自给式内燃波转子点火装置及方法与流程

本公开涉及一种自给式内燃波转子点火装置及方法。

背景技术：

内燃波转子是一种集波转子增压功能和非定常燃烧效率高为一体的新型燃烧装置，可以取代传统基于等压燃烧发动机的燃烧室部分，组合形成内燃波转子发动机，可以显著提高推进系统的性能。因此近年来内燃波转子技术获得了国内外学者广泛研究与关注。比如现有技术中有一种包含两个波转子通道的简化内燃波转子系统，基于该系统可以方便开展内燃波转子流动和燃烧特性研究。

内燃波转子通常包含几十个波转子通道，波转子转速通常高达几千甚至上万转每分钟，每个波转子通道相当于一个独立的非定常工作的燃烧室，波转子每旋转一周为一个循环周期，在该周期内每个波转子通道均需要进行一次点火。因此当点火位置固定后，内燃波转子的点火频率往往高达几千赫兹，很显然传统稳态工作的燃烧装置的点火频率很难满足内燃波转子点火频率要求。另外内燃波转子要实现高的循环效率，与波转子通道内的快速燃烧紧密联系，这要求较大的点火能量。为了满足上述两方面需求，国内外学者通常采用热射流点火装置，比如一种用于内燃波转子点火的连续热射流点火装置，其采用了连续稳定的热射流，满足了内燃波转子点火频率高、点火能量大的需求。尽管在实验研究阶段该方法能够成功实现内燃波转子的点火，然而该点火系统需要单独的空气及燃料供应系统，增加了整个系统的复杂程度，而且增加了实验任务的工作量；另外从实际工程应用角度考虑，携带额外的燃料和氧化剂供应系统也不现实，不符合推进系统质量轻、结构紧凑的需求。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种自给式内燃波转子点火装置以及一种自给式内燃波转子点火方法，涉及航空发动机点火及非定常燃烧技术领域。在内燃波转子正常工作过程中，通过燃气支管从排气通道内引流部分高温燃气，高温燃气经燃气支管进入燃料填充完毕的波转子通道，作为点火源实现内燃波转子点火。而在内燃波转子的启动及再点火阶段，可燃混气从排气通道进入燃气支管后，通过点火腔内的点火电嘴和钝体分别实现可燃混气的点火及火焰稳定。本公开的自给式内燃波转子点火装置，不需要额外增加点火系统以及相关的燃料和氧化剂供应系统，在保证可靠点火的前提下，使内燃波转子系统的结构更加紧凑，操作更简便。

根据本公开的一个方面，自给式内燃波转子点火装置包括燃气支管和点火腔，其中，燃气支管的一端与波转子的排气通道连通，另一端穿过波转子的出口密封盘与波转子通道连通；燃气支管用于从排气通道内引流气体，并使气体进入波转子通道；点火腔与燃气支管连接，点火腔用于点燃流经燃气支管的气体。

