[0002] 本申请
请求根据2010年6月15日提出的美国
专利申请第61/354,829号的优先权，于兹以参照方式将该申请并入此处。
技术领域
[0003] 本
发明有关燃烧
能源发电的领域，尤其有关
脉冲爆震发动机的领域。
背景技术
[0004] 过去几十年里，由于脉冲爆震发动机在高效率发电方面的潜
力，因此获得广泛的兴趣。关于脉冲爆震的操作与设计以及脉冲爆震
燃烧器的改进，已有人进行重大的研究。有关脉冲爆震燃烧器的主要挑战之一是，控制爆震过程中产生的压力脉冲与隔离压力脉冲对进给管路的影响。有些专利关于各种用于脉冲爆震发动机的进给阀。也有某种研究有关设计运行类似主动阀的被动式空
气动力装置。这些位于燃烧器内的装置，可于爆震过程中降低进给管路上的背压而不必利用任何移动的组件。这些燃烧器称为无阀脉冲爆震发动机(燃烧器)。
发明内容
[0005] 本发明揭示一种无阀多管式脉冲爆震发动机，其包括多个爆震管，其中每一爆震管包括一独立的排放出口，且所述爆震管在一共享空气/燃油混合物进气口互相连接。在以上揭示的发动机内，一空气与燃油混合物在所述爆震管内同时爆震，以及，所述共享空气/燃油混合物进气口将多个逆冲击
波导入彼此，有效使用空气/燃油混合物爆震引起的背压作为彼此的反应表面，并有效降低移往上游的回流冲击波的效应，因而使背压最小化。
[0006] 以上所述无阀多管式脉冲爆震发动机可进而包括多个位于所述爆震管内的紊流发生器，所述紊流发生器的架构可用于加快火焰速度。所述紊流发生器可包括一螺旋路径，该螺旋路径沿每一爆震管的爆震室部分的长度范围延伸。
[0007] 以上所述无阀多管式脉冲爆震发动机可进而包括多个几何形装置，置于
燃烧室的入口内；所述几何形装置选自包括以下项目的群组：收敛
喷嘴、扩散喷嘴、多孔板或射流
二极管。所述几何形装置对反向流产生的限制高于对正向流的限制。
[0008] 如所述的无阀多管式脉冲爆震发动机中，所述共享空气/燃油混合物进气口进而包括一进气阀。
[0009] 本发明揭示的无阀多管式脉冲爆震发动机，其配置中的每一爆震管的排放口合并至单一废气出口。该
实施例可包括一联合的收敛型配接器喷嘴。
[0010] 本发明揭示的无阀多管式脉冲爆震发动机于其一形式的配置中，所述爆震管的出口耦接一
涡轮机，所述
涡轮机进而设为可从无阀多管式脉冲爆震发动机内的燃烧过程产生机械动力。所述涡轮机的形式之一为一正
排量(容积式)运动装置。美国专利第5,755,196号中揭示这种正排量(容积式)运动装置的形式之一；于兹以参照方式将该项专利并入此处。
[0011] 在一实施例中，所述爆震管为非线性。本发明显示的非线性构形实例中，各个非线性爆震管包括一大致180°的圆弧。
[0012] 本发明揭示的另一种无阀多管式脉冲爆震发动机包括多个爆震管，其中每一爆震管包括一独立的排放口。在一形式中，所述爆震管在一共享进气口互相连接；其中，每一爆震管进而包括至少一个燃油喷射装置，其与爆震管成
流体连通，用以提供燃油至爆震管。该实施例的配置中，一空气与燃油混合物在所述爆震管内同时爆震；并且，其中所述的共享进气口架构可将多个逆冲击波导入彼此，有效使用冲击压力作为彼此的反应表面，并有效降低移往上游的回流冲击波的效应，因而使背压最小化。
[0013] 上述无阀多管式脉冲爆震发动机可进而包括多个位于所述爆震管内的紊流发生器，所述紊流发生器的架构可用于加快火焰速度。所述紊流发生器可包括一螺旋路径，该螺旋路径沿每一爆震管的爆震室部分的长度范围延伸。
[0014] 上述无阀多管式脉冲爆震发动机可进而包括位于燃烧室的入口内的多个几何形装置，所述几何形装置可为缩放喷嘴、多孔板或射流二极管，它们对反向流产生的限制高于对正向流的限制。所述无阀多管式脉冲爆震发动机可包括一个位于共享进气口的空气阀。
[0015] 本发明揭示的无阀多管式脉冲爆震发动机中，其配置可使每一爆震管的排放口合并成单一废气出口。在一形式中，使用一联合的收敛型配接器喷嘴将独立的排放口汇聚于单一的废气出口。所述爆震管的废气出口可连接一涡轮机，诸如一正排量(容积式)运动装置，用以从燃烧产物产生机械动力。
[0016] 本发明无阀多管式脉冲爆震发动机的配置中，所述爆震管可为非线性。所述非线性爆震管可包括一高达180°或更大
角度的圆弧。
附图说明
[0017] 图1显示本发明燃烧器形式之一的等角视图；
