对冲式气体掺混器

1.本发明特别涉及一种对冲式气体掺混器，属于动力技术领域。


背景技术：

2.气体掺混器应用于两种气体掺混或雾化液体与气体掺混的场合。在涉及到燃烧的领域如吸气式发动机、火箭发动机、重型燃机等，气体掺混器起到充分混合燃料与氧化剂的作用，燃料与氧化剂的掺混均匀程度会影响燃料在燃烧室的燃烧质量。没有经过均匀掺混的燃气会产生局部不均匀燃烧，导致了能量损失浪费，降低燃料使用率。在旋转爆轰发动机技术研究领域，工程化研究通常采用非预混式进气结构以防止回火现象的发生；但是在机理研究中，为了全面评估爆轰发动机的性能，也可以使用预混燃气作为燃料。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种对冲式气体掺混器，从而克服现有技术中的不足。
4.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
5.本发明实施例提供了一种对冲式气体掺混器，包括气体掺混器主体，所述气体掺混器主体包括外壳以及由所述外壳围合形成的掺混室，所述外壳上设置有与所述掺混室相连通的出气结构以及多个进气结构；
6.多个所述进气结构环绕所述掺混室分布，所述进气结构包括多个气孔，每一所述气孔包括导气通道以及分别位于所述导气通道两端的进气口、出气口，其中，至少选定的多个气孔的出气口的轴线方向相互交叉或重合，该选定的多个气孔分别属于不同的进气结构。
7.本发明实施例还提供了一种发动机，包括所述的对冲式气体掺混器。
8.与现有技术相比，本发明的优点包括：
9.1)本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器，可使燃料气体与氧化剂气体进入燃烧室前，先进入预混器充分掺混，使进入燃烧室的混合气体成分均匀，有利于爆轰发动机的成功起爆与爆轰波稳定自持传播；
10.2)以本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器为基础的新型旋转爆轰发动机燃烧室结构可大幅度简化，并提高了发动机的推重比等。
附图说明
11.图1是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器的结构示意图；
12.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器的爆炸结构示意图；
13.图3是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器的爆炸结构示意图；
14.图4是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器的内部结构示意图；
15.图5a和图5b是本发明实施例1中提供的一种气体掺混器主体的主体部分的结构示意图；
16.图6a和图6b是本发明实施例1中提供的一种气体掺混器主体的主体部分的横截面结构示意图；
17.图7a和图7b是本发明实施例2中提供的一种气体掺混器主体的主体部分的横截面结构示意图；
18.图8a和图8b分别是本发明实施例3、实施例4中提供的一种气体掺混器主体的主体部分的横截面结构示意图；
19.图9a、图9b、图9c分别是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器中进气结构中多个气孔的排列结构示意图；
20.图10是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器的原理结构示意图；
21.图11是本发明一典型实施案例中提供的一种对冲式气体掺混器和燃烧室配合的结构示意图。
具体实施方式
22.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
23.本发明主要针对预混式旋转爆轰发动机，提供了一种阵列小孔对冲式气体掺混器，实现在燃烧室前对多路气体进行预掺混，可减少低掺混均匀度气体对于爆轰波稳定传播的阻碍作用。
24.本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器，既能够应用于以空气作为氧化剂的吸气式发动机，也能够用于自带氧化剂的火箭发动机。
25.本发明实施例提供了一种对冲式气体掺混器，包括气体掺混器主体，所述气体掺混器主体包括外壳以及由所述外壳围合形成的掺混室，所述外壳上设置有与所述掺混室相连通的出气结构以及多个进气结构；
