CN102434317A - 一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，包括预爆管和主爆震室，主爆震室包括吸气喇叭喷管、转接头、主爆震形成室和收敛喷管；转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室由同轴连接的两级圆管组成；转接头两端与吸气喇叭喷管和主爆震形成室第一级圆管固定连接；预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入。本发明利用预爆管排出的高温高压产物，可以有效地将外界新鲜空气引射到主爆震形成室内；吸气喇叭喷管通过转接头与主爆震形成室连接，可以有效预防回火反传，并增加引射的空气量；主爆震形成室第一级圆管与第二级圆管之间有缝隙，外界空气通过缝隙进入到主爆震形成室中，增加了主爆震室后端氧化剂的填充量。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体为一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机。
背景技术
脉冲爆震发动机是一种利用脉冲爆震波产生推力的新概念发动机。它具有结构简单、重量轻、推重比大、单位燃料消耗率低等优点。脉冲爆震发动机根据氧化剂供给方式的不同，分为自吸气式和火箭式两种结构形式。它们的基本原理是相同的，区别在于吸气式脉冲爆震发动机从空气中获得氧化剂，而火箭式脉冲爆震发动机需自带氧化剂。吸气式脉冲爆震发动机与火箭式脉冲爆震发动机相比有很多优点：不用自带氧化剂，可以从大气中获得氧气，这可以使其应用于航空领域，具有更宽的应用范围；可以减轻发动机的总重量，有利于发动机总推重比的提高。尽管吸气式脉冲爆震发动机有诸多优点，但其氧化剂要从大气中获得，实际应用中，由于工作环境特别复杂，氧化剂很难控制。
在已授权的名为“一种二次爆震的脉冲爆震发动机”(专利号为“ZL201020608098.6”)中，设计了一种脉冲爆震发动机，用于实现主爆震室的爆震。通过实验表明，采用专利中公开的发动机可成功实现爆震，但是实验仅能维持很短的时间，造成这种现象的原因主要是主爆震室内空气(氧化剂)供应不足。在主爆震室前端安装挡板，用以防止主爆震室回火前传而造成主爆震室混合物逆流传播，但是挡板严重限制引射空气量，造成二次爆震不能长久维持。因此如何主爆震室内填充足够的燃料和氧化剂至关重要，至今仍是研究中的一个技术难点。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，包括预爆管和主爆震室，其特征在于：主爆震室包括吸气喇叭喷管、转接头、主爆震形成室和收敛喷管；转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室由同轴连接的两级圆管组成，第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大，第一级圆管后端为收敛形，第二级圆管前端为扩张形，第一级圆管后端收敛角与第二级圆管前端扩张角相同，第一级圆管后端的收敛段和第二级圆管前端的扩张段间隙嵌套在一起，并且在嵌套间隙中采用连接杆将第一级圆管与第二级圆管固定连接；在第一级圆管管壁侧壁开有输油孔，在输油孔内侧安装有喷油嘴；转接头一端与吸气喇叭喷管的小口径端密封同轴固定连接，转接头另一端与主爆震形成室第一级圆管前端进口密封同轴固定连接，主爆震形成室第二级圆管后端出口与收敛喷管大口径端密封同轴固定连接；预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入，并与转接头密封固定连接，预爆管中心轴线与主爆震形成室中心轴线共线，且预爆管出口位于第一级圆管管道内，并处于喷油嘴出油口方向背侧。
所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大8mm-10mm。
所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第一级圆管后端收敛段的收敛角为5°-10°，第二级圆管前端扩张段的收敛角为5°-10°。
