CN105370439B - 旋流式水冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流式水冲压发动机，属于燃料供应系统和稳燃技术领域。所述发动机包括镁粉存储罐、搅拌棒、泵、燃烧室进口结构、燃烧室和喷管，所述燃烧室进口结构上设置有喷嘴、燃料进口、中心轴和旋流叶片。所述的镁粉存储罐、泵和燃烧室分别固定在鱼雷本体上，搅拌棒位于镁粉存储罐内部；燃烧室的一端设置有燃烧室进口结构，相对的另一端设置有喷管。本发明实现镁粉燃料速度和流量的可调性；添加旋流装置能提高镁粉燃烧效率，从而提高航速，增大航程。本发明实现了提高鱼雷航行速度、增大鱼雷航程的目的。

Description

旋流式水冲压发动机

技术领域

本发明公开了一种新型鱼雷水冲压发动机，属于燃料供应系统和稳燃技术领域。

背景技术

目前，我国与某些国家在岛屿归属、海岸划界等问题上存在严重分歧。因此高效、先进的作战武器鱼雷的研制迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是解决传统水冲压发动机燃料供应性能差，稳燃效果不好的问题，并提供一种新型的带有燃料供应系统和稳燃装置的旋流式水冲压发动机。包括镁粉存储罐、搅拌棒、泵、燃烧室进口结构、燃烧室和喷管，所述燃烧室进口结构上设置有喷嘴、燃料进口、中心轴和旋流叶片。

所述的镁粉存储罐、泵和燃烧室分别固定在鱼雷本体上，搅拌棒位于镁粉存储罐内部；燃烧室的一端设置有燃烧室进口结构，相对的另一端设置有喷管。

所述的燃烧室进口结构与燃烧室为一体加工结构，包括燃料进口、喷嘴、中心轴和旋流叶片，燃料进口为圆形结构，燃料进口圆周外侧周向均匀布置八个喷嘴，圆周内侧周向均匀分布八个旋流叶片，旋流叶片的一端固定在中心轴上，另一端与燃料进口的内侧壁连接固定，进入燃烧室的燃料先经过旋流叶片后，与喷嘴进入的水形成稳定的回流区，实现稳燃的目的。

所述的中心轴位于燃料进口的圆心位置，并固定在燃烧室上。

在燃料入口处设置旋流叶片，进入燃烧室的燃料经过旋流叶片后能与水能形成稳定的回流区，实现稳燃的目的。

本发明的优点在于：

(1)将镁粉存储在液态煤油中并将其搅拌均匀，使镁粉燃料均匀的进入燃烧室；

(2)通过控制泵，实现镁粉燃料速度和流量的可调性；

(3)燃料入口处的旋流叶片能使煤油和镁粉形成旋流流动，旋流流动形成的是流向涡和 展向涡的叠加运动，相对于其他稳燃方式单一的展向涡具有更好的稳燃效果。因此，添加旋流装置能提高镁粉燃烧效率，从而提高航速，增大航程。

(4)本发明提供的旋流式水冲压发动机实现了提高鱼雷航行速度、增大鱼雷航程的目的。结果表明，该鱼雷的航速可达60Kn，航程可达7km。

附图说明

图1是本发明的旋流式水冲压发动机整体结构示意图；

图2是本发明的旋流式水冲压发动机的燃料进口结构示意图；

图3A和图3B分别是旋流叶片角度为0°和60°时的切向流线图；

图4A和图4B分别是旋流叶片角度为0°和60°时的轴向流线图；。

图中：

1-镁粉存储罐； 2-搅拌棒； 3-泵；

4-燃烧室进口结构； 5-燃烧室； 6-喷管；

7-喷嘴； 8-燃料进口； 9-中心轴；

10-旋流叶片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种新型的旋流式水冲压发动机，如图1和图2所示，所述的镁粉存储罐1、泵3和燃烧室5分别固定在鱼雷本体上，搅拌棒2置于镁粉存储罐1中，粉末状镁粉燃料和液态煤油储存在镁粉存储罐1中，并将其搅拌均匀，作为燃料；泵3与镁粉存储罐1之间通过管路连接，泵3的出口管路对准燃烧室5上的燃烧室进口结构4上的燃料进口8，镁粉存储罐1中的燃料通过泵3进入燃烧室5，燃料速度通过泵3进行调节。所述的燃烧室进口结构4与燃烧室5为一体加工结构，包括燃料进口8、喷嘴7、中心轴9和旋流叶片10，燃料进口8为圆形结构，燃料进口8圆周外侧周向均匀布置八个喷嘴7，圆周内侧周向均匀分布八个旋流叶片10，旋流叶片10的一端固定在中心轴9上，另一端与燃料进口8的内侧壁连接固定，进入燃烧室5的燃料先经过旋流叶片10后，与喷嘴7进入的水形成稳定的回流区，实现稳燃的目的。