根据本公开的至少一个实施方式，点火腔包括钝体和调节螺杆；钝体与调节螺杆连接；调节螺杆带动钝体在点火腔内部及燃气支管内部运动。

根据本公开的至少一个实施方式，钝体的形状为斜劈状，沿着燃气支管内的气流方向，钝体的截面积逐渐增加。

根据本公开的至少一个实施方式，钝体截面积最大处的截面形状分为两部分，其中，上半部分为矩形，下半部分为圆弧形。

根据本公开的至少一个实施方式，点火腔还包括点火电嘴；点火电嘴配置在调节螺杆后方，点火电嘴用于点燃钝体后方的气体；点火电嘴和调节螺杆与点火腔的壁部活动连接。

根据本公开的至少一个实施方式，当燃气支管内的气体流经钝体后，在钝体后方形成低速回流区。

根据本公开的至少一个实施方式，点火腔还包括调节螺帽，调节螺杆穿过调节螺帽和点火腔的壁部，通过旋转调节螺帽，使调节螺杆带动钝体在点火腔内部及燃气支管内部运动。

根据本公开的至少一个实施方式，燃气支管的一端与排气通道内靠近波转子通道排气前侧的一侧连通。

根据本公开的至少一个实施方式，燃气支管包括引气段、输运段和喷管段；其中，引气段一端与排气通道内靠近波转子通道排气前侧的一侧连通，另一端与输运段连接，引气段用于从排气通道内引流气体；输运段一端与引气段连接，另一端与喷管段连接，输运段将引气段引流的气体输运到喷管段；喷管段一端与输运段连接，另一端穿过出口密封盘后与波转子通道连通，喷管段用于将输运段输运的气体加速后喷入波转子通道。

根据本公开的另一方面，采用上述的点火装置为内燃波转子点火的方法包括以下步骤：

将波转子通道内的高温燃气或可燃混气排入波转子的排气通道；

燃气支管将排气通道内的高温燃气或可燃混气引入管内；

高温燃气或可燃混气流经与燃气支管连通的点火腔时，点火腔点燃可燃混气；

高温燃气或点燃后的可燃混气通过燃气支管加速后，进入波转子通道，实现内燃波转子点火。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的自给式内燃波转子点火装置结构示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的出口密封盘结构示意图。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的排气通道结构示意图。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的点火腔拆分示意图。

图5是根据本公开的至少一个实施方式的燃气支管结构示意图。

图6是根据本公开的至少一个实施方式的自给式点火工作方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

内燃波转子点火需要能量大、频率高的点火源，例如采用单独的热射流点火系统进行点火，但该方法存在系统复杂、操作不方便等问题。本公开提供了一种自给式的内燃波转子点火装置，不需要为热射流点火系统提供额外的空气及燃料供应系统，通过燃气支管从排气通道内引流高温燃气或可燃混气用做内燃波转子的点火源，并在燃气支管上安装点火腔，点火腔内布置位置可调的钝体，用来调节用于点火的高温燃气量，同时为启动点火或再点火提供低速回流区，以确保系统可靠运行。下面结合附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，自给式的内燃波转子点火装置包括燃气支管3和点火腔4。其中，燃气支管3的一端与波转子的排气通道2连通，另一端穿过波转子的出口密封盘1与波转子通道连通；燃气支管3用于从排气通道2内引流气体，并使气体进入波转子通道；点火腔4与燃气支管3连接，点火腔4与燃气支管3的内部连通，用于点燃流经燃气支管3的气体。

具体的，如图2所示，内燃波转子的出口密封盘1为一环形盘状结构，出口密封盘1上可以开有射流端口1a和排气端口1b。射流端口1a可以为圆形；射流端口1a的半径与燃气支管3的半径相同，以便用于固定燃气支管3。排气端口1b可以为扇环形；排气通道2安装在排气端口1b上。燃气支管3总体结构可以是圆弧形状，这样将不占用系统中心处其他部件的安装空间。燃气支管3的一端与排气通道2连通，另一端穿过出口密封盘1上的射流端口1a后与波转子通道连通。内燃波转子正常工作过程中，高温燃气从排气端口1b排出后进入排气通道2，燃气支管3将高温燃气从排气通道2引入管内，高温燃气经过燃气支管3加速后从射流端口1a射入波转子通道，实现内燃波转子点火。点火腔4安装在燃气支管3上，与燃气支管3连接。优选的，燃气支管3的管壁上开有安装缺口，点火腔4配置在该安装缺口上方，与燃气支管3的内部连通。当内燃波转子需要启动点火或运行过程中出现熄火时，可通过点火腔4点燃流经燃气支管3的可燃混气，点燃后的可燃混气通过燃气支管3加速后进入波转子通道，从而实现内燃波转子的启动点火或再点火。