所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室输油孔内侧喷油嘴出油口方向与第一级圆管轴线方向有5°-15°的夹角，且喷油嘴出油口朝向第二级圆管。
所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第二级圆管的轴向长度比第一级圆管的轴向长度短50～100mm。
所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第一级圆管主体内径是预爆管内径的2倍。
有益效果
本发明提出的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，利用预爆管排出的高温高压产物，可以有效地通过吸气喇叭喷管将外界新鲜空气引射到主爆震形成室内；吸气喇叭喷管通过一个折角为90°的转接头与主爆震形成室连接，既可以有效预防回火反传，又可以大大增加引射的空气量；主爆震形成室第一级圆管与第二级圆管之间留有缝隙，外界空气可以通过缝隙进入到主爆震形成室中，增加了主爆震室后端氧化剂的填充量，解决了主爆震室内氧化剂不足的问题，有利于爆震的成功转变，进而产生更大的推力，提高发动机的性能。试验表明，本发明提出的发动机能够维持较长的爆震工作时间。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：预爆管结构示意图；
图3：主爆震形成室结构示意图；
其中：1、预爆管燃料入口；2、预爆管氧化剂入口；3、预爆管隔离气体入口；4-1、预爆管内喷油嘴；4-2、主爆震室内喷油嘴；5、火花塞；6、连接法兰；7、预爆管头部；8、爆震形成段；9、爆震增强装置；10、爆震传播段；11-1、吸气喇叭喷管引射空气入口；11-2、主爆震形成室中的缝隙引射空气入口；12、主爆震室燃料入口；13、吸气喇叭喷管；14、转接头；15-1、主爆震形成室第一级圆管；15-2、主爆震形成室第二级圆管；16、收敛喷管。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例1：
如图1所示，本实施例中给出的吸气式组合脉冲爆震发动机包括预爆管和主爆震室。
如图2所示，预爆管包括预爆管头部7、预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10。预爆管头部7是一端封闭，一端开口的等截面圆管，预爆管头部7封闭端管壁上设有燃料入口1、氧化剂入口2和隔离气体入口3，填充隔离气体是为了防止发生过早点火，氧化剂和隔离气体通过氧化剂入口2和隔离气体入口3进入预爆管头部7，火花塞5安装在预爆管头部7的管壁上，且火花塞5安装位置中心与预爆管头部7封闭端的距离是预爆管内径的1.5倍，预爆管头部7前端中心处设有喷油嘴4-1。
预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10均为两端开口的等截面圆管，预爆管头部7通过连接法兰与爆震形成段8前端固定相连，爆震形成段8后端与爆震传播段10焊接在一起，预爆管头部7、爆震形成段8和爆震传播段10同轴固定安装。爆震形成段8内壁上设有Shchelkin螺纹增强装置，用于实现爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺纹的螺距为预爆管内径的0.8倍，螺旋直径为预爆管内径的0.1倍，螺旋升角为30°度。
如图3所示，主爆震室包括吸气喇叭喷管13、转接头14、主爆震形成室15和收敛喷管16。转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室15由同轴连接的两级圆管组成，第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大8mm，第一级圆管15-1后端为收敛形，收敛角为10°，第二级圆管15-2前端为扩张形，扩张角为10°，第一级圆管15-1后端的收敛段和第二级圆管15-2前端的扩张段间隙嵌套在一起，并且在嵌套间隙中焊接连接杆将第一级圆管与第二级圆管固定连接，第二级圆管15-2的轴向长度比第一级圆管15-1的轴向长度短50mm。在第一级圆管15-1管壁侧壁开有两个对称的输油孔，在输油孔内侧安装有喷油嘴安装座，喷油嘴安装座上固定安装有喷油嘴4-2，用于向主爆震形成室内喷注燃油，喷油嘴出油口方向与第一级圆管的轴线方向有5°的夹角，且喷油嘴出油口朝向第二级圆管，以免燃油碰到壁面，造成燃料的浪费。