26.多个所述进气结构环绕所述掺混室分布，所述进气结构包括多个气孔，每一所述气孔包括导气通道以及分别位于所述导气通道两端的进气口、出气口，其中，至少选定的多个气孔的出气口的轴线方向相互交叉或重合，该选定的多个气孔分别属于不同的进气结构。
27.在一些具体的实施方式中，每一所述气孔的进气口与出气口同轴设置。
28.在一些具体的实施方式中，每一所述气孔的进气口、导气通道和出气口同轴设置。
29.在一些具体的实施方式中，所述进气口的面积大于或等于所述出气口的面积。
30.在一些具体的实施方式中，所述进气通道的内壁为连续的曲面。
31.在一些具体的实施方式中，所述进气通道的内壁的任一区域所对应的圆心角大于或等于90
°
。
32.在一些具体的实施方式中，所述进气结构所包含的多个气孔的轴线方向平行设
置。
33.在一些具体的实施方式中，所述气孔的出气口的轴线方向与掺混室的轴线方向所呈角度为30-90
°
，优选为90
°
。
34.在一些具体的实施方式中，每一所述进气结构中的多个气孔的结构均相同。
35.在一些具体的实施方式中，多个所述进气结构中的多个气孔的结构均相同。
36.在一些具体的实施方式中，每一所述进气结构所包含的多个气孔呈阵列分布。
37.在一些具体的实施方式中，所述进气孔的孔径为0.3-1.5mm，优选为0.3-0.8mm，所述进气孔的长径比(长度/孔径)在8以下，以防止过长的粗糙管壁使气体的沿程损失过大，动量降低太多，降低掺混效果。
38.在一些具体的实施方式中，于所述掺混室的轴线方向上，多个所述进气结构的部分气孔所处高度相同。
39.在一些具体的实施方式中，于所述掺混室的轴线方向上，多个所述进气结构的整体所处高度相同。
40.在一些具体的实施方式中，于环绕所述掺混室的圆周方向上，任意两个进气结构所呈角度大于0
°
而小于或等于180
°
，优选为大于90
°
而小于或等于180
°
。
41.在一些具体的实施方式中，于环绕所述掺混室的圆周方向上，多个所述进气结构等角度设置。
42.在一些具体的实施方式中，多个所述进气结构的结构相同。
43.在一些具体的实施方式中，任意两个所述进气结构的多个气孔一一对应。
44.在一些具体的实施方式中，所述掺混室的内壁为连续的曲面。
45.在一些具体的实施方式中，所述掺混室的内壁的任一区域所对应的圆心角大于或等于90
°
。
46.在一些具体的实施方式中，所述掺混室靠近所述进气结构的部分的截面面积大于靠近出气结构部分的截面面积。
47.在一些具体的实施方式中，所述掺混室包括沿自身轴线方向依次平顺连接的第一腔室、第二腔室和第三腔室，多个所述进气结构环绕所述第一腔室设置并直接与所述第一腔室相连通，所述出气结构直接与所述第三腔室相连通。
48.在一些具体的实施方式中，所述出气结构位于所述第三腔室远离第二腔室的一端部。
49.在一些具体的实施方式中，所述第三腔室的截面面积沿靠近出气结构的方向逐渐减小。
50.在一些具体的实施方式中，所述第一腔室和第二腔室为圆柱形结构，所述第三腔室为圆台形结构，并且，所述第三腔室的锥角小于90
°
，优选为所述第三腔室的锥角小于45
°
，这样可以使气流由从直径较大的第一腔室、第二腔室到直径较小的喷嘴出口的中间部分可以有一个比较平滑的过度，从而减小气体能量损失。
51.在一些具体的实施方式中，所述的对冲式气体掺混器还包括：进气盖，所述进气盖设置在所述气体掺混器主体上且与所述气体掺混器主体密封配合，所述进气盖与所述气体掺混器主体之间围合形成进气腔室，所述进气腔室经所述导气口与供气设备相连通，所述进气腔室还经所述进气结构与所述掺混室相连通。
52.在一些具体的实施方式中，在沿所述气孔的轴线方向上，所述进气腔室的深度大于气孔的长度但小于气孔长度的两倍。
53.本发明实施例还提供了一种发动机，包括所述的对冲式气体掺混器，当然，所述发动机还包括其他组成部件，其均为本领域技术人员已知的结构和部件，在此不作具体的限定和说明。
54.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，需要说明的是，如下实施例仅是示例性的，其主要解释和说明本发明的结构组成，而非用于限定本发明的保护范围。
55.实施例1
