CN103899436B - 一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机，由发动机壳体、螺旋隔板、进气槽孔、火花塞和进气转子组成；发动机壳体为圆环形，螺旋隔板固定在环形腔体的内环壁上形成螺旋式通道，螺旋隔板之间的内环壁上开有进气槽孔；进气转子上设置有两个形状相同的螺旋槽孔为公用进气道。进气转子与发动机壳体内环紧密配合，可自由转动。发动机端部安装有多个火花塞与内环壁上螺旋通道对应配合，火花塞由计算机控制，根据进气转子的转速和进气道的相位自动点火，实现多管分时起爆。发动机采用小能量点火能缩短轴向DDT距离，有效地利用了发动机的空间尺寸；采用沿爆震室开进气槽孔进气使得填充时间短，进气填充速度快，提高了爆震频率。

Description

一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机

技术领域

本发明属于脉冲爆震发动机领域，具体地说,涉及一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机。

背景技术

爆震波的发现最早可以追溯到19世纪末，相比于缓燃波，爆震波的传播速度可以达到几千米每秒，同时产生极高的燃气压力和燃气温度，由于爆震燃烧波的增压作用，理论计算和试验结果表明脉冲爆震发动机推进性能大大高于现有传统发动机。

为获得高性能的脉冲爆震发动机，如何在较短距离获得爆震波以及提高脉冲爆震发动机爆震频率是需要解决的核心问题；与脉冲爆震发动机相比，旋转爆震发动机可以有效解决上述两个技术难题；旋转爆震发动机内的爆震波分解为轴向和周向两个方向，所以在相同的起爆条件下，旋转爆震起爆的轴向长度远小于脉冲爆震发动机，由于旋转爆震发动机的燃料只需填充燃烧室头部的一段距离，可实现较高的点火频率。旋转爆震发动机的爆震波速度分为周向和轴向两个方向，运动轨迹极不稳定，旋转爆震发动机稳定工作时间一般在10秒以内，很难在实际工程中应用。结合脉冲爆震和旋转爆震的特点，把爆震室设计成螺旋形，人为的将爆震波的速度分解成周向和轴向两个方向，既能缩短起爆的轴向距离，又可使爆震波在一个稳定的螺旋管内传播，使爆震发动机可以连续工作较长时间。

现有公开的文献《脉冲爆震发动机数值模拟与螺旋管内缓燃向爆震转变试验研究》(西北工业大学学位论文)中测试了一系列不同构型的螺旋爆震管的DDT距离，指出螺旋结构爆震发动机可以缩短爆震发动机DDT距离；螺距为360mm，中径为337mm，管径为50mm的螺旋爆震管DDT轴向长度为同管径直管DDT轴向长度的1/3；在专利201020109220中公开了一种螺旋式脉冲爆震发动机的爆震管，其采用单管螺旋爆震管，缩短了DDT距离。但是二者均存在较明显的不足，其螺旋管内流阻大于同管径直管的内流阻，采用头部填充增加了填充难度，难以提高爆震频率。若燃料采用液态燃料，螺旋管头部填充时，雾化后油气混合物碰壁几率远大于直管，容易形成液滴，增加了雾化难度。螺旋管引导线为螺旋线，螺旋管由圆环沿引导线拉伸形成，此圆环面始终垂直于引导线，其半径远大于爆震管的半径，沿轴向的迎风面积远大于同管径的直管的迎风面积，采用单螺旋管分布，浪费了发动机的空间利用率。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,克服由于爆震室轴向尺寸过长，造成爆震发动机难以与传统涡轮发动机结合以及传统脉冲爆震发动机头部填充的方式限制了爆震频率提高的问题，本发明提出一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机，该脉冲爆震发动机缩短了爆震室轴向长度，并且采用沿爆震室设置进气槽填充的方式，缩短了填充时间，极大地提高了爆震频率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括发动机壳体、螺旋隔板、进气槽孔、火花塞、进气转子,所述发动机壳体为环形结构，外环与内环形成的腔体一端密封，螺旋隔板固定在环形腔体的内环壁上,螺旋隔板沿内环壁周向均布把环形腔体隔离成2n个螺旋式爆震通道，其中n≥2，螺旋隔板之间的内环壁上开有螺旋进气槽孔,螺旋进气槽孔宽度与螺旋式爆震通道宽度之比为0.3～0.5，螺旋隔板的中心轴线与发动机壳体的中心轴线重合；发动机壳体密封端壁上安装有多个火花塞分别与各螺旋式爆震通道相对应；所述进气转子为圆筒形，进气转子上开有螺旋槽孔,两个反向对称的螺旋槽孔为公用进气道，进气转子嵌套在发动机壳体内环,且与发动机壳体内环紧密配合,自由转动；进气转子按一定角速度旋转，当某一螺旋式爆震通道进气槽孔位于进气转子螺旋槽孔内时，螺旋式爆震通道和公用进气道联通，螺旋式爆震通道处于填充阶段，进气转子继续旋转，当螺旋式爆震通道进气槽孔和进气转子螺旋槽孔分离，填充阶段结束，点火起爆，进入下一循环；进气转子旋转一周，爆震管爆震两次；它们之间的关系为:

t_f/T=φ/π，

其中，填充时间为t_f、爆震周期为T、进气转子开槽宽度的中心角为φ；火花塞和进气转子的转速共同由计算机控制，由进气转子的转速和相位控制点火，实现多管同时起爆或分时起爆；分时起爆时，爆震室沿中心轴对称。

