CN103423023A

CN103423023A - 一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管

Info

Publication number: CN103423023A
Application number: CN2013103983880A
Authority: CN
Inventors: 郑华雷; 邱华; 熊姹; 李洋
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提供了一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，由左右平板侧壁与上下弯曲板封闭形成收敛段和扩张段，二次流引入管联通收敛段和扩张段；二次流引入管分为收敛段连接段、扩张段连接段和弯曲段，收敛段连接段中心轴线平行于喷管上下对称平面；扩张段连接段中心轴线处于垂直于扩张板与垂直于喷管上下对称平面之间；二次流引入管半径不大于喷管喉部半高的0.1倍，处于喷管扩张段上的二次流注入孔的总面积占喷管喉部面积的3%～8%。本发明不依靠庞大的二次流供气系统，而且通过调节扩张角实现了脉冲爆震发动机尾喷管的有效扩张比在一个周期内的自我控制，使发动机在爆震波排出阶段、填充阶段、和吹熄阶段均在比较理想的工作状态。

Description

一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管

技术领域

本发明涉及发动机尾喷管技术领域，具体为一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管。

背景技术

脉冲爆震发动机利用从尾部排出高温高压的气体来产生推力。爆震波能产生极高的燃气压力（15atm到55atm）和燃气温度（大于2500K），并具有相当高的速度，一般在2000m/s左右，爆震波从产生到排出的时间极短，只占整个爆震周期的1%到5%，其后的燃烧可视为等容燃烧，具有很高的热效率。脉冲爆震发动机的热效率和涡轮前温度即爆震波波后温度有正比关系，而爆震波的波后温度随填充压力增大而增大，提高脉冲发动机的填充压力会提高脉冲爆震发动机的热效率，在发动机尾部安装收缩喷管会有效的提高填充压力，从这方面讲，收缩喷管会提高脉冲爆震发动机的效率。然而爆震波排出时压力非常高，处于不完全膨胀状态，损失相当大，安装扩张喷管会使气体处于完全膨胀状态或减轻喷管的不完全膨胀状态，从这方面考虑，扩张喷管会减小脉冲爆震发动机损失。因此，收敛—扩张喷管更具有优势，收敛段提高了填充过程结束后的压力以提高爆震后温度，扩张段有效的改善了爆震波排出尾喷管的不完全膨胀状态。

带收敛—扩张喷管的脉冲爆震发动机虽然比带收缩喷管或扩张喷管的脉冲爆震发动机具有更高的效率，然而，喷管的扩张段只能在某一压力下使尾气达到完全膨胀状态，而在其他压力下都伴随着损失：压力较高时不完全膨胀带来的损失和压力减小到一定阀值后过膨胀带来的损失。普通的航空发动机可以通过机械方法调节喉部面积或出口面积来改变扩张比以使喷管出口达到完全膨胀状态，但是脉冲爆震发动机的爆震频率一般要求在20HZ以上，一个爆震周期小于0.05秒，压力从爆震压力降到填充压力（一般在1atm左右），是一个剧烈的非定常过程，在一个周期内通过机械方法改变扩张比显然是不现实的。国外采用在二元收敛—扩张喷管扩张段从独立的供气装置引入二次流，可以有效的改善爆震室内压力过低时尾喷管的过膨胀状态且压力比较高时基本不会减小喷管的出口面积，但需要庞大的二次流供气系统。

综上所述，由于其特殊性，脉冲发动机的尾喷管必须同时满足以下几个要求：提高填充压力、在高压的爆震波排出时可以使气体完全膨胀或接近完全膨胀、在低压气体排出时即填充阶段可以减轻气体的过膨胀状态、附加装置必须简单小巧。所以像收敛喷管、扩张喷管、收敛—扩张喷管等常规喷管或是常规的加二次流的收敛—扩张喷管都不满足上述要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有尾喷管不能同时满足在热力学和气动学上同时提高脉冲爆震发动机效率且结构简单附加质量小的缺点，本发明提供了一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，不需要单独二次流供气装置。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，由左右平板侧壁与上下弯曲板封闭形成收敛段和扩张段，其特征在于：二次流引入管联通收敛段和扩张段；所述二次流引入管分为收敛段连接段、扩张段连接段和弯曲段，收敛段连接段中心轴线平行于喷管上下对称平面；扩张段连接段中心轴线处于垂直于扩张板与垂直于喷管上下对称平面之间；二次流引入管半径不大于喷管喉部半高的0.1倍，处于喷管扩张段上的二次流注入孔的总面积占喷管喉部面积的3%～8%。

