一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机的制作方法

本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，具体为一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机。

背景技术：

现有的各类航空航天动力装置，基本都基于等压燃烧方式，其技术水平已经趋于成熟，很难取得进一步突破。与等压燃烧方式相比，爆震燃烧在理论上具有更高的热循环效率和更快的热量释放速率。基于爆震燃烧方式的发动机具有潜在的性能优势。旋转爆震发动机(rotatingdetonationengine，简称rde)作为新概念爆震发动机的一种，具有结构简单、工作频率高和单次起爆等优势，因此有着广阔的应用前景。

旋转爆震发动机通常采用环腔型燃烧室结构。理论上，起始阶段建立爆震波工作模态后，便可以实现稳定工作。因此，避免了每个工作循环，都需要缓燃向爆震转变的过程(deflagrationtodetonationtransition，简称ddt)，发动机的工作频率能够达到数千赫兹。但在实际工作过程中，受到填充过程等因素的影响，尤其在接近极限工况时，爆震波会出现解耦，并转变为缓燃波。爆震波转变为缓燃波后，由于燃烧室内缺少shchelkin螺旋等能够增加流场湍流度的结构，缓燃波需要较长时间才能转变为爆震波，甚至无法转变为爆震波模态。具体表现为发动机出现交替的爆震波和缓燃波模态工作，严重影响发动机的稳定性。

另外，现有的旋转爆震发动机通常在燃烧室外环，连接一根预爆管。其主要作用是先在预爆管内形成稳定传播的爆震波，然后爆震波从预爆管出口沿切向射入到燃烧室内，爆震波在燃烧室内沿周向继续传播，从而在环腔内形成稳定的爆震波工作模态。虽然预爆管能够快速建立爆震波工作模态，但该装置会增加燃烧室的体积，并且在燃烧室外环设计冷却水套等其他结构时，该装置会增加设计的复杂度，不利于燃烧室的结构设计。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术存在的不足,克服传统的rde需要预爆管起爆，不稳定工作时再启动等问题；本发明提出一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机。首先，本发明在能够实现快速起爆的条件下，省去了rde的预爆管结构，可明显减小燃烧室的体积；其次，当发动机开始出现不稳定工作状态时，即以缓燃波模态工作时，扰流装置能够对流场产生有效地扰动，快速实现ddt过程，可有效避免发动机出现长时间不稳定工作。

本发明的技术方案为：

所述一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，主体由燃烧室盖板、进气环腔、燃烧室内环、燃烧室外环和扰流装置组成。

所述发动机盖板中心分布了燃料进气孔和氧化剂进气孔，分别供给燃料和氧化剂；所述进气环腔与发动机盖板通过周向均布的12个螺钉进行连接，其沿周向均布了两组供气孔，每组供气孔为60个，供气孔与轴向的夹角为45°，两组供气孔分别供给燃烧室所需的氧化剂和燃料；所述燃烧室外环与进气环腔通过周向均布的12个螺钉进行连接，燃烧室外环上预留了火花塞安装孔和两个压力传感器安装孔，两个压力传感器安装孔沿周向间隔为90°；燃烧室内环与进气环腔通过沿周向均布的4个螺钉进行连接，燃烧室外环和燃烧室内环组成了rde的环腔型燃烧室。

所述的扰流装置嵌入在进气环腔内，由扰流块、弹簧、传动结构、自锁开关和密封圈组成；扰流块安装在进气环腔的椭圆孔内，且与燃烧室的轴向平行；弹簧的一端安装在进气环腔内部的环缝中，另一端与扰流块进行连接；所述传动结构由两块垂直的矩形板组成，通过矩形槽结构进行连接，传动结构一端安装在沿径向分布的圆孔内，另一端嵌套在自锁开关的中心；自锁开关安装在进气环腔内的肋板结构中，其外环为圆柱体，内部为空心的正六边形；自锁开关能接受计算机的控制信号，收到控制信号后，自锁开关自动沿顺时针转动20°；另外，当自锁开关转动的角度超过15°后，自动恢复到初始状态；密封圈安装在进气环腔的椭圆孔内，起到密封和防回火的作用。