所述进气槽孔的螺旋引导线和螺旋隔板的螺旋引导线参数相同。

所述进气转子螺旋槽孔的螺旋引导线和进气槽孔的螺旋引导线参数相同。

有益效果

本发明提出的螺旋式多通道脉冲爆震发动机，发动机壳体为圆环形腔体，螺旋隔板固定在环形腔体的内环壁上形成螺旋式爆震通道，螺旋隔板之间的内环壁上开有进气槽孔；进气转子上开有一对形状相同位置相反的螺旋槽孔，螺旋槽孔为公用进气道。进气转子与发动机壳体内环紧密配合,自由转动，且与发动机同轴。发动机壳体环形腔体一端密封,密封端壁上安装多个火花塞与内环壁上螺旋式爆震通道对应配合，发动机端部的火花塞由计算机控制，根据进气转子的转速及公用进气道的相位自动点火，实现多管同时起爆或分时起爆；在分时起爆时，爆震室沿中心轴对称。发动机采用小能量点火能缩短轴向DDT距离，采用沿爆震室开进气槽孔进气使得填充时间比传统脉冲爆震发动机头部填充时间短，而且进气填充速度快；在相同横截面积下比单个螺旋管分布更多爆震管，有效地利用了发动机的空间尺寸，有利于提高爆震频率。本发明更具有普适性和实用性，并可长时间工作。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机作进一步详细说明。

图1为本发明螺旋式多通道脉冲爆震发动机示意图。

图2为本发明螺旋式多通道脉冲爆震发动机的进气转子示意图。

图3为本发明的发动机壳体结构示意图。

图中:

1.发动机壳体2.螺旋隔板3.进气槽孔4.火花塞5.进气转子

具体实施方式

本实施例是一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机。

参阅图1、图2、图3，本实施例螺旋式多通道脉冲爆震发动机,由发动机壳体1、螺旋隔板2、进气槽孔3、火花塞4、进气转子5组成；发动机壳体1为圆环形结构，外环与内环形成的腔体一端密封，螺旋隔板2固定在环形腔体的内环壁上，螺旋隔板2沿内环壁周向均布把环形腔体隔离成2n个螺旋式爆震通道，其中n≥2，螺旋隔板2之间的内环壁上开有螺旋进气槽孔3，进气槽孔3的引导线与螺旋隔板2的引导线参数相同，螺旋引导线参数包括螺距、半径，参数相同的两个螺旋引导线可以通过旋转重合；螺旋进气槽孔3宽度与螺旋式爆震通道宽度之比为0.3～0.5；发动机壳体1密封端壁上对应每个螺旋式爆震通道安装火花塞4；螺旋隔板2的中心轴线与发动机壳体1的中心轴线重合，螺旋式爆震通道沿其中心轴线周向均匀分布。

进气转子5为圆筒形，进气转子5上开有螺旋槽孔,两个反向对称的螺旋槽孔为公用进气道，进气转子5上的螺旋槽孔的引导线和发动机内环壁上进气槽孔3的引导线参数相同。进气转子5嵌套在发动机壳体1内环,而且与发动机壳体1内环紧密配合，自由转动；进气转子5按一定角速度ω旋转，当某一螺旋式爆震通道进气槽孔3位于进气转子5螺旋槽孔内时，螺旋式爆震通道和公用进气道相联通，螺旋式爆震通道处于填充阶段，进气转子5继续旋转，当螺旋式爆震通道的进气槽孔3和进气转子5螺旋槽孔分离，填充阶段结束，点火起爆，进入下一循环；进气转子5旋转一周，爆震管爆震两次；它们之间的关系为:

t_f/T=φ/π，

其中，填充时间为t_f、爆震周期为T、进气转子开槽宽度的中心角为φ；

火花塞4和进气转子5的转速共同由计算机控制，经传感器反馈的进气道内的压力调节进气道转速，由进气转子5的转速控制火花塞4点火频率，由进气道的相位控制点火,实现多管同时起爆或分时起爆；在分时起爆时，爆震室沿中心轴对称，以保证发动机产生的推力没有矢量效果。

