CN102536515A

CN102536515A - 一种航空微型脉冲爆震式发动机

Info

Publication number: CN102536515A
Application number: CN2012100360741A
Authority: CN
Inventors: 胡殿印; 毛建兴; 王荣桥; 樊江
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种航空微型脉冲爆震式发动机，它是由供气管、供油管、支架、油气混合管、进气阀体、阀片、阀片压块、压紧螺栓、固定环、火花塞安装台、燃烧喷管、固定螺栓螺母等构成；供油管通过细牙螺纹固定于油气混合管，支架与供气管、油气混合管的外管壁固定连接，油气混合管通过普通螺纹与进气阀体连接，进气阀体后方设有阀片，通过阀片压块、压紧螺栓压紧和固定，进气阀体通过周向均布的6组固定螺栓螺母与固定环连接，固定环与燃烧喷管、燃烧喷管与火花塞安装台之间通过焊接连接。本发明是一种结构简单、尺寸小、成本低、性能优越、适用范围广的航空发动机，它在航空推进技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种航空微型脉冲爆震式发动机

技术领域

本发明涉及一种航空微型脉冲爆震式发动机，它可在较小自重的条件下为小型无人机或飞机模型提供所需动力源，属于航空推进技术领域。

背景技术

随着现代航空动力系统以及小型无人机技术的不断发展，提高航空发动机的推重比是各国研制先进航空发动机的发展方向，与此同时，小型无人侦察机的发展也对传统航空动力提出了新的挑战。

小型无人机具有较轻的重量和较小的体积，这对于传统形式的由旋转件构成的涡轮喷气式发动机，在其尺寸不断减小的同时，由于可用功的降低，损失所占的比重大幅增加，其效率显著降低，此时本文所涉及的脉冲爆震式发动机可在小尺寸条件下，提供适当推力并保证一定效率的优势便得以体现。

脉冲爆震式发动机(PDE)是一种基于爆震燃烧的新概念发动机。爆震燃烧产生的爆震波使可爆燃料的压力、温度迅速升高。因此，爆震燃烧的发动机可以不用传统燃气涡轮发动机中的压气机和涡轮部件就达到对气体进行压缩的目的，使结构大大简化，成本大大降低。

爆震燃烧过程接近定容燃烧，由于定容燃烧的热循环效率大大高于定压燃烧，因此，采用爆震燃烧可使推进系统的性能得到很大改善。当爆震频率较高时便可以产生连续推力。

脉冲爆震式发动机具有结构简单(无涡轮等旋转部件)，尺寸小(不大于2米)，性能优越、适用范围广、成本低、可在零速度下使用的优点。据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0～10(吸气式为0～3或5)，飞行高度范围0～50km，推力范围0.5kg～50000kg。

此外，PDE可采用现有材料和现有工艺生产。预计，PDE的成本可比超音速涡轮发动机价格便宜75％。PDE是目前唯一一种能以双模式工作的发动机概念，它可以以吸气式和火箭式两种模式工作。因此，PDE是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机。

发明内容

1、目的：根据以上技术背景，本发明的目的是提供一种航空微型脉冲爆震式发动机，它克服了现有技术的不足，是一种结构简单、尺寸小、成本低、性能优越、适用范围广的航空发动机。

2、技术方案：为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明一种航空微型脉冲爆震式发动机，它是由供气管、供油管、支架、油气混合管、进气阀体、阀片、阀片压块、压紧螺栓、固定环、火花塞安装台、燃烧喷管、固定螺栓螺母等构成；它们之间的位置连接关系是：供油管通过细牙螺纹固定于油气混合管，支架与供气管、油气混合管的外管壁固定连接，油气混合管通过普通螺纹与进气阀体连接，进气阀体后方设有阀片，通过阀片压块、压紧螺栓压紧和固定，进气阀体通过周向均布的6组固定螺栓螺母与固定环连接，固定环与燃烧喷管、燃烧喷管与火花塞安装台之间通过焊接连接。