在本公开的一个可选实施方式中，安装在排气端口1b上的排气通道2的形状可以根据实际经验或需要合理设置，也可以与排气端口1b的形状一致，即为扇环形通道，如图3所示。排气通道2可以分为通道前侧2c和通道后侧2d；通道前侧2c是指排气通道2内靠近波转子通道的排气前侧的一侧；通道后侧2d则指排气通道2内靠近波转子通道的排气后侧的一侧。排气通道2上可以开有引气口2b，用来安装燃气支管3。优选的，引气口2b位于通道前侧2c的前侧壁2a上。燃气支管3一端穿过引气口2b与排气通道2内靠近波转子通道的排气前一侧连通。燃气支管3从该处引气，一方面是因为此处排出燃气压力较高，点火能量较大；另一方面，从该处引气可以部分缓解排气通道2内排气压力不均匀的问题。

在本公开的一个可选实施方式中，如图4所示，点火腔4可以包括钝体12和调节螺杆13。其中，钝体12与调节螺杆13相连，调节螺杆13用来带动钝体12在点火腔4内部及燃气支管3内部运动，钝体12用来调节燃气支管3的有效流通面积。钝体12可以是对燃气支管3内流经的高温燃气或可燃混气起不同程度阻挡作用的任何物体。

优选的，钝体12的形状为斜劈状，沿着燃气支管3内的气流方向，钝体12的截面积逐渐增加。

更优选的，钝体12截面积最大处的截面形状可以分为两部分，其中，上半部分为矩形，下半部分为圆弧形。下半部分圆弧半径为r，上半部分矩形的长和宽分别为l和h，且l＝2h＝2r，其中r略小于燃气支管3的内半径，从而保证钝体12能够在燃气支管3和点火腔4内自由移动又能实现较好的堵塞效果。调节钝体12在燃气支管3内的位置，可以改变燃气支管3的有效流通面积，并且当钝体12截面积最大处的上半部分为矩形，下半部分为圆弧形时，钝体12对燃气支管3有效流通面积的调节范围可以为0～100％。

在本公开的一个可选实施方式中，点火腔4还可以包括腔体侧壁6、顶壁7、调节螺帽14和点火电嘴20。

具体的，腔体侧壁6可以是任何合理的形状，例如矩形，腔体侧壁6的数量为4个。腔体侧壁6可以通过任意合理的方式与燃气支管3连接，例如，可以在2个相对的腔体侧壁6上开设凹槽11，点火腔4可以通过凹槽11固定卡接在更靠近排气通道2前侧2c的燃气支管3的输运段3b外侧。调节螺帽14用来与调节螺杆13配合使用，调节螺帽14可以配置在顶壁上方，调节螺杆13穿过调节螺帽14和点火腔4的顶壁，通过旋转调节螺帽14可以使调节螺杆13带动钝体12相对于顶壁7上下移动。

优选的，如图4所示，可以在顶壁7上设置一移位支架9，并且顶壁7和移位支架9上开有同心的定位孔10。采用两个调节螺帽14分别配置在移位支架9的两侧。调节螺杆13穿过顶壁7和移位支架9上的定位孔10以及调节螺帽14，旋转调节螺帽14可以实现调节螺杆13的上下移动，调节螺杆13带动钝体12在点火腔4内部及燃气支管3内部运动。进一步地，当高温燃气或可燃混气流经燃气支管3时，钝体12形成的不同程度的阻挡作用可以影响燃气支管3的有效流通面积，即可以影响用于内燃波转子点火的高温燃气量。当燃气支管3内的气体流经钝体12后，还可以在钝体12后方形成低速回流区用于稳定点火。

