CN101776027B

CN101776027B - 吸气式液体燃料脉冲爆震发动机

Info

Publication number: CN101776027B
Application number: CN2010101181896A
Authority: CN
Inventors: 郑殿峰
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: CN101776027A

Abstract

本发明公开了一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，在该发动机中，喷嘴(1)位于固定座(2)中心位置；进气道(3)与凸型雾化室(5)进口端密封相连；钝体(4)安装在进气道(3)和凸型雾化室(5)内部；凸型雾化室(5)下游与爆震管(7)密封连接；点火环(8)位于爆震管(7)进口，下游为火花塞(14)；蒸发器(9)安装在爆震管(7)内部，上游是点火环(8)，下游设置扰流器(10)；尾喷管(11)固定在爆震管(7)出口；喷嘴(1)与电磁阀(12)、控制器(13)、火花塞(14)连接。本发明与旋流式脉冲爆震发动机相比，能改善燃油雾化蒸发掺混性能，提高爆震燃烧强度，减小漏气损失和进气阻力，增加有效推力。

Description

吸气式液体燃料脉冲爆震发动机

技术领域

本发明涉及航空航天动力推进系统领域，尤其涉及一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机。

背景技术

在现有的航空动力装置大多使用涡喷和涡扇发动机，这些发动机已经发展到很高水平，很难进一步提高其性能。自上世纪90年代以来，世界发达国家开始研究新概念航空航天动力装置-脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine)，其具有现有航空航天动力装置无法比拟的优点，是未来理想的航空航天动力装置。

脉冲爆震发动机是利用脉冲爆震原理呈间歇工作状态，性能优越，结构简单，成本低。其由气动阀、爆震室、扰流器、尾喷管及控制系统组成。PDE气动阀、蒸发器、扰流器等设计的合理与否直接决定了PDE燃油的雾化蒸发和掺混性能、油气分布、爆震室的流场特征、点火性能及能否产生爆震波和从亚音燃烧到爆震燃烧的距离，并影响PDE的阻力、推力、爆震频率、性能和油耗等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，所述脉冲爆震发动机能够有效改善燃油雾化、蒸发和掺混功能。

本发明提供了一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，包括喷嘴、固定座、进气道、钝体、凸型雾化室、支架、爆震管、点火环、蒸发器、扰流器、尾喷管、电磁阀、控制器和火花塞；其中，所述喷嘴固定于所述固定座的中心位置，位于所述钝体的上游，通过调整所述喷嘴与所述钝体相对位置，使所述喷嘴在所述钝体上形成均匀油雾场；所述钝体位于所述进气道与所述凸型雾化室之间，通过所述支架与所述凸型雾化室连接；所述凸型雾化室密封连接于所述进气道与所述爆震管之间；所述点火环、所述蒸发器和所述扰流器设置在所述爆震管内；所述火花塞设置于所述爆震管上；所述尾喷管固定在爆震管出口；所述喷嘴与所述电磁阀、所述控制器、所述火花塞连接。

上述脉冲爆震发动机，优选所述进气道与所述爆震管的内径相同。

上述脉冲爆震发动机，优选所述钝体的靠近所述喷嘴的一端为圆锥体或抛物线体。

上述脉冲爆震发动机，优选所述钝体的靠近所述爆震管的一端为开有凹槽圆柱体。

上述脉冲爆震发动机，优选所述凸形雾化器分为进口段、中间段和出口段，所述进口段为扩张段，所述中间段为直段，所述出口段为收敛段。

上述脉冲爆震发动机，优选所述支架为按空间均匀分布、具有预置厚度的平板。

上述脉冲爆震发动机，优选所述点火环为中空圆环。

上述脉冲爆震发动机，优选所述蒸发器由多个管或由多段圆柱体组成，所述圆柱体内部开有多个通孔。

上述脉冲爆震发动机，优选所述扰流器包括多个减缩中空圆环体，所述多个减缩的中空圆环体通过钢丝按照预定间距连接，并固定在所述爆震管内。

上述脉冲爆震发动机，优选所述尾喷管的内径与所述爆震管的内径相同。

相比于现有技术，在发明具有如下优点：

在钝体上游供油，采用的凸型雾化室结构，在爆震管内安装蒸发器，改善燃油的雾化蒸发和掺混性能，易于形成可爆混气，可以缩短DDT时间，提高爆震频率。

附图说明

图1为本发明吸气式液体燃料脉冲爆震发动机实施例的结构示意图；

图2为本发明吸气式液体燃料脉冲爆震发动机另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，图1为本发明吸气式液体燃料脉冲爆震发动机实施例的结构示意图。包括喷嘴1、固定座2、进气道3、钝体4、凸型雾化室5、支架6、爆震管7、点火环8、蒸发器9、扰流器10、尾喷管11、电磁阀12、控制器13、火花塞14组成。