56.请参阅图1-图4，一种对冲式气体掺混器，包括气体掺混器主体110，所述气体掺混器主体110包括外壳以及由所述外壳围合形成的掺混室120，所述外壳上设置有与所述掺混室相连通的两个进气结构130和一个出气结构140，两个所述进气结构130设置在所述掺混室120的不同侧，需要掺混的多种气体分别自多个进气结构130进入掺混室120内，并于掺混室120内发生对冲碰撞，进而混合形成混合气体，混合气体能够自出气结构140被输出至下游机构。
57.在本实施例中，请再次参阅图1-图4，所述气体掺混器主体110可以包括主体部分111和连接部分112，所述主体部分111和连接部分112可拆卸的固定且密封连接，所述进气结构130设置在所述主体部分111上，所述出气结构140设置在所述连接部分112上，其中，所述主体部分111和连接部分112连接而在两者的内部围合形成所述掺混室120；需要说明的是，实现所述主体部分111和连接部分112固定且密封连接的结构和方式可以通过本领域技术人员人员已知的方式实现，在此不做具体的限定。
58.在本实施例中，当所述主体部分111的顶部为开口设置时，所述主体部分111的顶部还可以固定设置有密封顶盖113，所述密封顶盖113与所述主体部分111固定且密封连接，实现所述主体部分111和密封顶盖113固定且密封连接的结构和方式可以通过本领域技术人员人员已知的方式实现，在此不做具体的限定。
59.在本实施例中，所述进气盖与主体部分的连接应稳固可靠，并应有良好的密封条件，同时在实际使用时应在进气盖上游管路中连接回火防止器以保证安全，需要说明的是，所述密封顶盖113的作用仅为封住掺混室的上部，使气流只能沿掺混室的轴线方向向下自出气结构输出，当然，根据实际情况的设计与工艺，在一定的条件下，可将密封顶盖与主体部分一体设置。
60.在本实施例中，所述进气结构130包括多个气孔131，每一所述气孔131包括导气通道以及分别位于所述导气通道两端的进气口、出气口，其中一个所述进气结构130中的至少部分气孔131的出气口的轴线方向与另一进气结构130的至少部分气孔131的出气口的轴线方向相互交叉或重合，从而使自两个所述进气结构130进入掺混室120的气流能够发生对冲碰撞，同时，需要掺混的气体经多个气孔131进入掺混室120，多个气孔131能够对通入的气流进行分流，在提高气体进入掺混室120的均匀性的同时，还提高了气体进入掺混室120内的速度，进而提高了多股气流在掺混室120内的混合效果。
61.在本实施例中，每一所述气孔131的进气口与出气口同轴设置，优选设置为每一所述气孔131的进气口、导气通道和出气口同轴设置，并且，所述进气通道的内壁为连续的曲
面，即，气孔131内的导气通道表面不应设置为矩形、三角形等带有尖锐转角的形状，导气通道内的尖角转折会使经过的气流发生紊乱，无法在掺混室形成有效对冲，因此，所述进气通道的内壁的任一区域所对应的圆心角大于或等于90
°
，例如可以是120
°
。
62.在本实施例中，请参阅图5a和图5b，所述气孔131的进气口的面积大于或等于所述出气口的面积，即，所述气孔131可以是直孔或锥形孔，其中，锥形孔的进气效果优于直孔，锥形孔应设置为进气口的面积大，出气口的面积小，此情况下，每个锥形孔均形成收缩喷管，可使亚音速的来流加速，有助于自两个进气结构130进入的两股气流在掺混室内的对冲混合，但相对于直孔，锥形孔的加工难度较高，且相较于直孔，锥形孔的孔系排列密度会降低；当然，所述气孔131还可以设置为其他结构。
63.在本实施例中，所述进气结构130所包含的多个气孔131的结构可以是相同或不同的，例如，同一进气结构130所包含的多个气孔131可以是均为直孔或均为锥形孔或部分为直孔、部分为锥形孔，优选将所述进气结构130所包含的多个气孔131的结构是相同的。
64.在本实施例中，同一所述进气结构130所包含的多个气孔131的轴线方向平行设置，所述气孔131的出气口的轴线方向与掺混室120的轴线方向所呈角度为30-90
°
，优选为90
°
；即所述气孔131可以是倾斜设置的，也可以是水平设置的。
65.在本实施例中，请参阅图9a、图9b和图9c，所述进气结构130所包含的多个气孔131呈阵列分布，每一进气结构130所包含的气孔131数量不做限制，排布方式也不限于矩形阵列、圆形阵列、正五边形阵列等，具体的排布方式可以根据使用工况与气孔的进气口和出气口的结构等进行布置即可。
66.在本实施例中，所述进气孔的孔径为0.3-1.5mm，优选为0.3-0.8mm，所述进气孔的长径比在8以下，以防止过长的粗糙管壁使气体的沿程损失过大，动量降低太多，降低掺混效果。