[0018] 图2显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其内部的爆震过程第一阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0019] 图3显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其内部的爆震过程第二阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0020] 图4显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其与进气
歧管内部的爆震过程第三阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0021] 图5显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其与
进气歧管内部的爆震过程第四阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0022] 图6显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其与进气口内部的爆震过程第五阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0023] 图7显示本发明燃烧器形式之一的横剖面图及其内部的爆震过程第六阶段与冲击波-火焰前锋传播；
[0024] 图8显示本发明燃烧器之一实施例，其具有配接器喷嘴与单一废气出口；
[0025] 图9显示本发明燃烧器非线性爆震管实施例的等角视图；
[0026] 图10显示图9所示实施例的前视或端视图；
[0027] 图11显示图9所示实施例的侧视外观图；以及
[0028] 图12显示图9所示实施例的侧向局部剖视外观图。
具体实施方式
[0029] 此处揭示多管式无阀燃烧器之一形式，其中由一进气段、多个起燃室、多个爆震室、以及一或多个排放喷嘴构成。此燃烧器操作时，除了一个燃油喷射装置，不使用任何移动的组件，而且于空气路径上也未使用任何阀
门。此燃烧器的操作由节气阀、燃油喷射及一
点火系统控制。
[0030] 燃烧器结构：
[0031] 请参照图1，本发明的燃烧器1于其一形式中，是根据脉冲爆震原理运作，其中，燃油是在恒定容积下立即燃烧(爆震)，且其产生的高压高温产物由燃烧器的排放口2离开。
[0032] 请参阅图2的局部剖示图，空气经由进气口5进入燃烧器。进气在进入燃烧器前，可使用废气或使用经由燃烧器壁部传导的热量先行预热。燃油于入口歧管4喷射至一空气流内并与空气混合。入口歧管具有一个设有多个歧管出口6的进气口5。每一歧管出口与一爆震管7连接。每一爆震管7包括一燃烧室8与一爆震室9。
[0033] 虽然燃烧器本体可以无阀，但是可在燃烧室本体的外部利用一进气阀32。
[0034] 可利用若干紊流发生器13，诸如Schelkin螺旋，改进空气与燃油在入口歧管内的混合。燃烧室与进气歧管可配备若干分散装置，将空气-燃油均匀地分布在所述爆震管7之间，同时使燃烧与爆震过程中进入燃烧室入口3的回流最小化。所述分散装置可为缩放(收敛-扩散)喷管、多孔板、表面粗糙度或其它几何型或
空气动力型装置。在本发明燃烧器的一形式中，空气流中不使用任何移动的组件于燃烧控制。
[0035] 在一操作模式中，如图2-7所示，燃烧室8与爆震室9一旦实质充填所需的空气-燃油混合物份量后，燃油喷射过程随即停止。经过某一时滞之后，再激活各个点火器10并起始燃烧。燃烧室内的火焰前锋11起初大致为球面状，如图2与图3中所描绘。当燃烧继续时，未燃烧的混合物12使火焰前锋扩大。当
燃烧热释出时，由于局限空间内的释出热，使火焰前锋
加速度成为高速。利用紊流发生器，诸如Schelkin螺旋或同等品，可以增加火焰的加速度。火焰速度继续增加，直到它抵达查普曼-朱格特理论(C-J理论)所述的情况为止，亦即，火焰前锋以超音速的固定速度行进。在此情况下的火焰前锋会与一压缩冲击波耦合(结合)；如此可经由恒量爆震过程增加燃烧产物的压力与