转接头14一端与吸气喇叭喷管13的小口径端采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头另一端与主爆震形成室第一级圆管15-1前端进口采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头14内径与与主爆震形成室第一级圆管15-1的内径相同；主爆震形成室第二级圆管后端出口与收敛喷管16的大口径端采用连接法兰密封同轴固定连接。这里采用吸气喇叭喷管13通过转接头垂直于主爆震形成室安装，相比于直圆管可以引射到更多的空气，并且可以有效预防主爆震室内混合物的反传。主爆震形成室第一级圆管15-1的内径是预爆管内径的2倍。
预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入，并与转接头密封焊接固定，预爆管中心轴线与主爆震形成室中心轴线共线，且预爆管出口位于第一级圆管管道内，并处于喷油嘴出油口方向背侧。
本实施例其工作时，燃油经燃料入口1，通过喷油嘴4-1喷入预爆管头部7，与此同时氧化剂经氧化剂入口2进入预爆管头部7，燃料和氧化剂掺混之后，火花塞5开始点火。燃料混合物燃烧后在爆震形成段8中发生爆燃向爆震转变过程，最终形成爆震波。爆震波经由预爆管传播段10传出。
预爆管中高温高压产物排出末端出口时，利用吸气喇叭喷管13，会将周围大量的新鲜空气吸入到主爆震形成室的第一级圆管15-1内，空气通过吸气喇叭喷管引射空气入口11-1进入。燃油通过主爆震室的两个燃料入口12进入到主爆震室的第一级圆管15-1内，与引射进来的空气进行掺混。另有少部分空气通过主爆震形成室第一级圆管15-1和第二级圆管15-2中间的缝隙进入到主爆震室的第二级圆管15-2内，为其补充氧化剂。通过预爆管排出的高温高压气体将主爆震形成室内的混合物点燃，在主爆震室15内再次形成爆震，从而产生很大的推力，大大提高了发动机的性能。
实施例2：
如图1所示，本实施例中给出的吸气式组合脉冲爆震发动机包括预爆管和主爆震室。
如图2所示，预爆管包括预爆管头部7、预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10。预爆管头部7是一端封闭，一端开口的等截面圆管，预爆管头部7封闭端管壁上设有燃料入口1、氧化剂入口2和隔离气体入口3，填充隔离气体是为了防止发生过早点火，氧化剂和隔离气体通过氧化剂入口2和隔离气体入口3进入预爆管头部7，火花塞5安装在预爆管头部7的管壁上，且火花塞5安装位置中心与预爆管头部7封闭端的距离是预爆管内径的2倍，预爆管头部7前端中心处设有喷油嘴4-1。
预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10均为两端开口的等截面圆管，预爆管头部7通过连接法兰与爆震形成段8前端固定相连，爆震形成段8后端与爆震传播段10焊接在一起，预爆管头部7、爆震形成段8和爆震传播段10同轴固定安装。爆震形成段8内壁上设有Shchelkin螺纹增强装置，用于实现爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺纹的螺距为预爆管内径的1倍，螺旋直径为预爆管内径的0.2倍，螺旋升角为40°度。
如图3所示，主爆震室包括吸气喇叭喷管13、转接头14、主爆震形成室15和收敛喷管16。转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室15由同轴连接的两级圆管组成，第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大10mm，第一级圆管15-1后端为收敛形，收敛角为5°，第二级圆管15-2前端为扩张形，扩张角为5°，第一级圆管15-1后端的收敛段和第二级圆管15-2前端的扩张段间隙嵌套在一起，并且在嵌套间隙中焊接连接杆将第一级圆管与第二级圆管固定连接，第二级圆管15-2的轴向长度比第一级圆管15-1的轴向长度短80mm。在第一级圆管15-1管壁侧壁开有两个对称的输油孔，在输油孔内侧安装有喷油嘴安装座，喷油嘴安装座上固定安装有喷油嘴4-2，用于向主爆震形成室内喷注燃油，喷油嘴出油口方向与第一级圆管的轴线方向有10°的夹角，且喷油嘴出油口朝向第二级圆管，以免燃油碰到壁面，造成燃料的浪费。
