CN106640420A - 一种侧进气的脉冲爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧进气的脉冲爆震发动机，至少由头锥、推力壁、爆震室、起爆室、侧进气阀、主燃料喷嘴、起爆燃料喷嘴、点火器及尾喷管组成；推力壁在头锥后面，起爆室置于爆震室之后，与尾喷管共用同一空间；起爆室包含一个聚能锥与一个活动挡板；侧进气阀沿轴向分布于爆震室与起爆室的管壁上；主燃料喷嘴及起爆燃料喷嘴沿轴向分别分布于爆震室及起爆室的内壁上；发动机工作时，多个主燃料喷嘴向爆震室喷入雾化燃料，起爆燃料喷嘴向起爆室内喷入气化起爆燃料，点火器点火引爆起爆室中的燃气混合物进而引爆爆震室中的云雾状混合物；在发动机爆震循环中，多个侧进气阀可快速实现进气充填及与燃料的掺混，显著提高发动机的爆震频率及推力。

Description

一种侧进气的脉冲爆震发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种侧进气的脉冲爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是以爆震波为主推力的一种新概念发动机，发动机工作时, 燃料在发动机的爆震室里以剧烈的爆震方式燃烧，极短时间内产生很高的温度和压力（压力可高达100个大气压，温度可达2000℃）,同时产生的爆震波(属冲击波)以超音速传播（数千米/秒）作用于发动机的推力壁上产生推力,高温高压的燃烧产物高速喷出发动机时产生额外的推力;因爆震燃烧为间歇性脉冲式燃烧,所以该发动机是一种非定常推进系统。相对于传统推进系统，PDE具有一系列独特的优点, 由于爆震波能在极短时间内将爆炸混合物的压力和温度升高到非常高的程度，因此省去了传统发动机用来增压的部件(如压气机)，使发动机的结构变得非常简单，零部件数量大大减少,因此脉冲爆震发动机尺寸小，重量轻， 另外PDE的燃烧过程近似为等容燃烧，热效率最高可达49%,远高于传统发动机的热效率(27%)。PDE的这些特点使其在航空、航天领域有着广泛的应用前景，据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~ 5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg。PDE没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。它可作为导弹、靶机、诱饵机、无人驾驶飞机、无人战斗机的动力，也可用于载人飞机的动力装置，实现高速洲际航行；将来还可能用于太空飞行器推进，作为登月飞行器、星际旅游飞行器或入轨飞行器的动力，将给空间运输带来一次革命；近年来其在民用领域的应用，也引起了重视，如用于高效率发电等。可以预见，爆震发动机一旦技术成熟，必将对航空航天及能源领域产生革命性的影响。

按照PDE爆震管的数目，PDE可分为单管/多管PDE，按照燃料形式可分为气相/液相燃料PDE，按照氧化剂的来源可分为自吸气式/火箭式PDE；按照进气方式可分为无阀式（气动式）与有阀式（如旋转阀）PDE。根据应用方式，PDE可分为纯PDE(pure PDE)、组合循环PDE(combined PDE)，混合PDE(hybrid PDE)三大类。纯PDE主要由爆震管、进气道、尾喷管组成；混合PDE是由PDE与涡喷或涡扇发动机相结合，如在外涵道或加力段使用PDE；组合PDE是由PDE与传统发动机如冲压发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置组合而成，在不同的速度范围内，运行不同的工作循环；其共同点在于，燃料与空气混合物均以爆震的方式燃烧，这种剧烈的反应过程产生高温高压气体，循环频率达到一定程度后（约100赫兹），便可提供近似连续的推力。

燃料与空气的混合物快速而可靠的起爆，是PDE正常工作的重要前提，起爆方式有两种，一种是直接起爆，一种是间接起爆，即由爆燃发展到爆震（DDT）；前一种方式需要极高的点火能量，对点火设备的要求很高，不具备实用性，故一般采用后一种方式；所以,燃料空气混合物的起爆问题就集中在如何快速实现爆燃向爆震的转化上。

空气来流与燃料的良好掺混是DDT前必须完成的动作，目前PDE的进气道均设在发动机的最前端，空气从前端流入爆震室，与喷入的燃料充分掺混后形成燃料空气混合物，然后经过DDT在主爆室起爆，为防止爆震波或燃烧产物进入进气道导致进气异常，PDE通常需要在进气道与爆震室之间设置一个隔离区；按照隔离方式，将PDE分为机械阀式PDE和气动阀式PDE；机械阀在起爆、爆震传播及排气过程中，阀门关闭，进气时阀门打开；机械阀的问题在于阀门关闭时会给进气道造成很大的迎风面，空气来流的滞止会产生很大的阻力损失；目前比较成熟的机械阀为旋转阀，需要专门的电力驱动，而且旋转阀的密封很困难，磨损严重，另外旋转阀只局限于多管PDE场合；气动阀则利用空气动力学原理，实现正向流阻小，反向流阻大的功能，形成近似于封闭的效果，有利于形成爆震波，但现有的气动阀型式尚无法达到完全封闭的效果，仍有少量的燃烧产物从进气道反向流出进气道形成负推力，同时，气动阀的存在不可避免地影响到推力壁的设计，使其不能处于最佳的工作状态。此外，为了缩短DDT距离，目前PDE均采用一些强化起爆的措施，如采用Shchelkin螺旋、金属环、孔板、中心体等；这些措施虽然有利于燃料掺混及缩短DDT距离，但同时也影响了正向爆震波的传播，造成明显的推力损失，这是不容忽视的问题。