温度。C-J理论决定尖锋爆震压力与火焰速度，且为燃油类型、爆震混合物、压力及温度的函数。因此，爆震导致燃烧产物15内的压力与温度增加。燃烧后气体产物内的压力高于进气段内的空气压力。因此，冲击波16往燃烧器入口传播，如图4-6所示。由于每一爆震时有数个燃烧室，所以有多重冲击波同时传播。结果，这些冲击波汇聚在入口歧管4，如图6所示。冲击波的汇聚及入口歧管4内的分散装置使背压降低，因此，爆震管内的压力上升，背压对入口气流的影响则显着降低。如此造成爆震管内的压力上升，导致推力板17上的高推力，可供各种推力产生应用；或导致燃烧器出口的高压力，可供用于功输出及涡轮机发电。设计进气口5时，可包括使进气管路上背压最小化的装置。
[0036] 各爆震管可具有独立的排放口，或者，如图8所示实施例，二或多个爆震管18的排气口可合并至一联合的喷嘴配接器19，以形成单一废气出口20。冲击波被导向排放喷嘴，排放喷嘴可与周围环境自由连通(以供推力产生)，或安装至一膨胀器，以供机械动力的产生。一旦完成爆震，燃烧室内的压力开始下降，此时可将空气送入燃烧器进行清洗过程。清洗过程完成后，重新起始燃油喷射，进行下一个爆震周期。
[0037] 脉冲爆震燃烧器的另一形式包括二或多个爆震支管。所有爆震管可以大致同时地操作。
[0038] 每一爆震管7各由一个特定的燃烧室8进给，其中，各个爆震管7的冲击波设为可交互作用，以使高压爆震阶段中进气歧管4内的回流最小化。
[0039] 在一形式中，通往每一燃烧室8的空气入口3设计为仅有最小量的背压会传送至进气口5。
[0040] 爆震管7的排放口2可结合成单一废气出口20，如图8所示；或与多个废气出口结合，如图1-6所示。爆震出口可连通周围环境(供推力产生应用)，或连接一或多个涡轮机以供
传动轴发电。
[0041] 有三个相关的专利揭露无阀操作式脉冲爆震燃烧器。这些燃烧器设计中的二个，仅由点火系统控制，因为没有任何对燃油喷射的控制。因此，空气与燃油连续流进这些燃烧器，不可能在下一个周期的燃油喷射前进行有效率的燃烧产物清洗。由United Technologies的美国专利第6,584,765号(于兹以参照方式并入此处)所揭露的一个概念中，使用斜角的空气与燃油入口，以便将混合物推向位于燃烧器封闭端的火星塞。此外，并利用一个旋转盘进行空气与燃油喷射。即使此一概念被称为一种“无阀”脉冲爆震发动机(PDE)，其入口内仍使用一阀门。此种概念在功能上接近
真空出口压力，并被提议用于
宇宙飞船的推力产生。由Shimo等人的美国专利申请第2007/0245712号(于兹亦以参照方式并入本案)所揭露的另一概念中，建议使用多孔板、大型燃烧室与长距进气段的组合体来降低进气管路内的背压。
[0042] 通用电气公司的美国专利第6,666,018B2号(于兹亦以参照方式并入本案)提出一种与正规喷射发动机结合的混合式脉冲爆震发动机。此项专利表明，“在一实施例中，本系统的控制使用一种并合预燃装置的连续式爆震无阀系统”。这种系统与美国专利第6,983,586号中提出的两阶段式脉冲爆震燃烧器有关。在该概念中，是将多数脉冲爆震燃烧器用在一正规喷射发动机内，作为主燃器或一增强器。此项专利叙述多个独立操作的多管独立式脉冲爆震燃烧器。每一燃烧器操作时，与其它燃烧器彼此独立，而且每一燃烧器的爆震作用并不影响其它爆震管。此概念与本发明揭示内容中提出的概念有实质上的差异，在本发明中，多个爆震管彼此交互作用。本发明揭示内容中的其它新颖特征包括一种新颖的空气-燃油混合装置、空气预热装置及进气歧管。
[0043] 本发明于此揭示的概念与先前各种设计的差异在于以下数种特征。本发明所揭示的燃烧器1是一种多管式脉冲爆震燃烧器。多个爆震管7为同相操作，而且所有爆震室9内同时进行爆震。在先前技术的多管式燃烧器中，每一爆震管内的爆震通常是以不同的时间设定进行的，以减少操作期间的冲击与动力变化。
[0044] 在本发明的一形式中，进气口5是供多个爆震室9之间共享的。离开爆震管7前往燃烧室入口3的反压力波被分散装置削弱，同时也被引导而汇聚至入口歧管4内相同的区域并彼此抵消。爆震脉冲的抵消可降低进气口5上的背压效应。有些先前的多管式燃烧器专利说明各个爆震管的入口不相连接，因此每一燃烧管可以独立操作，不受其它燃烧管影响。