喷嘴1安装在固定座2的进口中心位置，出口在钝体4平壁位置；固定座2是固定在钝体4的中心位置，其下游为爆震管7；进气道3是与爆震管直径相同的直管，它在凸型雾化室5的上游，与凸型雾化室5的进口端密封相连；钝体4的上部圆锥体或抛物线体，下部圆柱体，圆柱体开有一定深度的平壁凹槽，圆柱体开有一定深度的圆形凹槽，内部设有安装喷嘴的固定座2，安装在进气道3和凸型雾化室5内部；凸型雾化室5是指本发明的燃料雾化蒸发掺混部件，进口为扩张段、中间为直段、出口为收敛段，上游与进气道2密封连接，下游与爆震管7密封连接；支架6是具有一定厚度的平板均匀分布，与钝体4和凸型雾化室5焊接；爆震管7具有一定壁厚的圆管，它与凸型雾化室5的出口密封连接；点火环8是比爆震管直径略小的中空圆环，它安装在爆震管7进口的一定距离内，其上游为凸型雾化室5，下游为火花塞14；蒸发器9比爆震管直径略小的由多管组成的蒸发装置，或由几段内部开有多个通孔的圆柱体组成，其上游是点火环8，下游是扰流器10；扰流器10是由多个减缩中空圆环体组成，固定在爆震管7内，其上游为蒸发器9，下游为尾喷管11；尾喷管11进口与爆震管7内径相同，形状可为减缩、渐扩、拉伐尔形状，其上游与爆震管7焊接；电磁阀12是控制燃油间歇供给的电动阀门，其与控制器13和喷嘴1相连；控制器13是控制电磁阀12和火花塞14按时序工作的控制装置，其与电磁阀12和火花塞14连接；火花塞14是能够将油气混合物点燃的高能元件，其与控制器13连接，固定在爆震管7上。

本发明采用喷嘴1安装在钝体4出口平壁处，通过相对位置调节，保证喷嘴1的油雾在爆震管7入口形成合理的空间分布；进气道3与爆震管7面积相等是为减小进气阻力，同时保证足够的进气通道，与凸型雾化室5的进口端密封相连；钝体4上部是圆锥体或抛物线体，是为整流气体流场，并在其上形成均匀的油膜，下部圆柱体与凸型雾化室5内壁直段保持一定的间距，保证爆震管的冷态填充速度，油膜在圆柱体上端被气流雾化，在外表面形成油膜，运动至出口被气流再次雾化，内部中空是为了减小重量和使推力壁形成凹槽；凸型雾化室5进口为扩张段、中间为直段、出口为收敛段，是为保证一定的进气通道，改善燃油雾化蒸发掺混效果，减小漏气，提高爆震效果，上游与进气道3密封连接，下游与爆震管7密封连接；支架6是具有一定厚度的平板均匀分布，是为将钝体4固定在凸型雾化室5的内部中心一定位置，保证一定的气流填充速度，改善燃油的雾化蒸发和掺混性能；爆震管7与凸型雾化室5的出口密封连接；点火环8为中空圆环，是为点火顺利，增加火焰的传播和扩展速度，从而加速爆震波的形成，其上游为凸型雾化室5，下游为火花塞14；蒸发器9由多管组成的蒸发装置，或由几段内部开有多个通孔的圆柱体组成，是为改善燃油的雾化蒸发和掺混性能，其上游是点火环8，下游是扰流器10；扰流器10由多个减缩中空圆环体组成，是为了提高火焰的传播速度和燃烧释热率，同时减小爆震波气流冲击扰流器时所带来的阻力，其上游为蒸发器9，下游为尾喷管11；尾喷管11进口与爆震管7内径相同，是为了增加有效推力，其上游与爆震管7焊接；电磁阀12是控制燃油间歇供给的电动阀门，其与控制器13和喷嘴1相连；控制器13是控制电磁阀12和火花塞14按时序工作的控制装置，是PDE协调工作的控制系统，其与电磁阀12和火花塞14连接；火花塞14是保证PDE间歇点火成功，其与控制器13连接，固定在爆震管7上。