67.在本实施例中，两个所述进气结构130的结构可以是相同或不同的，优选将两个所述进气结构130的结构设置为相同的。
68.在本实施例中，请参阅图6a和图6b，两个所述进气结构130于所述掺混室120的轴线方向上，两个所述进气结构130的部分气孔131所处高度相同，或者，于所述掺混室120的轴线方向上，两个所述进气结构130的整体所处高度相同，如此，以使自两个进气结构130输入的气体能够更好的发生对冲碰撞。
69.在本实施例中，请在此参阅图6a和图6b，两个所述进气结构130相对设置，即两个进气结构130在以掺混室的轴线为轴(该圆周的圆心位于所述掺混室的轴线上，且所述圆周与所述轴线垂直)的圆周方向上呈180
°
设置，两个所述进气结构130在同一平面内的正投影完全重合或者部分重合。
70.在本实施例中，两个所述进气结构130所包含的多个气孔131可以是一一对应的，也可根据实际使用效果将两个所述进气结构130所包含的多个气孔131设置为错开一定距离。
71.在本实施例中，所述掺混室120靠近所述进气结构130的部分的截面面积大于靠近出气结构140部分的截面面积，且所述掺混室120的内壁为连续的曲面，即所述掺混室120的内壁或表面不应设置为矩形、三角形等带有尖锐转角的形状，导气通道内的尖角转折会使经过的气流发生紊乱，因此，所述掺混室120的内壁的任一区域所对应的圆心角大于120
°
。
72.在本实施例中，请参阅图4和图10，所述掺混室120包括沿自身轴线方向依次平顺连接的第一腔室121、第二腔室122和第三腔室123，两个所述进气结构130相对设置所述第一腔室121的两侧并直接与所述第一腔室121相连通，所述出气结构140位于所述第三腔室123远离第二腔室122的一端部且直接与所述第三腔室123相连通。
73.在本实施例中，所述第一腔室121作为核心腔室并与进气结构130相配合，所述第一腔室121的截面面积与第二腔室122的截面面积相等，所述第三腔室123的截面面积沿靠近出气结构140的方向逐渐减小，所述第一腔室121、第二腔室122和第三腔室123任意相邻的两者之问平顺连接，以避免尖角转折，所述第三腔室123的截面面积逐渐减小，末端设置为收缩喷口(可以理解为出气结构140的一部分)，从而可以时使亚音速混合气流加速通过，所述出气结构140具有直孔的气流通道，从而使混合气流保持加速后的速度进入燃烧室。
74.在本实施例中，所述第三腔室123应平滑过渡收缩，所述第三腔室123与第二腔室122及出气结构140之间的过渡连接处对应的圆心角度应满足大于120
°
。
75.在本实施例中，所述第一腔室121和第二腔室122为圆柱形结构，所述第三腔室123为圆台形或圆锥形结构，并且，所述第三腔室123的锥角小于90
°
，这样可以使气流由从直径较大的第一腔室、第二腔室到直径较小的喷嘴出口的中间部分可以有一个比较平滑的过度，从而减小气体能量损失。
76.在本实施例中，所述气体掺混器主体110上还设置有两个进气盖150，所述进气盖150与所述气体掺混器主体110密封配合(本实施例中为进气盖150与所述气体掺混器主体110的主体部分111密封配合)，所述进气盖150完全覆盖所述进气结构130，所述进气盖150与所述气体掺混器主体110之间围合形成进气腔室152，所述进气腔室152经导气口151与供气设备相连通，所述进气腔室152还经所述进气结构130与所述掺混室120相连通。
77.在本实施例中，在沿所述气孔131的轴线方向上，所述进气腔室152的深度大于气孔131的长度但小于气孔131长度的两倍；需要说明的是，所述进气腔室152的深度过短会导致进气结构的进气不均匀，而过长又会使此处进气腔室152的体积过大，进而相应进气结构的进气速度与压力保持。
78.在本实施例中，所述对冲式气体掺混器中的各组成部件之间可以通过螺钉或螺栓等紧固件实现固定连接，彼此之间可以采用如o型圈等密封构件实现密封连接，所述掺混室的尺寸无特殊要求，但过大的尺寸会使需要掺混的气流对冲效果减弱，主体部分的外表面形状无要求，掺混室内表面形貌需满足不能出现尖锐转折的结构，其内表面结构无论是回转体或非回转体，存在转角处均应做大圆角处理。
79.请参阅图11，一种发动机，包括所述的对冲式气体掺混器100以及燃烧室200，对冲式气体掺混器100经所述出气结构140与燃烧室200相连通，需要说明的是，在本实施例中仅示出了发动机的对冲式气体掺混器100以及燃烧室200两部分，所述发动机还包括其他组成部件，其均为本领域技术人员已知的结构和部件，在此不作具体的限定和说明。