[0045] 本发明所揭示的燃烧器1，在至少一实施例中，可利用一多孔板或其它分散装置来降低爆震背压对进气口5的影响。利用缩放喷管及压力脉冲的汇聚与交互作用，可以提供此种效果。有些先前的专利则利用一种机械阀；然而，也有些无阀式脉冲爆震燃烧器专利，例如美国专利申请第2007/0245712 A1号(于兹以参照方式并入本案)，其中说明无阀式操作。此种先前的设计需要一多孔板来降低冲击波在进气管路上游及进气管路内的效应。
[0046] 燃烧器管可为弧状、弯折状、螺旋状抑或非线性，诸如图9-12所示者，在一实施例中，燃烧器管可用数个U形管接合为一体而制成。在另一实施例中，燃烧器管可具有螺旋外形。燃烧器的弯曲半径应大于燃烧室的直径，以于操作中维持爆震波的传播速度。燃烧室的弯曲并不能消除对紊流发生器(例如Schelkin螺旋)的需要，因此可加入火焰加速器来减少爆燃转爆震(DDT)的距离。最好是，火焰加速器的外形应该与燃烧器的外形一致。
[0047] 位于膨胀器进口上游的燃烧器排气口处，可使用出口喷嘴来增加气流进入膨胀器内时的气流压力。所述喷嘴可视膨胀器的应用及工作负载而定，具有不同的横截面变化(收敛或扩散)。例如，当需要高压时，则使用扩散喷嘴来降低流速并增加膨胀器进口处的气体压力。
[0048] 本发明燃烧器的构造，可包括一或多个燃烧室与爆震室，每一对燃烧/爆震室组合于操作时，有如独立式燃烧系统，而其个别的废气合并并被导向一涡轮机。在此架构中，爆震室内的燃烧过程可以依序进行，而不是同时进行，如此可对涡轮机提供更平顺的动力。
[0049] 图1-12显示本发明一多管式脉冲爆震燃烧器的不同视图。空气与燃油可于上游混合，并通过入口喷嘴流进燃烧室。注入所需的燃烧混合物份量后，即关闭燃油喷射装置并使用多个点火源在所述燃烧室内同时起动点火。点火源可为火星点火、雷射、电浆或其它点火源。火焰前锋于通过爆震管内的火焰加速器时加快速度。火焰加速器可为设于爆震管内的任何紊流发生装置。两个燃烧器可具有独立的排放口(如图1-3所示)或具有共同的排放口(如图4-6所示)。冲击波与燃烧产物以高压高温离开排放口。随后清洗燃烧器并开始下一个爆震周期。
[0050] 在各附图中所显示的燃烧器实施例具有六个圆形的爆震室。本发明所揭示的发动机并非刻意限于具有六个爆震室的实施例，而也包括具有二或多个爆震室的实施例。
[0051] 图2-7显示本发明燃烧器的一形式的剖面图及其内部的爆震过程与冲击波-火焰前锋传播。
[0052] 图8显示本发明燃烧器的一实施例，其具有联合的喷嘴与单一排放口。各燃烧器的排气口可合并在一起而产生一个联合的排放口，供燃烧器的每一燃烧管使用。由于在一形式中，所有爆震室实质上为同时操作，所以对一个没有管口喷射效果的排气口喷嘴而言，单一排放口的横截面积可等于所有爆震室的横截面总合。然而，排放口可由一喷嘴组(收敛型或扩散型)构成，此喷嘴组可根据燃烧室的操作点为
基础调整排气条件(压力、温度及速度)。例如，图9中所示排放喷嘴22的横截面可小于四个燃烧室28的总截面积，因此产生一个联合的收敛型排放喷嘴22。
[0053] 在另一形式的多管式无阀燃烧器21中，其爆震室透过入口歧管24而彼此连接，如图12所示；而且其中之一的燃烧室28的内部压力变化会影响其它的爆震室。
[0054] 脉冲爆震装置或燃烧器21的爆震管27，可为弯折状或曲弧状，如图9-12所示。在可行的情况时，图9-12所示的曲弧状设计，其组件使用与先前所述实施例相同的附图标记，但其前方加置数字“2”。例如，在曲弧设计的实施例中，各爆震管是以附图标记27识别的，而在前述实施例中，则使用附图标记7指称每一爆震管。多管式燃烧器的爆震管27可为曲弧状、弯折状或斜角状。经实验确认，爆震波可顺着爆震室低
曲率弯头31的非线性轴行进。因此，燃烧室28可为曲弧状、弯折状或非线性，以获得更小型的设计。此种弯折设计可应用于单管式或多管式燃烧器。
[0055] 虽然图9-12所示实施例显示单一的联合排放口在功能上类似先前实施例于图7所示的排放口，但是，同样的爆震管27曲弧配置也可以并入如图1所示的多排放口配置进行交替使用。
[0056] 以上虽以若干实施例说明本发明，且以详尽方式说明所述实施例，但
申请人并无意以任何方式将所附申请专利范围限于所述细节。此类技术中的专业人士显然可以理解所附申请专利范围内的其它优点与修饰。因此，本发明在广义上并不限于以上所示与说明的特定细节、代表性装置与方法、及举例说明的实例。据此，从所述细节中可做不同的变更而不脱离本发明申请人整体概念的精神与范围。