所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：左右平板侧壁与形成收敛段的弯曲板密封固定，而形成扩张段的弯曲板端部与形成收敛段的弯曲板端部铰链连接，形成扩张段的弯曲板两侧与左右平板侧壁密封配合；二次流引入管分为收敛段连接段和扩张段连接段，收敛段连接段与扩张段连接段由球形阀连接；收敛段连接段长度可变，扩张段连接段长度不变；收敛段连接段与喷管收敛段通过球形阀连接，扩张段连接段与喷管扩张段通过球形阀连接；在喷管扩张段和收敛段之间安装有长度可变的扩张角控制管，扩张角控制管与喷管扩张段以及收敛段铰链连接，扩张角控制管平行于左右平板侧壁。

所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：二次流引入管在垂直于二元收敛扩张喷管横截面的平面上等距分布，二次流引入管管壁与左右平板侧壁之间的距离不小于0.5倍二次流引入管的外径。

所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：喷管的扩张比比喷管匹配的脉冲爆震发动机工作状态的最佳扩张比大10%～15%。

有益效果

本发明不依靠庞大的二次流供气系统，而且通过调节扩张角实现了脉冲爆震发动机尾喷管的有效扩张比在一个周期内的自我控制，使发动机在爆震波排出阶段、填充阶段、和吹熄阶段均在比较理想的工作状态。提高了脉冲爆震发动机的燃烧效率，降低了发动机由于过膨胀和不完全膨胀带来的损失。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的原理图；

其中：1、收敛段；2、扩张段；3、二次流引入管；4、扩张角控制管。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1，本实施例中的脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，由左右平板侧壁与上下弯曲板封闭形成收敛段1和扩张段2，喷管入口半高50mm，内宽100mm，喷管入口和喉道水平距离30mm，喉部半高20mm，喉道和喷管出口水平距离100mm，喷管出口半高40mm。喷管的扩张比比喷管匹配的脉冲爆震发动机工作状态的最佳扩张比大10%～15%。

左右平板侧壁与形成收敛段的弯曲板密封固定，而形成扩张段的弯曲板端部与形成收敛段的弯曲板端部铰链连接，扩张段的弯曲板能够绕铰链轴转动，铰链轴垂直于左右平板侧壁，形成扩张段的弯曲板两侧与左右平板侧壁密封配合。

在收敛段1半高45mm处，扩张段2半高32mm处开孔连接二次流引入管3，二次流引入管与喷管收敛段和扩张段均通过球形阀连接，可绕球形阀在一定角度内转动。二次流引入管联通收敛段和扩张段，二次流引入管分为收敛段连接段3a和扩张段连接段3b，收敛段连接段与扩张段连接段由球形阀连接，以使两段可绕球形阀在一定角度内转动。

收敛段连接段中心轴线平行于喷管上下对称平面，收敛段连接段长度可变，收敛段连接段3a分为三段，其中3a1和3a3段为外表面带螺纹的空心直管，内径即为二次流引入管内径，3a2段为内表面带螺纹的空心直管，螺纹互相啮合，通过旋转3a2段可以调节收敛段连接段3a整体长度。

扩张段连接段3b中心轴线处于垂直于扩张板与垂直于喷管上下对称平面之间，扩张段连接段长度不变。

二次流引入管在垂直于二元收敛扩张喷管横截面的平面上等距分布，二次流引入管3内半径2mm，是喉部半高的10%，本实施例中16个二次流引入管均匀分布，二次流引入管管壁之间距离1mm，总面积402(mm*mm)，占喉道面积10%。二次流引入管管壁与左右平板侧壁之间的距离不小于0.5倍二次流引入管的外径，以保证足够的结构强度。

在喷管扩张段和收敛段之间安装有长度可变的扩张角控制管4，扩张角控制管与喷管扩张段以及收敛段铰链连接，扩张角控制管平行于左右平板侧壁。扩张角控制管4分为三段，4a段与4c段为外表面带螺纹的实心直管，4b段为内表面带螺纹的空心直管，螺纹互相啮合，通过旋转4b段即可调节扩张角控制管的整体长度；扩张角控制管4长度的改变使扩张角变化，同时也带动其与收敛段和扩张段之间的夹角变化，由于扩张角控制管两端分别铰链连接在收敛段和扩张段上，扩张角控制管可随夹角变化也绕铰链转动。