80.在本实施例中，请参阅图10，本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器的工作原理至少包括：分别使提供第一气体的第一供气设备、提供第二气体的第二供气设备与设置在两个进气盖150与气体掺混器主体110之间的两个进气腔室152相连通，第一气体和第二气体分别进入两个进气腔室152内，之后分别经两个进气结构130的多个气孔131加速后、均匀地进入掺混室120内，并于掺混室120内发生对冲碰撞，进而使第一气体和第二气体预
混合；
81.预混合后形成的混合气体于掺混室120内沿趋向于出气结构140的方向流动，由于掺混室120的截面面积沿沿趋向于出气结构140的方向逐渐减小，混合气体在流动过程中逐渐被加速，最终使混合气体保持加速后的速度自出气结构140进入燃烧室200。
82.实施例2
83.请参阅图6a和图6b，本实施例中的一种对冲式气体掺混器的结构与实施例1中的一种对冲式气体掺混器的结构基本一致，不同之处在于：本实施例中两个进气结构130的相对位置不同，本实施例中的两个进气结构130，于环绕所述掺混室120的周向方向上呈大于0
°
而小于180
°
的角度设置，优选呈大于或等于90
°
而小于180
°
的角度设置；图6a中示出的两个进气结构130呈90
°
设置，图6b中示出的两个进气结构130之间夹角为120
°
。
84.实施例3
85.请参阅图8a，本实施例中的一种对冲式气体掺混器的结构与实施例1中的一种对冲式气体掺混器的结构基本一致，不同之处在于：本实施例中对冲式气体掺混器设置有四个进气结构130，于一环绕所述掺混室120的周向方向上，四个进气结构130中相邻两个进气结构130呈90
°
设置，四个进气结构130可以实现两种以上气体和/或雾化液体的掺混，例如，，四个进气结构130可掺混四种气体或三种气体一种雾化液体，也可两两一组，掺混两种气体或一种气体、一种雾化液体。
86.实施例4请参阅图8b，本实施例中的一种对冲式气体掺混器的结构与实施例1中的一种对冲式气体掺混器的结构基本一致，不同之处在于：本实施例中对冲式气体掺混器设置有三个进气结构130，于一环绕所述掺混室120的周向方向上，四个进气结构130中相邻两个进气结构130呈120
°
设置，三个进气结构130可以实现两种以上气体和/或雾化液体的掺混。
87.需要说明的是，本发明实施例中的所说的多个进气结构130于一环绕所述掺混室120的周向方向上间隔设置，该周向方向所在平面与掺混室120的轴线方向垂直，亦可以理解为周向方向所在平面为掺混室的横截面，所说的于环绕所述掺混室的周向方向上呈角度设置，该角度为两个进气结构之间的部分所对应的圆心角；本发明实施例中所说的截面指的是横截面，即沿径向方向形成的截面。另外，关于本发明实施例中的一种对冲式气体掺混器，其不仅可以用于进行气体之间的预混合，还可以用于气体和雾化液体以及雾化液体之间的预混合。
88.本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器，可与预混式旋转爆轰发动机燃烧室直接连接，降低了回火现象的发生距离，更加符合模块化集成化设计理念，降低了燃烧室设计难度；并且，本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器主体掺混结构采用阵列小孔对冲结构，可极大的增加气体掺混均匀度，两路气体经过对冲掺混后，后续通道设计为收缩喷口，可以对亚音速气流进行加速输出。
89.本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器，其中的阵列小孔对冲结构存在多种结构设计，单一孔形貌可为直孔或锥孔，孔阵的排列可由实际使用需求与效果设计为多种排列方式，如多重环形和多边形等；本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器，其中的小孔阵列可采用180
°
对侧布置，在该情况下可采用对侧孔一一对应或错开布置，也可采用90
°
到180
°
间的交错布置；本发明实施例提供的一种对冲式气体掺混器不限于两路气体进气，
在结构与实际效果满足的情况下，可设计为沿周向分布的多组孔阵，作为多路进气结构。
90.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。