一种环形激波聚焦起爆装置

1.本发明涉及燃烧室起爆技术领域，尤其是一种环形激波聚焦起爆装置。


背景技术：

2.爆轰发动机是一种基于热循环效率远高于常规等压燃烧的超声速爆轰燃烧的发动机。爆轰燃烧过程近似为等容燃烧的过程，具有很高的燃烧速度和反应物的转换速率。此外，爆轰发动机具有工作范围广、单位燃料消耗率低、结构简单等优点，因此被看作是21世纪最具发展潜力的新型航空航天飞行器的动力装置，得到了航空航天各个领域和行业的青睐。
3.目前，主流的爆轰发动机包括两种，即旋转爆轰发动机(rde，rotating detonation engine)和脉冲爆轰发动机(pde，pulse detonation engine)。然而，以上两种现有的爆轰发动机都存在一个技术难点，那就是难以高效、快捷、稳定地触发爆轰波。
4.触发爆轰波的方式众多，目前最普遍的触发方式依据触发能量的大小可分为两类，即直接起爆和间接起爆。其中，直接起爆对能量的消耗较大，并且对点火装置的要求较高，使得它在具体的工程应用中较为困难。相对而言，间接起爆对能量的消耗较小。然而，间接起爆这一过程，是属于一个能量叠加、实现燃烧从爆燃转爆轰的过程(ddt，deflagration to detonation transition)，这使得起爆装置需要有足够的长度。然而，现有的间接起爆技术均存在难以缩短ddt距离、难以减小触发爆轰波的时间以及难以提高触发爆轰波的成功率等问题。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供了一种环形激波聚焦起爆装置，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种环形激波聚焦起爆装置，所述环形激波聚焦起爆装置包括聚焦腔、外壳和内衬，所述外壳和所述内衬同轴布置；所述外壳的一端由所述聚焦腔封闭；所述外壳上设有火花塞接口和预混气体进气口；所述内衬上设有火焰分裂室；所述火花塞接口、所述预混气体进气口分别与所述火焰分裂室相连通；所述外壳和所述内衬之间形成环形火焰加速腔；所述火焰分裂室具有二叉树式结构，使得通入所述预混气体进气口的气体被点燃时，点燃的火焰在所述火焰分裂室中通过该二叉树式结构进行一次或多次分裂后，从火焰射流孔射出至所述环形火焰加速腔；其中，每次分裂使得单股火焰发展成为两股独立的支流火焰；所述内衬的外壁上设有多个环形翅片，所述多个环形翅片沿所述内衬的轴向布置，用于使得进入所述环形火焰加速腔的火焰经多个环形翅片的作用而加速，以诱导出环形激波来产生爆轰波。
7.进一步地，所述外壳的另一端通过外壳内螺纹和内衬外螺纹之间的装配来连接内衬，且该端的外壳外螺纹用于与燃烧室相连，以实现整个起爆装置与燃烧室之间的固定。
8.进一步地，所述内衬的两端敞开，其设有内衬外螺纹的一端用于与燃烧室相通。
火焰射流孔。
具体实施方式
26.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
27.本发明的实施例提供了一种环形激波聚焦起爆装置，所述环形激波聚焦起爆装置包括聚焦腔、外壳和内衬，所述外壳和所述内衬同轴布置；所述外壳的一端由所述聚焦腔封闭；所述外壳上设有火花塞接口和预混气体进气口；所述内衬上设有火焰分裂室；所述火花塞接口、所述预混气体进气口分别与所述火焰分裂室相连通；所述外壳和所述内衬之间形成环形火焰加速腔；所述火焰分裂室具有二叉树式结构，使得通入所述预混气体进气口的气体被点燃时，点燃的火焰在所述火焰分裂室中通过该二叉树式结构进行一次或多次分裂后，从火焰射流孔射出至所述环形火焰加速腔；其中，每次分裂使得单股火焰发展成为两股独立的支流火焰；所述内衬的外壁上设有多个环形翅片，所述多个环形翅片沿所述内衬的轴向布置，用于使得进入所述环形火焰加速腔的火焰经多个环形翅片的作用而加速，以诱导出环形激波来产生爆轰波。