优选的，点火腔4还可以包括电嘴座8，电嘴座8用于安装点火电嘴20。电嘴座8可以配置在顶壁7上，并且电嘴座8配置在移位支架9的后方。点火电嘴20穿过电嘴座8并通过电嘴座8固定在顶壁7上。具体的，点火电嘴20通过电嘴座8固定在调节螺杆13后方，或者固定在钝体12后方。点火电嘴20与电嘴座8活动连接，点火电嘴20可以实现相对于顶壁7的上下移动，即可以实现点火电嘴20在点火腔4内部的点火高度的调节。在内燃波转子的启动及再点火阶段，点火电嘴20用于点燃钝体12后方低速回流区19内的气体，例如可燃混气18，形成驻定的点火源，进一步点燃燃气支管3输运段3b内的可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经喷管16(喷管段3c)加速后进入波转子通道15完成内燃波转子的启动点火或再点火。

在本公开的一个可选实施方式中，如图5所示，燃气支管3可以设置成包括三个部分：引气段3a、输运段3b和喷管段3c。具体的，引气段3a一端通过排气通道2上的引气口2b与排气通道2的通道前侧2c连通，另一端与输运段3b连接。引气段3a从排气通道2内引流气体后，将气体送入输运段3b。输运段3b一端与引气段3a连接，另一端与喷管段3c连接。点火腔4可以配置在靠近排气通道2前侧的输运段3b的上方，相应的，输运段3b上可以开有安装缺口5用来配合安装点火腔4。可燃气体进入输运段3b后，在经过点火腔4时可以被点燃成高温燃气，并进一步被输运到喷管段3c。喷管段3c一端与输运段3b连接，另一端固定连接在出口密封盘1上的射流端口1a内，例如采用焊接固定。喷管段3c穿过射流端口1a与波转子通道连通。喷管段3c可以将输运段3b输运来的高温燃气加速后喷入波转子通道，从而实现内燃波转子的点火。

在本公开的一个可选实施方式中，在内燃波转子正常工作时，点火电嘴20可以选择停止工作，此时，自给式内燃波转子点火方法可以包括以下步骤：

波转子通道内的高温燃气从排气端口1b排出，燃气支管3的引气段3a从排气通道2内引流高温燃气后，输运段3b将所引流高温燃气输运到喷管段3c，高温燃气经过喷管16的加速后，作为点火源进入波转子通道15点燃可燃混气18形成非定常传播的火焰17。

在本公开的一个可选实施方式中，当内燃波转子需要启动点火或运行过程中出现熄火时，可以通过以下步骤实现内燃波转子的启动点火或再点火，结合图6的示意图，其具体步骤包括：

内燃波转子在启动阶段或熄火时，波转子通道15内充满可燃混气18，可燃混气通过出口密封盘上的排气端口1b排出后进入排气通道2；

燃气支管的引气段与排气通道2的引气口连接，排气通道2内的可燃混气18通过引气段进入到燃气支管内；

当可燃混气18流经燃气支管的输运段时，遇到与输运段连通的点火腔，可燃混气18绕过点火腔的钝体12，并在钝体12后方形成低速回流区19，点火腔的点火电嘴20点燃低速回流区19内的可燃混气18，形成驻定的点火源，点燃输运段中的可燃混气18；

点燃后的可燃混气18变成高温燃气流向燃气支管的喷管段，经过喷管16的加速后，高温燃气通过出口密封盘上的射流端口1a进入波转子通道，从而实现内燃波转子的启动点火或再点火。

需要强调的是，无论是在内燃波转子正常工作时，或者需要启动点火或再点火时，均可以通过调节钝体12的位置来控制用于点火的燃气量，确保点火系统可靠运转。

综上所述，本公开的自给式内燃波转子点火装置及方法，能够利用内燃波转子自身燃烧后的高温燃气作为点火源，以及通过点火腔实现内燃波转子启动点火与再点火，在满足点火能量及点火频率要求的基础上，不需要为点火系统提供额外的空气及燃料供应装置，还可以调节用于点火的燃气量，不仅能够确保点火系统的可靠性，还降低了内燃波转子点火系统的复杂程度，使整个内燃波转子系统结构更加紧凑，操作更加便捷。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。