增压燃烧装置及方法
【技术领域】
[0001] 所描述的本发明总体上涉及增压燃烧并且更特别地涉及增压燃烧装置一一比如 脉冲爆震发动机 及其操作方法。
【背景技术】
[0002] 增压燃烧（pressure-gaincombustion)通过横过燃烧室增加压力，由此以热力学 的方式接近定容过程，从而得到了与常规的定压燃烧发动机相比效率更高的发动机。一种 实现增压燃烧的方法是使用振荡燃烧装置，比如实现脉冲爆震燃烧的脉冲式喷气发动机或 脉冲爆震发动机（或称之为"脉冲爆震燃烧器"）。
[0003] 脉冲爆震燃烧为一种增压燃烧过程，其中，发动机是脉动的以允许燃烧室中的可 燃混合物在通过点火源触发的爆震之间被清除和更新。爆震为超音速燃烧活动，其中，火焰 峰变得结合至（coupledto)冲击波并且通过反应混合物以声速传播。结果是，其热力学特 性有效地接近定容燃烧过程的热力学特性，与定压或稳定的爆燃过程相比，定容燃烧过程 提供了更高压力、更高的热效率和更低的比燃料消耗率（specificfuelconsumption)。脉 冲爆震燃烧器潜在地在热力学方面更有效，因为脉冲爆震燃烧器依靠的是从超音速的、冲 击诱发燃烧波升高的压力，而不是依靠标准的定压燃烧器中的定压爆燃过程。与常规的定 压燃烧器中的20英尺/秒至70英尺/秒的速度相比，脉冲爆震中的火焰速度可以以6000 英尺/秒行进。
[0004] 单爆震循环的操作循环包括下述步骤：用燃料和氧化剂的可燃混合物填充爆震 管，点燃混合物，朝向管的排放端传播爆震波，以及排出燃烧产物。在端部敞开的燃烧管中， 所述产物通过由在爆震波离开敞开端时突然膨胀至大气压而产生的稀疏波从管中排出。该 循环每秒钟可以重复数次。
[0005] 快速转换至爆震是理想的，以实现导致了更高的功率输出的高的操作频率。该 爆燃向爆震转换0DT)为：利用低能量启动而产生亚音速爆燃转换至超音速爆震的过程。 该过程可分为四个阶段：（i)混合物点火；（ii)燃烧波加速；（iii)爆炸中心的形成；以及 (iv)爆震峰的发展。向爆震转换所需的距离和时间分别称为起动距离和起动时间。阶段 ⑴至阶段（iii)占据了总体起动DDT距离和时间的大部分。用于DDT的大部分时间主要 由向湍流火焰转换的层流消耗。用于DDT的距离对湍流火焰的加速更敏感。沿着流动路径 的障碍物比如Shchelkin螺旋被认为会通过缩短用于阶段（ii)和阶段（iii)的距离和时 间来减小DDT。因此，理想的是提供实现用于更高的效率和性能的高操作频率的脉冲爆震燃 烧器。特别地，理想的是提供具有减小的总体起动DDT距离和时间的脉冲爆震燃烧器，由此 实现了高操作频率以及相应的提高的燃烧器性能和更高的功率密度。
[0006] 脉冲爆震燃烧器的高效且有效的操作的另一挑战是控制由爆震冲击波所导致的 燃烧产物的回流和回压。一种防止回流的已知的方法是使用机械阀系统。在具有此种阀系 统的脉冲爆震燃烧器中，机械阀打开以通过可燃混合物填充爆震室并且之后在爆震启动和 传播阶段以及排料阶段期间关闭。在美国专利no. 7, 621，118以及美国6, 505, 462中描述了 示例性的阀机构。这些阀机构具有机械的复杂性并且趋于产生机械和热疲劳倾向的问题， 这导致受限制的使用寿命和额外的使用维修需求。该装置的操作频率也会通过机械阀系统 而被限制。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的一个方面提供了增压燃烧器，该增压燃烧器包括爆震室、预燃烧室、 氧化剂旋流发生器、膨胀偏转（E-D)喷嘴和点火源。该爆震室具有上游引进端和下游排放 端并且构造成允许通过其传播超音速燃烧活动。预燃烧室具有与爆震室引进端流体连通的 下游端、与燃料输送通路连通的上游端、以及位于上游端与下游端之间的周向周界，该周向 周界具有与环形氧化剂输送通路连通的环形开口。氧化剂旋流发生器位于氧化剂输送通路 中并且包括叶片，所述叶片构造成使流过叶片的氧化剂切向地并以湍流的方式流入预燃烧 室，由此形成围绕环形开口的高旋流速度区域以及位于预燃烧室的中央部分中的低旋流速 度区域。E-D喷嘴定位在预燃烧室与爆震室之间并且在其之间提供了扩散的流体通路。点 火源与预燃烧室的低旋流速度区域连通并且可以选自包括电火花放电源、等离子体脉冲源 和激光脉冲源的组。预期该构型可以使燃烧器具有相对低的总体起动DDT距离和时间，由 此实现了高的操作频率和相应的高燃烧器性能。