所述供气管是钢制圆柱管件，前段外部设有管路接头，内设通孔，出口内径较进口小，用于引射气导入；

所述供油管是钢制圆柱管件，前段外部设有管路接头，后端外部设有细牙外螺纹用于与油气混合管的固定连接，内设通孔，出口内径较进口小，用于燃油导入并加速流动；

所述支架是普通铝片，通过钳工制作，用于供气管与油气混合管的固定；

所述油气混合管是钢制圆柱管件，内设有盲孔至中段，前段内部设有细牙内螺纹用于与供油管的固定连接，中段设有一个横向通孔用于燃油喷出并与引射气混合雾化，后端外部设有普通外螺纹用于与进气阀体的固定连接；

所述进气阀体是钢制法兰式圆台状结构件，前段内部设有收敛-扩张式流道用于空气吸入并减速，后段内部设有周向均布的轴向斜孔，用于将预混燃料导入燃烧喷管，中心部位设有内螺纹用于与油气混合管的固定连接，后段外部设有法兰盘用于与固定环的螺栓连接；

所述阀片是不锈钢制花瓣形件，中心设有圆孔用于穿过压紧螺栓，花瓣的数量与进气阀体的轴向斜孔的数量相同，其厚度较小，要求具有良好的振动疲劳强度；

所述阀片压块是钢制回转件，中心设有圆孔用于穿过压紧螺栓，一侧设有圆弧面，用于压紧阀片并控制阀片弯曲；

所述压紧螺栓是钢制螺栓件，设有配合面段和螺纹段，用于固定阀片、阀片压块；

所述固定环是不锈钢制回转件，前段设有法兰盘用于与固定进气阀体的螺栓连接，后端设有焊接凸台用于与燃烧喷管的焊接连接；

所述火花塞安装台是不锈钢制六面体件，下方与燃烧喷管焊接连接，中心设有螺纹孔用于火花塞的安装；

所述燃烧喷管是不锈钢制管件，分为三段由等厚不锈钢板卷成，第一段为大口径圆筒，第二段为大小口筒体，第三段为小口径圆筒，流道收敛，第一段左端与固定环搭接焊接、各段之间亦为搭接焊接，第一段横向开孔并与火花塞安装台焊接连接；

所述固定螺栓螺母是市购标准件；

其中，进气阀体后段内部周向均布的轴向斜孔的数量是8-12个。

本发明的原理及工作过程如下：

发动机头部采用燃料、空气分股供给，利用引射方式使燃油雾化，供气管与水平轴线成30°夹角、从下向上供气以达到引射作用；预混燃料随来流空气进入进气道，进气道采用收敛-扩张型设计，油气混合物在阀片前滞止增压，当压力增大到一定程度时，由于阀片后方为当地大气压，压差作用使阀片向后方弯曲，阀片打开，预混燃料进入燃烧喷管。火花塞点火，使预混燃料在燃烧喷管前部产生爆炸反应，气体膨胀，燃烧腔内压力迅速升高，阀片关闭。喷管设计为收敛型，爆炸后燃气从后方加速喷出而形成推力，同时由于气体喷出的惯性使得燃烧喷管前部形成负压，进气的阀片再次打开，新的预混燃料进入燃烧喷管，如此往复产生推力使得发动机持续工作。

推力参数估算方法：

发动机的推力由多种因素决定，其理论值可由动量定理进行估算，各参数及其意义如下：

推力F(N)、空气质量流量m(kg/s)、喷气速度v(m/s)。

其中，m可由实际进入发动机的油气量X换算得出，

实际推力：F(N)＝m×v＝((1+X)×D^2×π×v^2)/4

3、优点及功效：

本发明一种航空微型脉冲爆震式发动机，它的主要优点是：与传统脉冲爆震式发动机相比，发动机尺寸及重量大幅减小，全长500mm，最大直径82mm，因此称之为“微型”脉冲爆震发动机；发动机本体共由供气管、供油管、支架、油气混合管、进气阀体、阀片、阀片压块、压紧螺栓、固定环、火花塞安装台、燃烧喷管、固定螺栓螺母等件组成，结构十分简单；发动机工作时操作简便，具有较强的可实施性。