填充阶段爆震管内压力温度以及气流的速度较小，此时喷管出口平均压力小于大气压，处于过膨胀状态，会带来损失。参照附图2，扩张段二次流开孔前后会形成回流区，靠近喷管出口的回流区为后回流区，后回流区压迫喷管出口的主流，使主流有效流通面积减小即减小了喷管的膨胀比，主流经过前回流区会产生一道激波，激波经过反射形成反射激波，在填充阶段主流的低温低压状态下，反射激波和水平线的夹角较小，反射激波会直接传出喷管而不再影响后回流区，因而后回流区是开放式回流区，范围较大，使喷管达到完全膨胀状态或减轻过膨胀状态，减小了填充阶段由于过膨胀带来的损失。与此同时，由于此喷管带有收敛段，喷管的喉道处压力为一个大气压左右，根据尾喷管理论，我们可以知道整个爆震管内的压力要比不带喷管或带扩张喷管时的压力要大，普通发动机，燃烧室压力的提高会提高涡轮前温度从而使整个发动机效率提高，对应于脉冲爆震发动机，填充压力的提高会调高爆震后压力及温度从而提高脉冲爆震发动机的效率，与常规收敛喷管一样，本发明可以提高填充压力从而提高脉冲爆震发动机的燃烧效率。吹熄阶段：填充阶段结束，脉冲爆震发动机点火起爆，在t=0⁺时爆震波传到尾喷管。由于爆震波压力极高温度极高，具有极强的膨胀性，当爆震波传到扩张段时，会压迫填充阶段形成的回流区以致其消失，使喷管的扩张比达到最大，可以使爆震波达到最大化的膨胀，减小不完全膨胀带来的损失，本发明的扩张比要比匹配相应脉冲爆震发动机的普通收敛—扩张喷管的最佳扩张比要大10%～15%，因此在爆震波排出阶段比普通收敛—扩张喷管效率更高或者说损失要小。爆震波排出后，发动机内气体会从高温高压状态迅速减小到接近填充阶段的状态，此阶段扩张段二次流注入前后同样会形成回流区，但由于开始时主流的压力及温度都较高，反射激波与水平线的夹角较大，会再次达与喷管出口相交，反射激波会压迫后回流区，使后回流区封闭，范围变小，出口有效流通面积较大，从而使高温高压的主流接近完全膨胀。随着主流压力及温度的减小，反射激波与水平线的夹角变小，反射激波移向喷管出口，后回流区范围变大，有效流通面积减小，保证了低压情况下本发明的尾喷管比普通尾喷管的过膨胀状态要轻甚至达到完全膨胀状态。本发明这种自我控制扩张比的特性使脉冲爆震发动机在填充阶段、爆震波排出阶段以及吹熄阶段均比常规喷管的性能要高。

Claims

1.一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，由左右平板侧壁与上下弯曲板封闭形成收敛段和扩张段，其特征在于：二次流引入管联通收敛段和扩张段；所述二次流引入管分为收敛段连接段、扩张段连接段和弯曲段，收敛段连接段中心轴线平行于喷管上下对称平面；扩张段连接段中心轴线处于垂直于扩张板与垂直于喷管上下对称平面之间；二次流引入管半径不大于喷管喉部半高的0.1倍，处于喷管扩张段上的二次流注入孔的总面积占喷管喉部面积的3%～8%。

2.根据权利要求1所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：左右平板侧壁与形成收敛段的弯曲板密封固定，而形成扩张段的弯曲板端部与形成收敛段的弯曲板端部铰链连接，形成扩张段的弯曲板两侧与左右平板侧壁密封配合；二次流引入管分为收敛段连接段和扩张段连接段，收敛段连接段与扩张段连接段由球形阀连接；收敛段连接段长度可变，扩张段连接段长度不变；收敛段连接段与喷管收敛段通过球形阀连接，扩张段连接段与喷管扩张段通过球形阀连接；在喷管扩张段和收敛段之间安装有长度可变的扩张角控制管，扩张角控制管与喷管扩张段以及收敛段铰链连接，扩张角控制管平行于左右平板侧壁。

3.根据权利要求2所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：二次流引入管在垂直于二元收敛扩张喷管横截面的平面上等距分布，二次流引入管管壁与左右平板侧壁之间的距离不小于0.5倍二次流引入管的外径。

4.根据权利要求3所述一种脉冲爆震发动机二元收敛扩张喷管，其特征在于：喷管的扩张比比喷管匹配的脉冲爆震发动机工作状态的最佳扩张比大10%～15%。