有益效果

本发明一种嵌入扰流装置的旋转爆震发动机，采用嵌入式的扰流装置，可以省去旋转爆震发动机的预爆管装置，能有效减小发动机的体积；扰流装置可以实现多次启动，有效地解决了工作过程中爆震波解耦，发动机再启动的问题，保证了发动机工作的稳定性；在发动机稳定工作时，扰流装置不会对燃烧室内的流场产生任何影响，不会造成性能损失；燃烧室环腔内均布的供气孔与扰流块采用间隔分布，能有效减小扰流块对燃料和氧化剂的供给与掺混过程的影响；发动机部件基本都采用机械装置，设计合理，能够保证工作的可靠性和稳定性。

附图说明

图1：燃烧室示意图；

图2：燃烧室半剖视图；

图3：供气环腔示意图；

图4：扰流装置示意图；

图5：传动结构示意图；

图6：不同工作状态时扰流块的位置；

其中，1-发动机盖板，2-进气环腔，3-燃烧室外环，4-燃烧室内环，5-氧化剂进气孔，6-燃料进气孔，7-氧化剂供气环腔，8-燃料供气腔，9-扰流块，10-弹簧，11-传动结构，12-自锁开关，13-密封圈，14-供气孔，15-火花塞安装孔，16-传感器安装孔，17-螺钉，18-火花塞，19-动态压力传感器，20-计算机，21-信号线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，附图描述本发明：

参阅图1和图2所示，本发明主体由燃烧室盖板1、进气环腔2、燃烧室内环3、燃烧室外环4组成。发动机盖板1中心分布了燃料进气孔6，外界气源供给的气态燃料，通过燃料进气孔6供给到进气环腔的空心腔体8内，发动机盖板1沿周向均布的6个氧化剂进气孔5，外界气源供给的气态氧化剂，通过氧化剂进气孔5供给到进气环腔的空心环腔7内。进气环腔2与发动机盖板1通过周向均布的螺钉17进行连接，进气环腔中心处的空心腔体和靠外环的空心环腔的壁面上，分别沿周向均布了两组供气孔14，每组供气孔为60个，供气孔与轴向的夹角为45°。外界气源供给到空心腔体的燃料，通过空心腔体一侧的供气孔供给到环腔型燃烧室内，外界气源供给到供气环腔的氧化剂，通过环腔一侧的供气孔供给到环腔型燃烧室内。燃烧室外环3与进气环腔2通过周向均布的12个螺钉进行连接，燃烧室外环3上预留了火花塞安装孔15和两个动态压力传感器安装孔16，两个传感器安装孔沿周向间隔90°。火花塞18安装在火花塞安装孔内，发动机开始工作时起到点火的作用。动态压力传感器19安装在传感器安装孔16内，监测燃烧室内燃烧波的压力和传播速度，采集的压力信号通过信号线21传输到发动机控制系统中的计算机20。燃烧室内环4与进气环腔2通过沿周向均布的4个螺钉进行连接，燃烧室外环3和燃烧室内环4组成了rde的环腔型燃烧室。

参阅图3、图4和图5所示，扰流装置嵌入进气环腔2内，由扰流块9、弹簧10、传动结构11、自锁开关12和密封圈13组成。扰流块9安装在进气环腔2的椭圆孔内，且与燃烧室的轴向平行。弹簧10的一端安装在进气环腔2内部的环缝中，另一端与扰流块9进行连接。传动结构11由两块垂直的矩形板组成，通过矩形槽结构进行连接，两块矩形板能在一定幅度内运动。其中，沿燃烧室径向的矩形板由于圆孔的限制，只能沿径向运动，另一块矩形板只能以自锁开关12为圆心进行旋转。自锁开关12安装在进气环腔内的肋板结构中，其外环为圆柱结构，内部为空心的正六边形，矩形板的一端凸出的正六边形结构，正好嵌套在自锁开关中，与自锁开关同步转动。自锁开关12能通过信号线21接受计算机20的控制信号，收到控制信号后，自锁开关12自动沿顺时针转动20°。另外，当自锁开关12转动的角度超过15°后，自动恢复到初始状态。密封圈13安装在椭圆孔中，起到密封和防回火的作用，密封圈的材料。