28.图1示出了根据本发明一个实施例的环形激波聚焦起爆装置的结构示意图。
29.如图1所示，环形激波聚焦起爆装置包括聚焦腔1、外壳7和内衬8，外壳7和内衬8同轴布置。
30.作为示例，外壳7与内衬8例如为管状结构。
31.图2示出了上述环形激波聚焦起爆装置的外壳7的主视剖视图和a断面左视图。
32.参考图1和图2，外壳7的一端(如图1、图2所示的左端)由聚焦腔1封闭，外壳7上设有火花塞接口2和预混气体进气口3。火花塞接口2用于连接外部的低能火花塞，而预混气体进气口3用于接入预混气体，预混气体包括燃料气体和空气或氧气等(作为氧化剂的示例)。例如，可以通过连接一个mj量级的车用火花塞(作为低能火花塞的示例)来点燃上述预混气体。
33.图3示出了上述环形激波聚焦起爆装置的内衬8的主视剖视图和b断面的左视图，图4示出了上述内衬8的展开视图。
34.如图3所示，内衬8上设有火焰分裂室4。参见图1，火花塞接口2、预混气体进气口3分别与火焰分裂室4相连通。外壳7和内衬8之间形成环形火焰加速腔9。预混气体进入火焰分裂室4后被低能火花塞点燃，点燃的火焰从火焰分裂室4的出口(即火焰射流孔)出射，进入环形火焰加速腔9。
35.在本实施例中，火焰分裂室4可以设置成分裂式结构，也即，从火焰分裂室4的入口流道(即与火花塞接口2、预混气体进气口3连通处)到出口流道(即火焰射流孔)的过程中，由一个入口流道逐次分裂、直至最终分为多个出口流道。
36.在一个示例中，火焰分裂室4例如可以具有如图4所示的二叉树式结构，图5示出了上述二叉树式分裂结构的2级分裂的一个示例。
37.参见图4和图5，上述二叉树式分裂结构可以包括n级分裂节点；在每一级的每个分
裂节点，该节点对应的上游流道经该节点对称分为两个下游流道；其中，第i级分裂节点包括2
i-1
个节点，i＝1,2,
…
,n，使得火焰从初始的单股火焰被最终分裂成2n股支流火焰；n为二叉树式分裂结构的分裂级数，n为大于0的整数。
38.这样，通入预混气体进气口3的气体被点燃时，点燃的火焰在火焰分裂室4中通过二叉树式结构进行一次或多次分裂后，从火焰射流孔12射出至环形火焰加速腔9，其中每次分裂使得单股火焰发展成为两股独立的支流火焰。
39.在图4和图5所示的例子中，n例如为2，也就是说该例子包括2级分裂节点，其中，第1级分裂节点包括1个节点(如图5所示的q1)，第2级分裂节点包括2个节点(如图5所示的q21和q22)。这样，通过第1级分裂节点q1，火焰从初始的单股火焰分裂为2股，再经过第2级分裂节点q21和q22，火焰又从2股分裂为4股，从4个火焰射流孔12射出。需要说明的是，虽然图4、图5所示的二叉树式分裂结构包含2级分裂，但在本发明的其他实施例中，火焰分裂室4也可以具有1级或高于2级的分裂级数，这里不再一一赘述。
40.此外，图6给出了多种叉树结构进行比较的示意图，图7是示出二叉树式对称聚焦的示意图，而图8是示出三叉树式非对称聚焦的示意图。
41.由图6可以看出，相比于三叉树、四叉树以及m叉树(m例如为五或更高整数)等，二叉树结构具有严格的几何对称性，如果将火焰分裂室中火焰传播路径设计为该二叉树结构，意味着从一股分裂出的两股火焰传播所经历路径长度一致，即可实现分裂火焰同时进入环形火焰加速腔，形成对称的环形火焰，此时环形火焰面各处均与起爆装置中轴线垂直，火焰加速诱导产生的激波亦是如此(正激波)，如图7中t1时刻所示。对称的激波聚焦碰撞产生的压力最大，进而保证了爆轰波的成功触发，如图7中t2时刻所示。反之，如果将火焰分裂室内火焰传播路径设计为三叉树等非对称的结构，火焰传播路径长度不同，分裂的火焰无法同时进入环形火焰加速腔，形成的环形火焰所在平面不与起爆装置中轴线垂直，如图8中t1时刻所示。倾斜的环形激波发生非对称聚焦，如图8中t2时刻所示。此时的最大聚焦压力将会减弱，则无法保证成功起爆。
