CN103075271B - 一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机，采用多管共轴叠加呈倒锥台形结构，嵌套在发动机外壳体与内壳体之间的锥环形通道中,锥环形通道位于氧化剂存储腔和隔离气体存储腔之间；工作过程中锥螺旋式爆震管中燃气的高温可对两侧腔体中的气体进行预热，同时腔体中气体对锥螺旋式爆震管进行冷却，避免烧坏爆震管，利用回热原理提高发动机热循环效率。锥螺旋式爆震管设置有增强段，可燃混合气体填充时间很短，能显著地缩短DDT距离和时间,提高了发动机的工作频率；利用脉冲爆震波产生高温、高压燃气并高速喷射来产生周期性推力。高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机结构简单，无增压部件和旋转部件，体积小、加工方便。

Description

一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机

技术领域

本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，具体地说,涉及一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机属于非稳态发动机，是一种利用脉冲爆震波产生高温、高压燃气并进行高速喷射来产生周期性推力的新概念推进装置。按照其是否自带氧化剂，脉冲爆震发动机可分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。

在现有常规尺度的脉冲爆震发动机中，为了保证爆震管的填充流量，供给电磁阀的孔径不能太小，而大孔径电磁阀又难以高频响应，因此严重限制了常规尺度脉冲爆震发动机工作频率的提升，从而限制了发动机的推力提升。另外，对于常规脉冲爆震发动机，由于DDT(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)距离的限制使得其轴向长度很难缩短，因此限制了发动机外形尺寸的缩小。现已有研究证明爆震波能够实现在螺旋管中传播，并且螺旋管式爆震管中由于离心力作用产生的径向、轴向和周向的二次流可以促进燃烧中热与质的交换、加速掺混，且能有效地缩短DDT距离。

对于已有的微动力装置，其燃烧方式均为缓燃燃烧，其热循环效率远低于爆震循环。另外，为了保证产生一定的循环功，现有微动力装置的结构中大多包含增压部件，使得结构的复杂性大大增加。以现有的微型涡轮喷气发动机而言，其结构中就包含了以几十万转/分旋转的涡轮和压气机部件，该装置在提高了发动机推重比和能量密度的同时也使得其结构复杂程度增加，很难达到普及应用。将微动力装置和爆震燃烧循环的特点结合，研究基于爆震燃烧的微动力装置具有重要的意义和广阔的应用前景。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,克服常规脉冲爆震发动机能量密度低、工作频率低的问题；本发明提出一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其采用锥螺旋形爆震管，缩小了脉冲爆震发动机的体积和轴向长度，提高了热动力装置的能量密度；发动机的爆震管体积较小，结构简单,能有效地缩短燃料的填充时间，提高其工作频率和发动机的推重比。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括氧化剂存储腔、氧化剂进气管、隔离气体存储腔、隔离气体进气管、增强段、1#高频电磁阀、2#高频电磁阀、脉冲点火器、分流室、锥螺旋式爆震管、拉瓦尔喷管、引射器喷管、引射导流装置、锥环形通道，

所述锥螺旋式爆震管采用多管共轴叠加，呈倒锥台形结构，嵌套在发动机外壳体与内壳体之间的锥环形通道中,锥环形通道位于氧化剂存储腔和隔离气体存储腔之间，分流室位于锥螺旋式爆震管的上方；锥螺旋式爆震管上端与分流室固连，下端与引射导流装置固连；氧化剂进气管位于分流室的上方，与分流室上端部的氧化剂入口相连通，另一端与氧化剂存储腔连通，2#高频电磁阀安装在氧化剂进气管管壁上靠近分流室；脉冲点火器位于氧化剂进气管上2#高频电磁阀与分流室之间；隔离气体进气管位于分流室的下方，与分流室下端部的隔离气体入口相连通，另一端与隔离气体存储腔连通，1#高频电磁阀安装在隔离气体进气管的管壁上靠近分流室。

所述增强段位于锥螺旋式爆震管的前段，与分流室相连通；增强段内腔设置有螺旋凹槽；螺旋凹槽的剖面为矩形，其螺距为爆震管内径的1-1.5倍,螺旋升角为30-45度,螺旋凹槽的深度和宽度为爆震管内径的1/3。