转接头14一端与吸气喇叭喷管13的小口径端采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头另一端与主爆震形成室第一级圆管15-1前端进口采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头14内径与与主爆震形成室第一级圆管15-1的内径相同；主爆震形成室第二级圆管后端出口与收敛喷管16的大口径端采用连接法兰密封同轴固定连接。这里采用吸气喇叭喷管13通过转接头垂直于主爆震形成室安装，相比于直圆管可以引射到更多的空气，并且可以有效预防主爆震室内混合物的反传。主爆震形成室第一级圆管15-1的内径是预爆管内径的2倍。
预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入，并与转接头密封焊接固定，预爆管中心轴线与主爆震形成室中心轴线共线，且预爆管出口位于第一级圆管管道内，并处于喷油嘴出油口方向背侧。
本实施例其工作时，燃油经燃料入口1，通过喷油嘴4-1喷入预爆管头部7，与此同时氧化剂经氧化剂入口2进入预爆管头部7，燃料和氧化剂掺混之后，火花塞5开始点火。燃料混合物燃烧后在爆震形成段8中发生爆燃向爆震转变过程，最终形成爆震波。爆震波经由预爆管传播段10传出。
预爆管中高温高压产物排出末端出口时，利用吸气喇叭喷管13，会将周围大量的新鲜空气吸入到主爆震形成室的第一级圆管15-1内，空气通过吸气喇叭喷管引射空气入口11-1进入。燃油通过主爆震室的两个燃料入口12进入到主爆震室的第一级圆管15-1内，与引射进来的空气进行掺混。另有少部分空气通过主爆震形成室第一级圆管15-1和第二级圆管15-2中间的缝隙进入到主爆震室的第二级圆管15-2内，为其补充氧化剂。通过预爆管排出的高温高压气体将主爆震形成室内的混合物点燃，在主爆震室15内再次形成爆震，从而产生很大的推力，大大提高了发动机的性能。
实施例3：
如图1所示，本实施例中给出的吸气式组合脉冲爆震发动机包括预爆管和主爆震室。
如图2所示，预爆管包括预爆管头部7、预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10。预爆管头部7是一端封闭，一端开口的等截面圆管，预爆管头部7封闭端管壁上设有燃料入口1、氧化剂入口2和隔离气体入口3，填充隔离气体是为了防止发生过早点火，氧化剂和隔离气体通过氧化剂入口2和隔离气体入口3进入预爆管头部7，火花塞5安装在预爆管头部7的管壁上，且火花塞5安装位置中心与预爆管头部7封闭端的距离是预爆管内径的2倍，预爆管头部7前端中心处设有喷油嘴4-1。
预爆管爆震形成段8和预爆管爆震传播段10均为两端开口的等截面圆管，预爆管头部7通过连接法兰与爆震形成段8前端固定相连，爆震形成段8后端与爆震传播段10焊接在一起，预爆管头部7、爆震形成段8和爆震传播段10同轴固定安装。爆震形成段8内壁上设有Shchelkin螺纹增强装置，用于实现爆燃向爆震的转变，Shchelkin螺纹的螺距为预爆管内径的1.5倍，螺旋直径为预爆管内径的0.2倍，螺旋升角为50°度。
如图3所示，主爆震室包括吸气喇叭喷管13、转接头14、主爆震形成室15和收敛喷管16。转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室15由同轴连接的两级圆管组成，第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大9mm，第一级圆管15-1后端为收敛形，收敛角为8°，第二级圆管15-2前端为扩张形，扩张角为8°，第一级圆管15-1后端的收敛段和第二级圆管15-2前端的扩张段间隙嵌套在一起，并且在嵌套间隙中焊接连接杆将第一级圆管与第二级圆管固定连接，第二级圆管15-2的轴向长度比第一级圆管15-1的轴向长度短100mm。在第一级圆管15-1管壁侧壁开有两个对称的输油孔，在输油孔内侧安装有喷油嘴安装座，喷油嘴安装座上固定安装有喷油嘴4-2，用于向主爆震形成室内喷注燃油，喷油嘴出油口方向与第一级圆管的轴线方向有15°的夹角，且喷油嘴出油口朝向第二级圆管，以免燃油碰到壁面，造成燃料的浪费。