42.因此，相比于三叉树等高于二叉的多叉树分裂结构，二叉树式分裂结构能够显著提高爆轰波的起爆成功率。
43.如图3、图4所示，内衬8的外壁上设有多个环形翅片10，多个环形翅片10沿内衬8的轴向布置，用于使得进入环形火焰加速腔9的火焰经多个环形翅片10的作用而加速，以诱导出环形激波来产生爆轰波。
44.作为示例，环形翅片10的数量例如为至少6个。
45.参见图1-图3，外壳7的另一端(如图1、图2中所示的右端)例如可以通过外壳内螺纹6和内衬外螺纹11之间的装配来连接内衬8，且该端的外壳外螺纹5用于与燃烧室相连，以实现整个起爆装置与燃烧室之间的固定和连接。
46.如图1和图3所示，内衬8的两端是敞开的，内衬8上设有内衬外螺纹11的那一端(即图1、图3所示的右端)用于与燃烧室相通。
47.参见图1-图3，外壳7的外壳外螺纹5的长度l1例如至少为外壳7的外径d1的二分之一。l1例如小于外壳外径的15倍。
48.此外，外壳7的外壳内螺纹6的长度l2与内衬8的内衬外螺纹11的长度l3例如相等，其中，外壳内螺纹6的长度l2与内衬外螺纹11的长度l3例如可以是至少为内衬8的外径d2的
二分之一。l2和l3例如小于外壳7的外径d1。
49.作为示例，聚焦腔1例如采用凹面腔结构。
50.在现有技术中，若想要在使用低活性燃料(如甲烷)或液态燃料(如煤油、汽油、柴油)的爆轰燃烧室内直接点燃爆轰波，即直接起爆，所需的触发能耗一般在兆焦量级以上。相比之下，上述根据本发明实施例的环形激波聚焦起爆装置，由于其初始只需点燃缓燃火焰，因而初始触发能量代价更小(仅需毫焦量级)便可形成稳定的爆轰波，大大降低了初始能耗。
51.此外，与主流道内布置大尺度圆环障碍物的起爆管相比，根据本发明实施例的环形激波聚焦起爆装置仅在形成激波的环形火焰加速腔内一侧布置小尺度翅片，能够有效地避免爆轰波形成后产生的流动损失。这是因为，一方面，上述主流道内布置大尺度圆环障碍物的起爆管所产生的这种流动损失，可能导致爆轰波形成位置具有随机性难以预测；另一方面，其也会导致形成的爆轰波并不稳定，大尺度圆环障碍物的反射和阻碍作用将削弱爆轰波中反应面和前导激波间的耦合，这将可能导致爆轰波直接湮灭或者周期性的起爆湮灭-在起爆的现象。
52.下面，结合图1-图4来描述本发明实施例的环形激波聚焦起爆装置的一个优选实施例。
53.在该优选实施例中，环形激波聚焦起爆装置包括聚焦腔1、火花塞接口2、预混气体进气口3、火焰分裂室4、外壳外螺纹5、外壳内螺纹6、外壳7、内衬8、环形火焰加速腔9、环形翅片10、内衬外螺纹11以及火焰射流孔12十二个组成部分。
54.在下文中，为方便起见，以左侧作为外壳1和内衬8没有螺纹的一端、以右侧作为外壳1和内衬8有螺纹的一端来进行示例性描述，应当理解的是，实际应用中，装置本身可以任选一端(或称一侧)作为上述左侧，则剩余另一端(或称另一侧)作为右侧。
55.如图1-图4所示，外壳1的左侧由聚焦腔1封闭起来，右侧由外壳内螺纹6和内衬外螺纹10装配来连接外壳与内衬，外壳和内衬同轴布置，再由外壳外螺纹5与燃烧室相连，实现整个装置与燃烧室的固定。
56.内衬8左右敞开，右端与燃烧室相通。外壳7和内衬8之间为环形火焰加速腔9。
57.在内衬8上，设有环形火焰发生器4、环形翅片9和内衬外螺纹11。
58.在外壳7上，设有火花塞接口2和预混气体进气口3。火花塞通过火花塞接口通入内衬8的火焰分裂室4中，预混气体可通过预混气体进气口3进入内衬8的火焰分裂室4并且充盈整个起爆装置。火焰射流孔12将火焰射入环形火焰加速腔9。