上述吸气式液体燃料脉冲爆震发动机的一个和多个工作过程如下：冷态填充状态的燃油雾化掺混过程，由控制器13控制电磁阀12开启，为喷嘴1提供高压燃油，燃油由喷嘴1喷出后雾化，形成均匀的油雾场，油雾与高速气流掺混后，在进气道3内向下游运动，小油珠惯性小，随气流绕过钝体4进入爆震管7，大油珠在钝体4上形成均匀的油膜，一部分油膜在钝体4的锥形出口处被凸型雾化室5内的高速气流细化微小油珠，部分油珠在凸型雾化室5内部的中间直段、出口收敛段再次形成油膜，并在出口收敛段尾缘失稳雾化，另一部分油膜翻越至钝体4外表面，在出口被高速气流雾化，所有的油雾经过蒸发器9和扰流器10，进一步改善燃油的雾化蒸发和掺混性能，等到燃油混气快填充至爆震管7出口时，电磁阀12关闭，停止供油，开始点火；点火燃烧和爆震波形成过程，由控制器13控制火花塞14点火，燃烧的火焰微团沿点火环8的周向扩展，火焰进一步发展，经过蒸发器9，最后在爆震管7内发展成爆震波，爆震波的形成位置在扰流器10的内部；膨胀排气过程，在爆震波传播和传出爆震管7的过程中，在爆震管7内部存在向上游传播的膨胀波，其会在钝体4凹槽内产生一定的压力，从而产生推力，同时在钝体4和凸型雾化室5之间的通道存在少量的漏气，造成小量的推力损失，这是吸气式脉冲爆震发动机共有的缺点，当爆震管7内的压力降低到等于冲压来流总压时，推力消失，燃料混气开始填充下一个过程，即完成PDE的一个工作周期；PDE连续协调工作过程，按PDE一个工作周期的实施过程，重复间歇地实现爆震燃烧过程，从而产生高频间歇推力，当PDE达到一定的工作频率时，即认为产生连续的有效推力。

从以上叙述可知，本发明通过在钝体上游供油，在钝体上形成油膜，油膜在高速气流的作用下，实现多次燃油雾化过程，燃油混气通过蒸发器和扰流器，进一步改善了燃油的雾化蒸发和掺混效果，进气道改为直管，减小进气阻力，利用凸型雾化室使推力壁的面积增加，同时减小漏气损失，增加有效推力，通过控制器控制电磁阀间歇供油，及火花塞间歇点火，完成PDE多循环爆震燃烧过程，从而产生连续有效推力。本发明通过合理设计，能够实现脉冲爆震发动机的不同频率和产生一定推力的要求。

上述吸气式液体燃料的脉冲爆震发动机，适用范围为燃油流量5～60g/s，爆震管内燃料和混气的填充速度为10～150m/s，爆震频率10～70Hz，推力5～100kg，爆震波峰值压力为25kg/s左右，爆震波传播速度为1500m/s左右，油耗下降，推重比提高。本发明是吸气式液体燃料脉冲爆震发动机的理想结构。

参照图2，图2为本发明吸气式液体燃料脉冲爆震发动机另一实施例的结构示意图。

该吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，包括喷嘴1、固定座2、进气道3、钝体4、凸型雾化室5、支架6、爆震管7、点火环8、蒸发器9、扰流器10、尾喷管11、电磁阀12、控制器13、火花塞14组成。

所述的喷嘴1是指液体燃料喷嘴，它安装在固定座2的中心位置；所述的固定座2是指固定在钝体4中心位置的圆筒，通过螺纹连接，其出口在钝体4平壁位置；所述的进气道3是指与爆震管直径相同的直管，它在凸型雾化室5的上游，与凸型雾化室5的进口端密封相连；所述的钝体4是指上部圆锥体或抛物线体，下部圆柱体，圆柱体开有一定深度的圆形凹槽，内部设有安装喷嘴的固定座2，其安装在进气道3和凸型雾化室5内部；所述的凸型雾化室5是指本发明的燃料雾化蒸发掺混部件，进口为扩张段、中间为直段、出口为收敛段，上游与进气道2密封连接，下游与爆震管7密封连接；所述的支架6是指具有一定厚度和宽度的几个平板，平板按几何空间均匀分布，与钝体4和凸型雾化室5焊接；所述的爆震管7是指具有一定壁厚的圆管，它与凸型雾化室5的出口密封连接；所述的点火环8是指比爆震管直径略小的中空圆环，它安装在爆震管6进口的一定距离内，其上游为凸型雾化室5，下游为火花塞14；所述的蒸发器9是指比爆震管直径略小的由多管组成的蒸发装置，或由几段内部开有多个通孔的圆柱体组成，其上游是点火环8，下游是扰流器10；所述的扰流器10是由多个减缩中空圆环体组成，通过钢丝按一定的间距连接，固定在爆震管6内，其上游为蒸发器9，下游为尾喷管11；所述的尾喷管11是指进口与爆震管6内径相同，形状可为减缩、渐扩、拉伐尔形状，其上游与爆震管6焊接；所述的电磁阀12是指控制燃油间歇供给的电动阀门，其与控制器13和喷嘴1相连；所述的控制器13是指控制电磁阀12和火花塞14按时序工作的控制装置，其与电磁阀12和火花塞14连接；所述的火花塞14是指能够将油气混合物点燃的高能元件，其与控制器13连接，固定在爆震管6上。

