感。沿著流動(dòng)路徑的障礙物比如Shchelkin螺旋被認(rèn)為會通過縮短用于階段(ii)和階段(iii)的距離和時(shí)間來減小DDT。因此，理想的是提供實(shí)現(xiàn)用于更高的效率和性能的高操作頻率的脈沖爆震燃燒器。特別地，理想的是提供具有減小的總體起動(dòng)DDT距離和時(shí)間的脈沖爆震燃燒器，由此實(shí)現(xiàn)了高操作頻率以及相應(yīng)的提高的燃燒器性能和更高的功率密度。

脈沖爆震燃燒器的高效且有效的操作的另一挑戰(zhàn)是控制由爆震沖擊波所導(dǎo)致的燃燒產(chǎn)物的回流和回壓。一種防止回流的已知的方法是使用機(jī)械閥系統(tǒng)。在具有此種閥系統(tǒng)的脈沖爆震燃燒器中，機(jī)械閥打開以通過可燃混合物填充爆震室并且之后在爆震啟動(dòng)和傳播階段以及排料階段期間關(guān)閉。在美國專利no.7,621,118以及美國6,505,462中描述了示例性的閥機(jī)構(gòu)。這些閥機(jī)構(gòu)具有機(jī)械的復(fù)雜性并且趨于產(chǎn)生機(jī)械和熱疲勞傾向的問題，這導(dǎo)致受限制的使用壽命和額外的使用維修需求。該裝置的操作頻率也會通過機(jī)械閥系統(tǒng)而被限制。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面提供了增壓燃燒器，該增壓燃燒器包括爆震室、預(yù)燃燒室、氧化劑旋流發(fā)生器、膨脹偏轉(zhuǎn)(E-D)噴嘴和點(diǎn)火源。該爆震室具有上游引進(jìn)端和下游排放端并且構(gòu)造成允許通過其傳播超音速燃燒活動(dòng)。預(yù)燃燒室具有與爆震室引進(jìn)端流體連通的下游端、與燃料輸送通路連通的上游端、以及位于上游端與下游端之間的周向周界，該周向周界具有與環(huán)形氧化劑輸送通路連通的環(huán)形開口。氧化劑旋流發(fā)生器位于氧化劑輸送通路中并且包括葉片，所述葉片構(gòu)造成使流過葉片的氧化劑切向地并以湍流的方式流入預(yù)燃燒室，由此形成圍繞環(huán)形開口的高旋流速度區(qū)域以及位于預(yù)燃燒室的中央部分中的低旋流速度區(qū)域。E-D噴嘴定位在預(yù)燃燒室與爆震室之間并且在其之間提供了擴(kuò)散的流體通路。點(diǎn)火源與預(yù)燃燒室的低旋流速度區(qū)域連通并且可以選自包括電火花放電源、等離子體脈沖源和激光脈沖源的組。預(yù)期該構(gòu)型可以使燃燒器具有相對低的總體起動(dòng)DDT距離和時(shí)間，由此實(shí)現(xiàn)了高的操作頻率和相應(yīng)的高燃燒器性能。