59.下面描述上述环形激波聚焦起爆装置的工作过程及原理。
60.通过可燃气体通口(即上文所述的预混气体进气口3)向火焰分裂室中通入可燃气体(燃料氢气或甲烷、乙炔等，氧气或空气等氧化剂)，经火焰分裂室二叉树式流道，充盈整个起爆装置。火花塞接口通过与低能火花塞(如车用火花塞)连接，来点燃预混气体。点燃的火焰被火焰分裂室中的二叉树式结构进行分裂，每次分裂使得单股火焰发展成为两股独立的支流火焰，当分裂n次时，初始火焰最终发展2n股支流火焰，能够减少环形火焰的形成时间，尽早诱导出环形激波。并且，由于火焰射流孔的对称结构，意味着火焰诱导的环形激波也是对称的，使得环形激波在聚焦腔中碰撞时是环形激波正激波碰撞，这时候能够得到最大的聚焦压力，能够最大可能触发爆轰波。在进入环形火焰加速腔后，因为环形火焰加速腔
中的环形翅片结构，引起环形火焰加速腔中的压力变化，加速了火焰的传播速度。在凹型聚焦腔内，当该激波聚焦强度足够时，环形激波通过聚心碰撞和聚焦腔壁面的聚焦反射作用在局部可以触发小范围爆炸，可以直接触发爆轰波。当该激波聚焦强度不足够时，由于爆炸产生的压力变化，加速了火焰的传播速度，使得火焰能够迅速追上前导激波并且与之耦合，形成超音速的化学反应区，前导激高度压缩的预混气被紧随其后的火焰燃烧释放热量，也可以触发爆轰波。以上两个方面能够提高爆轰波的成功率，缩短ddt的距离和时间。
61.如前文所述，在现有的直接起爆技术中，其使用低活性燃料(如甲烷或者液态燃料柴油、煤油等)的两相爆轰燃烧室的点火能量至少需要在兆焦量级以上，而本专利提出的环形激波聚焦起爆装置起爆所需点火能量仅需毫焦量级的初始能耗。
62.综上所述，根据本发明实施例的环形激波聚焦起爆装置，在外壳上存在火花塞接口和预混气通气孔，通入内衬的火焰分裂室中，通过低能火花塞来触发火焰。在根据本发明实施例的环形激波聚焦起爆装置中，火焰分裂室中存在二叉树式结构，对火焰进行逐级分裂，当分裂的次数足够多时，能够有效减少火焰在环形火焰加速器中的诱导环形激波的时间。二叉树式结构为对称结构，因此火焰诱导的环形激波为对称的环形激波。在聚焦的时候，对称环形激波的正激波聚焦会得到最大的聚焦压力。当环形激波强度足够时，能够直接触发爆轰波。当强度不足时，爆炸产生的压力变化，促进了火焰的传播速度，使得火焰快速追上环形激波，以此来触发爆轰波。因此，本发明的上述装置能够增加形成爆轰波的成功率以及能够减少ddt过程的时间。
63.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
64.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
65.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
66.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的
范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
67.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
68.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
69.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

技术特征：