[0008] 该E-D喷嘴可以包括具有内腔孔的大致筒形本体，该内腔孔具有与爆震室流体连 通的下游端以及位于本体中的与所述腔孔流体连通的至少一个周向布置的口；环形棱缘， 该环形棱缘从本体向外延伸并且接触爆震室的引进端的外棱缘；大致筒形整流罩，该大致 筒形整流罩从环形棱缘延伸超过筒形本体的上游端使得在整流罩与筒形本体之间限定有 环形空间；以及端板，该端板位于腔孔的上游端处并且具有延伸通过板并且提供腔孔与预 燃烧室之间的流体连通的至少一个扩散器通道。该扩散器通道和口提供了在预燃烧室与爆 震室之间的扩散通路。该整流罩可以具有呈部分环面形式的覆盖物，该覆盖物延伸进入预 燃烧室并且延伸成足够接近预燃烧室的环形开口以产生将切向流动的氧化剂朝向预燃烧 室的中央径向向内偏转的康达效应。端板可以包括多个扩散器通道，所述多个扩散器通道 中的每个扩散器通道以一定的角度从腔孔向外延伸使得每个通道朝向整流罩的内侧表面 指向而未朝向预燃烧室指向。
[0009] 根据本发明的另一方面，提供了用于操作增压燃烧器的方法，该方法包括：使氧 化剂切向地并以湍流的方式流入预燃烧室以形成位于预燃烧室的外部处的高旋流速度区 域以及位于预燃烧室的内部处的低旋流速度区域；将燃料注入预燃烧室的高旋流速度区 域；使燃料和氧化剂的混合物流入与预燃烧室流体连通的爆震室；在选定的停歇周期之 后，点燃位于预燃烧室的低速旋流区域中的燃料和氧化剂以形成火焰核心；以及将从火 焰核心形成的火焰峰通过E-D喷嘴引导至爆震室中使得爆震室中的氧化剂和燃料被爆震 (detonated)，从而导致了超音速燃烧活动，在超音速燃烧活动中，火焰峰联接至冲击波并 且通过爆震室以声波速度传播。预期以此方式操作燃烧器以提供相对低的总体起动DDT距 离和时间，由此实现了高的操作频率和相应的高燃烧器性能。
[0010] 根据本发明的再一方面，提供了增压燃烧器，包括：爆震室，该爆震室具有上游引 进端和下游排放端，其中，爆震室构造成允许通过其传播超音速燃烧活动；预燃烧室，该预 燃烧室与爆震室的引进端流体连通并且与燃料输送通路和氧化剂输送通路流体连通；点火 源，该点火源与预燃烧室连通并且定位成点燃其中的燃料/氧化剂混合物；E-D喷嘴，该E-D喷嘴位于预燃烧室与爆震室之间并且包括扩散流体通路，该扩散流体通路构造成与沿上游 方向的流体流相比对沿下游方向的流体流进行较少地限制。预期该构型有效地控制由燃烧 器内侧的爆震冲击波所导致的燃烧产物回流和回压。
[0011] E-D喷嘴可以以以上描述的方式来构造。通过该E-D喷嘴，由于整流罩将上游流体 流的至少一部分从通道引导至环形空间中从而与经由口流入环形空间的上游流体流干扰， 由此与下游流体流相比，上游流体流更具有限制性。
[0012] 根据本发明的另一方面，提供了增压燃烧器，包括：爆震室，该爆震室具有上游引 进端和下游排放端，其中，爆震室构造成允许通过其传播超音速燃烧活动；预燃烧室，该预 燃烧室与爆震室的引进端流体连通并且与燃料输送通路和氧化剂输送通路流体连通；点火 源，该点火源与预燃烧室连通并且定位成点燃其中的燃料/氧化剂混合物；E-D喷嘴，该E-D 喷嘴位于预燃烧室与爆震室之间并且包括位于其之间的扩散流体通路；以及膨胀室，该膨 胀室与氧化剂入口和预燃烧室流体连通并且包括下述体积：所述体积选定为将在爆震室中 由爆震所导致的回压减少至膨胀室内侧的期望的静压力。该期望的静压力可以为小于氧化 剂入口处的氧化剂压力的压力。预期该构型有效地控制由爆震冲击波所导致的燃烧产物的 回流和回压。
[0013] 膨胀室可以包括与爆震室热连通并且与预燃烧室流体连通的预热室，以及与预热 室和氧化剂入口流体连通的充压室。导流板壳体可具有截头圆锥形形状并且定位在充压室 内侧以在其中形成弯曲（sinuous)的氧化剂流动通路。
[0014] 根据本发明的再一方面，提供了增压燃烧器，包括：爆震室，该爆震室具有上游引 进端和下游排放端，其中，爆震室构造成允许通过其传播超音速燃烧活动；燃料-氧化剂混 合室，该燃料-氧化剂混合室与爆震室引进端流体连通并且与燃料输送通路和氧化剂输送 通路流体连通；点火源，该点火源与爆震室连通并且定位成点燃其中的燃料/氧化剂混合 物；扩散器，该扩散器位于混合室与爆震室之间并且包括扩散流体通路，该扩散流体通路用 于将下游流动的流体从混合室扩散至爆震室；以及气动阀子组件，该气动阀子组件位于氧 化剂输送通路中并且包括至少一个环状圈部段，该环状圈部段具有径向地向内渐缩以形成 面向下游方向的截头圆锥形喷嘴的腔孔，由此限定了构造成与沿上游方向相比沿下游方向 具有更少的限制的氧化剂输送通路。该增压燃烧器还可以包括流体地联接至膨胀室和混合 室的至少一个氧化剂管道，在此情况下，气动阀子组件位于该管道中。预期该构型有效地控 制由燃烧器中的爆震冲击波所导致的燃烧产物的回流和回压。
[0015] 该增压燃烧器还可以包括与氧化剂入口和混合室流体连通的膨胀室，该膨胀室包 括下述体积：所述体积选定为将在爆震室中由爆震所导致的回压减少至膨胀室内侧的期望 静压。该膨胀室可以与爆震室热连通，由此用作预热室以加热流动通过其中的氧化剂。
【附图说明】
[0016] 图1为根据本发明的第一实施方式的脉冲爆震燃烧器的前视立体图。
[0017] 图2为脉冲爆震燃烧器的后