所述分流室为两端封闭的圆筒状腔体，两封闭端，中心部位有氧化剂入口和隔离气体入口,圆筒壁上设有三个连接孔，呈120度分布。

氧化剂进气管直径、隔离气体进气管的直径小于爆震管的直径。

锥螺旋式爆震管轴向长度和发动机外壳体圆柱段长度相同。

分流室、锥螺旋式爆震管、拉瓦尔喷管、引射导流装置安装在同一轴线上。

有益效果

本发明一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机，采用多根细管复合叠加形成锥螺旋式爆震管，爆震管之间紧密贴合呈锥环结构，利用脉冲爆震波产生高温、高压燃气并高速喷射来产生周期性推力。锥螺旋式爆震管体积极小，可燃混合气体填充时间很短，同时,由于增强段中设置有凹形槽,显著地缩短了DDT距离和时间,提高了发动机的工作频率。锥螺旋式爆震管嵌套在锥环形通道中,位于氧化剂存储腔和隔离气体存储腔之间，工作过程中锥螺旋式爆震管中燃气的高温可对两侧腔体中的气体进行预热，同时腔体中气体对锥螺旋式爆震管进行冷却，避免烧坏爆震管，利用回热原理可提高该发动机热循环效率。采用锥螺旋形爆震管，缩小了爆震发动机的体积和轴向长度，提高了该热动力装置的能量密度。高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机无增压部件和任何旋转部件，具有结构简单、重量轻，加工方便、成本低的特点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机作进一步详细说明。

图1为本发明高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机示意图。

图2为锥螺旋式爆震管的增强段的剖视图。

图3为氧化剂、点火时间和隔离气体的工作时序图。

图4为锥螺旋式爆震管示意图。

图5为发动机的壳体示意图。

图6为拉瓦尔喷管剖视图。

图7为氧化剂进气管示意图。

图8为隔离气体进气管示意图。

图中:

1.氧化剂存储腔  2.氧化剂进气管  3.增强段  4.1#高频电磁阀5.2#高频电磁阀  6.脉冲点火器  7.分流室  8.隔离气体进气管9.隔离气体存储腔  10.锥螺旋式爆震管  11.引射导流装置  12.拉瓦尔喷管13.引射器喷管  14.氧化剂入口  15.锥环形通道

具体实施方式

本实施例是一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机。

参阅图1-图8，本发明高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机的外壳体上半段为圆柱形，下半段为圆锥状。发动机的内壳体的内部曲面形成引射器的通道，引射器通道分为上、中、下三段,上段呈喇叭形，中间段为圆柱形状，下半段为扩张喷管,引射器喷管13的出口直径等于壳体的下端口直径。发动机的内、外部壳体之间形成空腔体，腔体被锥环形通道15隔开形成上、下部分两个腔室，上部较小的为隔离气体存储腔9存储隔离气体，下部较大的腔体为氧化剂存储腔1存储燃料和氧化剂，如图5所示。

多根细管复合叠加，形成锥螺旋式爆震管10，爆震管之间紧密贴合，不留缝隙形成锥环结构，锥螺旋式爆震管10嵌套在锥环形通道15中。锥螺旋式爆震管10的上端面与发动机的壳体的上端面平齐安装，锥螺旋式爆震管10轴向长度与发动机外壳体圆柱段长度相同，上端面直径等于发动机外壳体内直径，下端面直径等于引射器通道的最小直径。锥螺旋式爆震管10上端口通过圆滑的增强段3连接到发动机上端面中心处的分流室7上，增强段3中内腔道设置有螺旋凹槽,如图2所示。分流室7为圆柱形腔室，其上、下端面的中心处各有进气通孔，上端通孔连接氧化剂进气管2,下端通孔连接隔离气体进气管8；氧化剂进气管2上安装有2#高频电磁阀5和脉冲点火器6，隔离气体进气管8上安装有1#高频电磁阀4。锥螺旋式爆震管10的下端出口通过管路圆滑过渡连接到拉瓦尔喷管12上，拉瓦尔喷管12的轴向长度为自身直径的2倍。拉瓦尔喷管12外部的上端构型设计成平滑曲线以减小对引射气流的阻力。分流室7和锥螺旋式爆震管10、拉瓦尔喷管12之间的连接关系,如图4所示。

安装时,分流室7、锥螺旋式爆震管10、拉瓦尔喷管12、引射器喷管13和引射导流装置11应均处在发动机的中心轴线上。发动机结构中氧化剂存储腔1的体积为隔离气体存储腔9体积的3倍。结构中氧化剂进气管2和隔离气体进气管8的直径小于锥螺旋式爆震管10的直径。