所述的中心轴9位于燃料进口8的圆心位置，并固定在燃烧室5上。

工作原理与过程：

所述的旋流式水冲压发动机在工作时，镁粉存储罐1内的镁粉和液态的煤油经搅拌棒2搅拌均匀后作为燃料通过泵3进入燃料进口8，流经旋流叶片10后形成旋流流动，产生流向涡与展向涡的叠加运动，同时，水从喷嘴7进入燃烧室5，燃料与水掺混并稳定燃烧，燃烧生成氧化镁和氢气并放出大量的热，最终生成物以高速气流的形式从燃烧室5尾部的喷管6喷出。

由于本发明的旋流式水冲压发动机是由液态的煤油存储镁粉并用搅拌棒将镁粉搅拌均匀，因此可以保证镁粉均匀的流入燃烧室。在燃烧室进口处设置的旋流叶片是很好的稳燃装置，可以实现镁粉燃料和水的稳定燃烧，镁粉的燃烬率可达98.3％。燃烧反应同时放出大量的热，之后热能转化成动能推动鱼雷航行。

本发明的燃烧室内氧化剂全部由航行时鱼雷外部的水提供，镁粉存储罐和泵的占有体积也较小，因此具有节省空间和重量的优点。鱼雷水冲压发动机添加的镁粉存储罐、泵和旋流叶片都是常见工件，易于加工。

为验证添加旋流叶片可以由流向涡引发展向涡，本发明用数值模拟的方法计算了发动机内流动与燃烧情况。使用UG软件建立几何结构，发动机总长756mm。采用ICEM商用软件，在三维直角坐标系下划分网格。网格数为63万，采用Fluent软件进行计算。燃烧室内为可压缩流动，因此选择基于密度隐式求解器，连续方程、动量方程和能量方程耦合求解。选择Simple算法，先计算一阶迎风格式，计算收敛后计算二阶迎风格式提高解的精度。选择标准k-ε双方程模型作为湍流模型，燃烧选择有限速率/涡耗散模型。镁粉进口速度15m/s，水进口速度20m/s。计算了旋流叶片角度α＝0°和α＝60°两个算例，两个算例中除了旋流角度有区别之外其他条件全部一致。计算收敛后，切向流线图(距离燃烧室进口0.3米处)如图3A和图3B所示，轴向流线图如图4A和图4B所示。

由图3A和图3B可以看出，添加60°的旋流叶片时气流在旋流叶片的导向作用下产生切向速度形成了流向涡，而不添加旋流叶片(即旋流叶片角度为零)时则没有流向涡。从图4A和图4B可得，两个算例均存在在进口处由突扩产生的展向涡，而添加60°的旋流叶片时还可以在中心轴处产生展向涡。中心轴处的展向涡是由60°的旋流叶片产生的流向涡引发的，因此添加旋流叶片可以产生流向涡和展向涡的叠加运动，具有更好的掺混和稳燃效果。

实施例：

采用旋流式水冲压发动机进行实验研究，旋流叶片角度为60°，水的来流速度分别取20m/s、40m/s、80m/s，镁粉的入口速度分别取15m/s、30m/s、60m/s。测量旋流式冲压发动机的出口流速并计算比冲，得到实验结果如下表：

表1实验结果

由表1可见，本发明的旋流式水冲压发动机在入口水速80m/s，镁粉流入速度60m/s时的燃烬率为98.3％，燃气出口速度为697m/s，比冲5019N·s/kg，在现代海军作战中具有强有力的优势。

本发明中，燃料气流在旋流叶片的导向作用下产生切向速度形成流向涡，并由流向涡引发展向涡，形成流向涡和展向涡的叠加作用。实现了提高鱼雷航行速度、增大鱼雷航程的目的。结果表明，该鱼雷的航速可达60Kn，航程可达7km。

Claims (3)

1.旋流式水冲压发动机，其特征在于：包括镁粉存储罐、搅拌棒、泵、燃烧室进口结构、燃烧室和喷管，所述燃烧室进口结构上设置有喷嘴、燃料进口、中心轴和旋流叶片；

所述的镁粉存储罐、泵和燃烧室分别固定在鱼雷本体上，搅拌棒位于镁粉存储罐内部；燃烧室的一端设置有燃烧室进口结构，相对的另一端设置有喷管；

所述的燃烧室进口结构与燃烧室为一体加工结构，包括燃料进口、喷嘴、中心轴和旋流叶片，燃料进口为圆形结构，燃料进口圆周外侧周向均匀布置喷嘴，圆周内侧周向均匀分布旋流叶片，旋流叶片的一端固定在中心轴上，另一端与燃料进口的内侧壁连接固定。

2.根据权利要求1所述的旋流式水冲压发动机，其特征在于：所述的中心轴位于燃料进口的圆心位置，并固定在燃烧室上。

3.根据权利要求1所述的旋流式水冲压发动机，其特征在于：燃料气流在旋流叶片的导向作用下产生切向速度形成流向涡，并由流向涡引发展向涡，形成流向涡和展向涡的叠加作用。