转接头14一端与吸气喇叭喷管13的小口径端采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头另一端与主爆震形成室第一级圆管15-1前端进口采用连接法兰密封同轴固定连接，转接头14内径与与主爆震形成室第一级圆管15-1的内径相同；主爆震形成室第二级圆管后端出口与收敛喷管16的大口径端采用连接法兰密封同轴固定连接。这里采用吸气喇叭喷管13通过转接头垂直于主爆震形成室安装，相比于直圆管可以引射到更多的空气，并且可以有效预防主爆震室内混合物的反传。主爆震形成室第一级圆管15-1的内径是预爆管内径的2倍。
预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入，并与转接头密封焊接固定，预爆管中心轴线与主爆震形成室中心轴线共线，且预爆管出口位于第一级圆管管道内，并处于喷油嘴出油口方向背侧。
本实施例其工作时，燃油经燃料入口1，通过喷油嘴4-1喷入预爆管头部7，与此同时氧化剂经氧化剂入口2进入预爆管头部7，燃料和氧化剂掺混之后，火花塞5开始点火。燃料混合物燃烧后在爆震形成段8中发生爆燃向爆震转变过程，最终形成爆震波。爆震波经由预爆管传播段10传出。
预爆管中高温高压产物排出末端出口时，利用吸气喇叭喷管13，会将周围大量的新鲜空气吸入到主爆震形成室的第一级圆管15-1内，空气通过吸气喇叭喷管引射空气入口11-1进入。燃油通过主爆震室的两个燃料入口12进入到主爆震室的第一级圆管15-1内，与引射进来的空气进行掺混。另有少部分空气通过主爆震形成室第一级圆管15-1和第二级圆管15-2中间的缝隙进入到主爆震室的第二级圆管15-2内，为其补充氧化剂。通过预爆管排出的高温高压气体将主爆震形成室内的混合物点燃，在主爆震室15内再次形成爆震，从而产生很大的推力，大大提高了发动机的性能。
Claims (6)
1.一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，包括预爆管和主爆震室，其特征在于：主爆震室包括吸气喇叭喷管、转接头、主爆震形成室和收敛喷管；转接头为90°转折的圆管结构；主爆震形成室由同轴连接的两级圆管组成，第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大，第一级圆管后端为收敛形，第二级圆管前端为扩张形，第一级圆管后端收敛角与第二级圆管前端扩张角相同，第一级圆管后端的收敛段和第二级圆管前端的扩张段间隙嵌套在一起，并且在嵌套间隙中采用连接杆将第一级圆管与第二级圆管固定连接；在第一级圆管管壁侧壁开有输油孔，在输油孔内侧安装有喷油嘴；转接头一端与吸气喇叭喷管的小口径端密封同轴固定连接，转接头另一端与主爆震形成室第一级圆管前端进口密封同轴固定连接，主爆震形成室第二级圆管后端出口与收敛喷管大口径端密封同轴固定连接；预爆管从转接头连接吸气喇叭喷管的一侧管壁插入，并与转接头密封固定连接，预爆管中心轴线与主爆震形成室中心轴线共线，且预爆管出口位于第一级圆管管道内，并处于喷油嘴出油口方向背侧。
2.根据权利要求1所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第二级圆管的内径比第一级圆管的内径大8mm-10mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第一级圆管后端收敛段的收敛角为5°-10°，第二级圆管前端扩张段的收敛角为5°-10°。
4.根据权利要求1或2所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室输油孔内侧喷油嘴出油口方向与第一级圆管轴线方向有5°-15°的夹角，且喷油嘴出油口朝向第二级圆管。
5.根据权利要求2所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第二级圆管的轴向长度比第一级圆管的轴向长度短50mm～100mm。
6.根据权利要求1所述的一种二次爆震的吸气式组合脉冲爆震发动机，其特征在于：主爆震形成室第一级圆管主体内径是预爆管内径的2倍。
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