本实施例以螺旋管螺旋半径为100mm，螺距为400mm，螺旋圈数为2，每个爆震室总长为1490mm，轴向长度为800mm，发动机壳体内径为180mm，外径为220mm，扇形螺旋通道为爆震管。以壁厚为3mm无缝贴合发动机壳体内壁内径，且可自由旋转的圆筒形转子围成的通道作为进气道；进气道内为雾化后的油气混合物，进气转子5上开有两个对称反向的螺旋槽孔为公用进气道，进气转子螺旋槽孔的引导线和发动机壳体内壁上进气槽孔3的引导线参数相同，中心角为120o，当进气转子5转动一周，每一螺旋式爆震通道都会填充两次。当某一螺旋式爆震通道内的进气槽孔3和进气转子5螺旋槽孔联通时，螺旋式爆震通道即和进气道联通，处于填充阶段，进气道内当量比的油气混合物，由联通的进气槽孔3进入螺旋式爆震通道内，进气面积远大于由头部进气的方式；这种进气方式比头部进气的方式进气更加迅速，有利于提高爆震频率而且更易于点火起爆；当螺旋式爆震通道内进气槽孔3和进气转子5螺旋槽孔分离时，填充阶段结束；计算机控制火花塞开始点火起爆，排出燃气，通道内的高压燃气压力迅速下降，当螺旋式爆震通道内进气槽孔3和进气转子5螺旋槽孔再次联通时，爆震通道内的压力下降到填充压力，进行下一循环。

由于公用进气道为两个反向对称的螺旋槽孔，对于某一螺旋式爆震通道来说，在进气转子旋转一个周期内可以爆震循环两次；对于整台发动机来说，进气转子对称设置两个反向对称的螺旋槽孔，可以保证关于中心轴线对称的某一对爆震通道处于填充阶段，整台发动机设置有6个螺旋式爆震通道，这样就把螺旋式爆震通道分为3组；进气转子转速为20n/s，填充时间tf=0.033s，填充时间tf满足填充要求。对于某一爆震室爆震频率为40HZ，而整台脉冲爆震发动机的频率为120HZ；在本实施例中没有采用高频电磁阀或其它结构复杂的气动阀，可使脉冲爆震发动机的爆震频率达到120HZ,点火为小能量点火。对比直管爆震室，本实施例中爆震室总长为1490mm，没有采用爆震增强装置，形成爆震波满足了DDT要求，但其轴向长度只有800mm，而同尺寸下光滑直管的DDT距离一般在1200mm以上，极大地缩短了DDT的轴向长度，大幅减小了脉冲爆震发动机的轴向尺寸。对比单管螺旋管，本实施例在同样的迎风面积下分布有6个螺旋式爆震通道，燃烧室体积为同管径单管的6倍；发动机产生的推力与燃烧室燃烧产生的热量成正比，充分的利用了发动机的空间尺寸，本实施例发动机的推力远大于单管螺旋爆震发动机的推力。

发动机壳体的加工方式有以下两种:

1.发动机壳体内环壁与螺旋隔板为一体，螺旋隔板与内环壁采用焊接连接，也可由一整体材料切削加工而成,壳体外环壁与螺旋隔板无缝连接,且不能相对运动。

2.螺旋隔板与发动机壳体内壁不是永久性连接，螺旋隔板由“工”形不通槽和螺栓与发动机壳体内壁紧固，每一螺旋隔板均可取出，可调节螺旋爆震室的数目。

Claims (3)

1.一种螺旋式多通道脉冲爆震发动机,其特征在于:包括发动机壳体、螺旋隔板、进气槽孔、火花塞、进气转子,所述发动机壳体为环形结构，外环与内环形成的腔体一端密封，螺旋隔板固定在环形腔体的内环壁上,螺旋隔板沿内环壁周向均布把环形腔体隔离成2n个螺旋式爆震通道，其中n≥2，螺旋隔板之间的内环壁上开有螺旋进气槽孔,螺旋进气槽孔宽度与螺旋式爆震通道宽度之比为0.3～0.5，螺旋隔板的中心轴线与发动机壳体的中心轴线重合；发动机壳体密封端壁上安装有多个火花塞分别与各螺旋式爆震通道相对应；所述进气转子为圆筒形，进气转子上开有螺旋槽孔,两个反向对称的螺旋槽孔为公用进气道，进气转子嵌套在发动机壳体内环,且与发动机壳体内环紧密配合,自由转动；进气转子按一定角速度旋转，当某一螺旋式爆震通道进气槽孔位于进气转子螺旋槽孔内时，螺旋式爆震通道和公用进气道联通，螺旋式爆震通道处于填充阶段，进气转子继续旋转，当螺旋式爆震通道进气槽孔和进气转子螺旋槽孔分离，填充阶段结束，点火起爆，进入下一循环；进气转子旋转一周，螺旋式爆震通道爆震两次；填充时间与爆震周期的关系为:

t_f/T＝φ/π，

其中，填充时间为t_f、爆震周期为T、进气转子开槽宽度的中心角为φ；火花塞和进气转子的转速共同由计算机控制，由进气转子的转速和相位控制点火，实现多管同时起爆或分时起爆；分时起爆时，螺旋式爆震通道沿中心轴对称。

2.根据权利要求1所述的螺旋式多通道脉冲爆震发动机,其特征在于:所述进气槽孔的螺旋引导线和螺旋隔板的螺旋引导线参数相同。

3.根据权利要求1所述的螺旋式多通道脉冲爆震发动机,其特征在于:所述进气转子螺旋槽孔的螺旋引导线和进气槽孔的螺旋引导线参数相同。