工作循环过程

发动机点火前，扰流装置的状态参阅图6(a)所示，扰流块9伸入燃烧室环腔内。发动机供气后，氧化剂和燃料分别从供气孔14进入到燃烧室环腔内，火花塞18点火，火焰在燃烧室环腔内传播。当火焰锋面经过扰流块9时，扰流块9能增大流场的湍流度，对火焰起到加速的作用。经过数个扰流块加速作用后，火焰传播速度迅速增加，燃烧室内的压力也会升高。参阅6(b)所示，扰流块9受到气体的压力作用后，沿燃烧室轴向运动，其后的弹簧10被压缩。扰流块9沿轴向运动过程中，会挤压传动装置11，其中一块矩形板沿径向运动，两块矩形板的相对位置随之变化，另一块矩形板以自锁开关12为圆心，带动自锁开关同步旋转。缓燃波转变为爆震波的过程中，随着燃烧室内的压力不断升高，弹簧10产生形变量越来越大。当燃烧室内的燃烧波转变为爆震波后，燃烧室内的压力达到最大值，扰流块被全部压入椭圆孔内，参阅6(c)所示。此时，扰流块9不再与传动装置11接触，传动装置的径向位移达到最大值，与其连接的自锁开关12沿顺时针转动的角度超过15°。在不受力的条件下，自锁开关12自动沿逆时针旋转到初始状态。扰流块9受到传动装置和环腔壁面的限制，无法沿轴向运动，此时弹簧10处于形变量最大的压缩状态。建立了上述的稳定工作状态后，扰流装置11不会对燃烧室内的流场产生任何影响，发动机处于稳定工作状态。

在爆震波传播过程中，受到填充等因素的影响，爆震波会出现解耦的现象，转变为缓燃波。具体表现为，燃烧波峰值压力迅速降低，并且传播速度大幅度衰减。通过动态压力传感器19采集的信号，经过控制系统中的计算机20分析后，可以立即捕捉到爆震波解耦的现象，计算机的控制程序自动发出信号。自锁开关通过信号线21接收到信号后，自锁开关12自动沿顺时针转动20°，带动传动装置11沿径向运动一定的距离，矩形板不再限制扰流块9的运动，处于压缩状态的弹簧10，推动扰流块进入燃烧室环腔中。扰流块9的头部刚好不再挤压传动装置11时，传动装置恢复到初始状态，参阅6(a)所示。此时，扰流块能够对流场进行有效地扰动，火焰在经过数个扰流块的加速作用后，再次转变为爆震波模态。扰流块9受压力作用后，被全部压入椭圆孔内，参阅6(c)所示。扰流块9不再与传动装置11接触，传动装置的径向位移达到最大值，自锁开关12沿顺时针转动的角度超过15°，在不受力的条件下，自锁开关自动沿逆时针旋转到初始状态。扰流块受到传动装置和环腔壁面的限制，无法沿轴向运动，此时弹簧10处于形变量最大的压缩状态。此时，燃烧室再次恢复到稳定的爆震波工作模态。

当发动机结束工作时，通过氧化剂进气孔5喷注氮气，火焰不能维持传播状态，发动机熄火。此时自动触发计算机20的控制系统，自锁开关12接到开启的命令后，会沿顺时针旋转20°，传动系统正好不再限制扰流块9的运动。处于压缩状态的弹簧10，推动扰流块进入燃烧室环腔中。扰流块的头部刚好不再挤压传动装置时，传动装置恢复到初始状态，参阅图6(a)所示。