工作循环过程

本发明高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机，采用气态燃料的预混填充模式工作，选乙烯-氧气分别作为燃料和氧化剂存储于氧化剂存储腔1中，氮气作为隔离气体存储于隔离气体存储腔9中。每个工作循环开始后，乙烯-氧气混合气体由氧化剂存储腔1经氧化剂进气管2进入分流室7中，混合气体经过分流室7的分流，分别进入锥螺旋爆震管中，2#高频电磁阀5控制乙烯-氧气的脉冲供给。当爆震管中被填充满混合气体后，2#高频电磁阀5关闭，由脉冲点火器6点火，可燃混合气体在增强段3中传播，可燃混合气体在增强段3中经过凹槽的作用迅速由缓燃燃烧转变成爆震燃烧，爆震波沿三根不同的锥螺旋爆震管分别向下游高速传播，爆震后的燃气体由锥螺旋式爆震管10传播汇入拉瓦尔喷管12中，高温、高压燃气在拉瓦尔喷管12中充分膨胀后高速喷出，拉瓦尔喷管12出口的高速气体驱动引射器中的空气加速并向后由引射器喷管13喷出，引射导流装置11的设置加速了喷射流量，进而增加了发动机的推力。

在燃气排出爆震管后，为了避免未排出的残留燃气点燃下一个工作循环填充的燃料，在下一个工作循环开始前，需要向爆震管中填充一定量的隔离气体，隔离气体高压存放于隔离气体存储腔9中，1#高频电磁阀4打开时，隔离气体经过隔离气体进气管8进入分流室7中，然后分别填充入不同爆震管，工作循环完成。并联的复合爆震管共用同一喷管和点火、供给系统。工作循环中燃料、氧化剂和隔离气体的填充时序以及脉冲点火器的点火时序，如图3所示。

本发明高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机采用螺旋管式爆震管，爆震管间紧密贴合紧凑,同时还能有效缩小发动机的体积和轴向长度，使爆震管出口的高温、高压燃气便于汇聚进入处于发动机中轴线上的喷管喷出；将爆震管的圆柱螺旋结构优化为圆锥螺旋结构；发动机自带引射器使其整机结构紧凑,提高了爆震发动机的推力。发动机的锥螺旋式爆震管内径可小至亚毫米量级，整机体积小于1cm³，重量小于5克，能量密度可突破100W/g。

Claims (6)

1.一种高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:包括氧化剂存储腔、氧化剂进气管、隔离气体存储腔、隔离气体进气管、增强段、1#高频电磁阀、2#高频电磁阀、脉冲点火器、分流室、锥螺旋式爆震管、拉瓦尔喷管、引射器喷管、引射导流装置、锥环形通道，

所述锥螺旋式爆震管采用多管共轴叠，加呈倒锥台形结构，嵌套在发动机外壳体与内壳体之间的锥环形通道中,锥环形通道位于氧化剂存储腔和隔离气体存储腔之间，分流室位于锥螺旋式爆震管的上方；锥螺旋式爆震管上端与分流室固连，下端与引射导流装置固连；氧化剂进气管位于分流室的上方，与分流室上端部的氧化剂入口相连通，另一端与氧化剂存储腔连通，2#高频电磁阀安装在氧化剂进气管管壁上靠近分流室；脉冲点火器位于氧化剂进气管上2#高频电磁阀与分流室之间；隔离气体进气管位于分流室的下方，与分流室下端部的隔离气体入口相连通，另一端与隔离气体存储腔连通，1#高频电磁阀安装在隔离气体进气管的管壁上靠近分流室。

2.根据权利要求1所述的高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:所述增强段位于锥螺旋式爆震管的前段，与分流室相连通；增强段内腔设置有螺旋凹槽；螺旋凹槽的剖面为矩形，其螺距为爆震管内径的1-1.5倍,螺旋升角为30-45度,螺旋凹槽的深度和宽度为爆震管内径的1/3。

3.根据权利要求1所述的高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:所述分流室为两端封闭的圆筒状腔体，两封闭端，中心部位有氧化剂入口和隔离气体入口,圆筒壁上设有三个连接孔，呈120度分布。

4.根据权利要求1所述的高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:氧化剂进气管直径、隔离气体进气管的直径小于爆震管的直径。

5.根据权利要求1所述的高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:锥螺旋式爆震管轴向长度和发动机外壳体圆柱段长度相同。

6.根据权利要求1所述的高频锥螺旋管式脉冲爆震发动机,其特征在于:分流室、锥螺旋式爆震管、拉瓦尔喷管、引射导流装置安装在同一轴线上。