1.一种环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述环形激波聚焦起爆装置包括聚焦腔(1)、外壳(7)和内衬(8)，所述外壳(7)和所述内衬(8)同轴布置；所述外壳(7)的一端由所述聚焦腔(1)封闭；所述外壳(7)上设有火花塞接口(2)和预混气体进气口(3)；所述内衬(8)上设有火焰分裂室(4)；所述火花塞接口(2)、所述预混气体进气口(3)分别与所述火焰分裂室(4)相连通；所述外壳(7)和所述内衬(8)之间形成环形火焰加速腔(9)；所述火焰分裂室(4)具有二叉树式结构，使得通入所述预混气体进气口(3)的气体被点燃时，点燃的火焰在所述火焰分裂室(4)中通过该二叉树式结构进行一次或多次分裂后，从火焰射流孔(12)射出至所述环形火焰加速腔(9)；其中，每次分裂使得单股火焰发展成为两股独立的支流火焰；所述内衬(8)的外壁上设有多个环形翅片(10)，所述多个环形翅片(10)沿所述内衬(8)的轴向布置，用于使得进入所述环形火焰加速腔(9)的火焰经多个环形翅片(10)的作用而加速，以诱导出环形激波来产生爆轰波。2.根据权利要求1所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述外壳(7)的另一端通过外壳内螺纹(6)和内衬外螺纹(11)之间的装配来连接内衬(8)，且该端的外壳外螺纹(5)用于与燃烧室相连，以实现整个起爆装置与燃烧室之间的固定。3.根据权利要求2所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述内衬(8)的两端敞开，其设有内衬外螺纹(11)的一端用于与燃烧室相通。4.根据权利要求1-3中任一项所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述火焰分裂室(4)的二叉树式分裂结构包括n级分裂节点；在每一级的每个分裂节点，该节点对应的上游流道经该节点对称分为两个下游流道；使得火焰从初始的单股火焰被最终分裂成2
n
股支流火焰。5.根据权利要求1-3中任一项所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述环形翅片(10)的数量为至少6个。6.根据权利要求1-3中任一项所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述外壳(7)的外壳外螺纹(5)的长度至少为所述外壳(7)的外直径的二分之一。7.根据权利要求1-3中任一项所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于：所述外壳(7)的外壳内螺纹(6)和所述内衬(8)的内衬外螺纹(11)的长度至少为所述内衬(8)的外直径的二分之一。8.根据权利要求1-3中任一项所述的环形激波聚焦起爆装置，其特征在于，所述聚焦腔(1)采用凹面腔结构。

技术总结
本发明公开了一种环形激波聚焦起爆装置，属于燃烧室起爆技术领域，用于解决现有起爆技术存在的DDT距离较长、触发爆轰波时间较长以及触发爆轰波成功率较低的问题。该装置包括聚焦腔以及同轴布置的外壳和内衬；外壳一端由聚焦腔封闭；外壳上的火花塞接口、预混气体进气口分别与内衬上的火焰分裂室相连通；外壳和内衬之间形成环形火焰加速腔；火焰分裂室具有二叉树式结构，使得气体被点燃时火焰进行一次或多次分裂，从火焰射流孔射出至环形火焰加速腔；内衬外壁上设有沿内衬轴向布置的多个环形翅片，使得火焰加速以诱导出环形激波产生爆轰波。本发明的环形激波聚焦起爆装置能够用于爆轰波燃烧室的起爆。轰波燃烧室的起爆。轰波燃烧室的起爆。


技术研发人员：陈祥 许瑞 郑伟光 李健 黄静伶 郭明军 陈渊钊
受保护的技术使用者：广西科技大学
技术研发日：2022.12.22
技术公布日：2023/5/16