附图说明

图1为本发明主要部件装配图；

图2为供油供气、点火装置控制电路与本发明的组装图；

图3为供气管剖面图；

图4为供油管剖面图；

图5为油气混合管剖面图；

图6为进气阀体剖视图；

图7为进气阀体右视图；

图8为阀片主视图；

图9为阀片压块剖面图；

图10为压紧螺栓主视图；

图11为固定环剖面图。

图中符号说明如下

1-供气管，2-支架，3-供油管，4-油气混合管，5-进气阀体，6-固定螺栓螺母，7-固定环，8-固定螺母，8-火花塞安装台，9-燃烧喷管，10-压紧螺栓，11-阀片压块，12-阀片；

具体实施方式

本发明主要部件装配关系如图1所示，它是由供气管1、供油管3、支架2、油气混合管4、进气阀体5、阀片12、阀片压块11、压紧螺栓10、固定环7、火花塞安装台8、燃烧喷管9、固定螺栓螺母6等构成；它们之间的位置连接关系是：供油管3通过细牙螺纹固定于油气混合管4，支架2与供气管1、油气混合管4的外管壁连接，油气混合管4通过普通螺纹与进气阀体5连接，进气阀体5后方设有阀片12，通过阀片压块11、压紧螺栓10压紧和固定，进气阀体5通过周向均布的6组固定螺栓螺母6与固定环7连接，固定环7与燃烧喷管9、燃烧喷管9与火花塞安装台8之间通过焊接连接。

所述供气管1是45号钢制圆柱管件，前段外部设有管路接头，配合内径

管路使用，内设通孔

用于引射气导入，见图3；

所述供油管3是45号钢制圆柱管件，前段外部设有管路接头，配合内径

管路使用，后端外部设有细牙外螺纹M4×0.5，用于与油气混合管4的固定连接，内设通孔，出口内径

进口内径

用于燃油导入并加速流动，见图4；

所述油气混合管4是45号钢制圆柱管件，内设盲孔

至中段，前段内部设有细牙内螺纹M4×0.5用于与供油管3的固定连接，中段设一横向通孔

用于燃油喷出并与引射气混合雾化，后端外部设有普通外螺纹M5用于与进气阀体5的固定连接，见图5；

所述支架2是普通铝片，厚度1.0mm，通过钳工制作，用于供气管1与油气混合管4的固定；

所述进气阀体5是45号钢制法兰式圆台状结构件，前段内部设有收敛-扩张式流道用于空气吸入并减速，后段内部设有10个周向均布、与中心轴线成24°、

斜孔，用于将预混燃料导入燃烧喷管9，中心部位设置有内螺纹用于与油气混合管4的固定连接，后段外部设有法兰盘，周向均布6个轴向

通孔，用于与固定环7的螺栓连接，见图6、图7；

所述阀片12是不锈钢制花瓣形件，有10个花瓣形，在发动机工作过程中，由于单向的阀片12的振动频率对其性能具有很大影响，因此拟通过对不同厚度(包括0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm)进行多组实验，以探究最佳的阀片12的厚度，见图8；

所述阀片压块11是45号钢制回转件，中心设置有圆孔用于穿过压紧螺栓10，一侧设有圆弧面，用于压紧并控制阀片12弯曲，见图9；

所述压紧螺栓10是45号钢制螺栓件，设有配合面段和螺纹段M5，用于固定阀片12、阀片压块11，见图10；

所述固定环7是不锈钢制回转件，前段设有法兰盘，周向均布六个轴向

通孔，用于与进气阀体5的螺栓连接，后端设有焊接凸台用于与燃烧喷管9的焊接连接，见图11；

所述火花塞安装台8是不锈钢制六面体件，下方与燃烧喷管9焊接连接，中心设有螺纹孔，M10×1.0，用于火花塞的安装；

所述燃烧喷管9是不锈钢制管件，分为三段由等厚不锈钢板卷成，第一段为大口径圆筒，第二段为大小口筒体，第三段为小口径圆筒，流道收敛第一段左端与固定环7搭接焊接、各段之间亦为搭接焊接，第一段横向开孔并与火花塞安装台焊接连接；