安装顺序：钝体4通过支架6与凸型雾化室5焊接；扰流器10安装在爆震管6内；蒸发器9安装在爆震管6内；点火环14安装在爆震管6内；进气道3与凸型雾化室5焊接；爆震管6与凸型雾化室5焊接；喷嘴1固定在与固定座2的中心位置；固定座2与喷嘴1固定在钝体4的中心位置；火花塞14安装在爆震管6上；喷嘴1与电磁阀12通过油管连接；电磁阀12和火花塞14与控制器13连接。

其工作原理与上一实施例相类似，在此不再赘述。

综上所述，本发明吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，依据脉冲爆震发动机协调工作基本原理，改进了气动阀、蒸发器、扰流器现有的缺陷，具有如下优点：

第一、气动阀采用迎风面积小，减少气流的旋转和转弯次数，正向进气容易，进气阻力小；

第二、在钝体上游供油，采用的凸型雾化室结构，在爆震管内安装蒸发器，改善燃油的雾化蒸发和掺混性能，易于形成可爆混气，可以缩短DDT时间，提高爆震频率；

第三、推力壁采用圆形凹槽结构，其面积接近爆震管面积，有利于爆震波的形成、爆震强度和有效推力的提高；

第四、在火花塞上游安装火焰环，有利于点火，加快火焰的扩展和传播速度，缩短DDT距离；

第五、在爆震管内安装减缩型圆环扰流器，减小爆震燃烧过程中扰流器所带来的阻力，增加有效推力；

第六、实现在钝体前方或后方供油，提高爆震性能；

因此，吸气式液体燃料脉冲爆震发动机具有改善燃油雾化蒸发掺混性能，减小漏气损失，提高爆震强度和爆震频率，增加有效推力，是一种非常有发展前途的吸气式脉冲爆震发动机。

以上对本发明所提供的一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种吸气式液体燃料脉冲爆震发动机，其特征在于，包括喷嘴(1)、固定座(2)、进气道(3)、钝体(4)、凸型雾化室(5)、支架(6)、爆震管(7)、点火环(8)、蒸发器(9)、扰流器(10)、尾喷管(11)、电磁阀(12)、控制器(13)和火花塞(14)；其中，

所述喷嘴(1)固定于所述固定座(2)的中心位置，所述喷嘴(1)位于所述钝体(4)的上游，通过调整所述喷嘴(1)与所述钝体(4)相对位置，使所述喷嘴(1)在所述钝体(4)上形成均匀油雾场；

所述钝体(4)位于所述进气道(3)与所述凸型雾化室(5)之间，所述钝体(4)通过所述支架(6)与所述凸型雾化室(5)连接；所述凸型雾化室(5)密封连接于所述进气道(3)与所述爆震管(7)之间；所述点火环(8)、所述蒸发器(9)和所述扰流器(10)设置在所述爆震管(7)内；所述火花塞(14)设置于所述爆震管(7)上；所述尾喷管(11)固定在爆震管(7)出口；所述喷嘴(1)与所述电磁阀(12)、所述控制器(13)、所述火花塞(14)连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述进气道(3)与所述爆震管(7)的内径相同。

3.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述钝体(4)的靠近所述喷嘴(1)的一端为圆锥体或抛物线体。

4.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述钝体(4)的靠近所述爆震管(7)的一端为开有凹槽的圆柱体。

5.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述凸形雾化器(5)分为进口段、中间段和出口段，所述进口段为扩张段，所述中间段为直段，所述出口段为收敛段。

6.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述支架(6)为按空间均匀分布、具有预置厚度的平板。

7.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述点火环(8)为中空圆环。

8.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述蒸发器(9)由多个管或由多段圆柱体组成，所述圆柱体内部开有多个通孔。

9.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述扰流器(10)包括多个减缩中空圆环体，所述多个减缩的中空圆环体通过钢丝按照预定间距连接，并固定在所述爆震管(7)内。

10.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述尾喷管(11)的内径与所述爆震管(7)的内径相同。