所述火花塞是摩托车用火花塞，螺纹规格M10×1.0，螺纹长度12.7mm；

所述连接螺栓螺母6是标准件，GB/T 29.1-1988，六角头头部带槽螺栓-A级M4×16，螺母规格GB/T 6170-2000，1型六角螺母M4；

见图2，为供油供气、点火装置控制电路与本发明的组装示意图。

图中电源是自制电源，由八节一号电池串联而成，输出电压12伏；

图中油泵是某模型电动加油泵，额定工作电压6伏，参考压力35Pa，可由四节五号电池驱动，通过电位器分压调节输出功率，进而调节供油量，油箱的体积约为3L；

图中火花塞是摩托车用火花塞，螺纹规格M10×1.0，螺纹长度12.7mm；

图中气泵的型号是叶红AC-108N，功率80W，最大流量20L/min，最大压力45PSI。

在发动机试车过程中，为了更好地控制发动机中供油供气和火花塞的点火过程，在出现意外情况时及时切断油路以保证安全，对实验配以简单的油路气路控制系统。

试车实验步骤如下：

(1)将组装完成的发动机与试车台架进行可靠连接，包括轴向、径向和周向的固定，防止发动机在试车过程中的移动或脱落而造成的意外伤害；

(2)组装油路的控制系统，在油箱内加入适量燃油，接通油路控制系统电路，旋转燃油流量调节器，改变燃油流量大小，检查控制系统是否工作正常；

(3)组装发动机点火系统，点击触动开关，观察火花塞打火情况；

(4)将供油供气系统、点火系统与发动机进行组装，在发动机前方放置一台鼓风机，以模拟发动机工作时的外流场条件，待一切就绪后，准备实验；

(5)打开鼓风机，待其工作稳定后，打开气泵供气、油泵供油，调节气泵压力和燃油流量，观察燃油雾化情况；(此步骤也可安排在实验前，将燃油雾化效果调至最佳后，记录气泵压力和燃油流量，以节省实验进行时间)

(6)按动点火装置触动开关，接触时间1至2秒，以发动机进入正常工作状态为准，之后不再点火；

(7)试验结束后，依次关闭油路、气路、点火电路以及气泵开关，完成实验。

Claims

1.一种航空微型脉冲爆震式发动机，其特征在于：它是由供气管、供油管、支架、油气混合管、进气阀体、阀片、阀片压块、压紧螺栓、固定环、火花塞安装台、燃烧喷管、固定螺栓螺母构成；供油管通过细牙螺纹固定于油气混合管，支架与供气管、油气混合管的外管壁连接，油气混合管通过普通螺纹与进气阀体连接，进气阀体后方设有阀片，通过阀片压块、压紧螺栓压紧和固定，进气阀体通过周向均布的6组固定螺栓螺母与固定环连接，固定环与燃烧喷管、燃烧喷管与火花塞安装台之间通过焊接连接；

所述油气混合管是钢制圆柱管件，内设盲孔至中段，前段内部设有细牙内螺纹用于与供油管的固定连接，中段设有一个横向通孔用于燃油喷出并与引射气混合雾化，后端外部设有普通外螺纹用于与进气阀体的固定连接；

所述阀片是不锈钢制花瓣形件，中心设有圆孔用于穿过压紧螺栓，花瓣的数量与进气阀体的轴向斜孔的数量相同，其厚度要求具有良好的振动疲劳强度；

所述固定螺栓螺母是市购标准件。

2.根据权利要求1所述的一种航空微型脉冲爆震式发动机，其特征在于：该进气阀体后段内部周向均布的轴向斜孔的数量是8-12个。