针对目前PDE存在的各种缺陷，本发明提供了一种侧进气的脉冲爆震发动机，其主要特点在于，发动机的顶端为尖锥，空气从爆震管的管壁进入，由于多个侧进气口同时进气，能够实现空气与燃料的快速掺混，另外将起爆室置于发动机尾部，使正向爆震波的传播畅通无阻，最大限度发挥爆震波的正向推力，同时由于掺混速度快，用时少，可明显增加发动机的爆震频率，大幅提高单管PDE的推力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服传统脉冲爆震发动机轴向进气方式存在的进气道结构复杂、进气时间长、掺混效果差、爆震频率低等缺陷，提供一种可多点同时进气的侧进气脉冲爆震发动机，可显著缩短进气时间，明显提高爆震频率，从而大幅提高发动机推力。

一种侧进气的脉冲爆震发动机至少由头锥1、推力壁2、爆震室3、起爆室4、侧进气阀5、主燃料喷嘴6、起爆燃料喷嘴7、点火器8及尾喷管9组成，所述的头锥1为圆锥体，处于发动机的顶端，与爆震室3连为一体；推力壁2是爆震室3头部的封闭端板；起爆室4位于脉冲爆震发动机尾部，与尾喷管9共用同一空间，起爆室4包含一个聚能锥401、排气阀402及一块活动挡板403；进气阀5沿轴向分布于爆震室3与起爆室4的管壁上；主燃料喷嘴6沿轴向每隔一段距离装在爆震室3内壁上，起爆燃料喷嘴7装在起爆室4内壁上；发动机工作时，多个主燃料喷嘴6向爆震室3喷入雾化燃料，与爆震室3 中的空气形成云雾状混合物，同时起爆燃料喷嘴7向起爆室4内喷入气化起爆燃料，与起爆室4中的空气形成爆炸气体混合物；起爆室4内的点火器8点火引爆爆炸气体混合物，爆炸产生的高温高压气体沿聚能锥401上的通孔汇集后进入爆震室3，进而引爆爆震室3中的云雾状混合物；爆炸产生的激波向头锥1方向传播，到达推力壁2时产生向前的推力，高温高压的爆炸气体产物向外急速膨胀，从尾喷口喷出产生进一步的推力；当管内压力低于管外，多个侧进气阀5被打开，管外新鲜空气分别进入爆震室3及起爆室4，残留的爆炸气体产物则被置换后与部分新鲜空气一起从排气阀402排出；多个主燃料喷嘴6与起爆燃料喷嘴7再次分别向爆震室3与起爆室4喷入主燃料与起爆燃料，点火器8再次点火，脉冲爆震发动机进入下一轮爆震循环。

所述的聚能锥401的顶点朝向尾喷管9，固定在起爆室4的管壁上，锥面上布满一系列通孔，每个通孔的中心线方向与通孔所处的锥面垂直。

所述的活动挡板403由两块半圆形板4031与一根固定在尾喷管9中间的轴4032铰接而成，安装在尾喷口附近，可单向朝外开启。

所述的排气阀402的阀片朝管外开,且开口朝向尾喷口方向。

所述的起爆室4上有压缩空气进口404及液化气体燃料进口405，用于发动机开车、稀薄空气空间及突发停车后的再启动。

所述的起爆室4的管内壁上刻有凹槽，凹槽的数量不低于4条，沿周向均布。

所述的侧进气阀5每隔一段距离周向均布于爆震室3及起爆室4管壁上，同一圆周上的侧进气阀5不少于两个。

所述的侧进气阀5为单向阀，阀片501朝管内开，且开口朝向头锥1方向，当激波向头锥1方向传播时，侧进气阀5处于关闭位置。

所述的侧进气阀5的安装处，管壁上均有拱起的迎风鳍片502，进气口处于迎风鳍片502下面。

所述的点火器8沿径向伸入起爆室4一定长度，多个点火器8均布在靠近起爆室4尾部截面的圆周上。

本发明的有益之处在于：爆震室与起爆室内部无多余构件，空间阻力小，推力损失小；发动机极少磨损件，运转可靠，寿命长；起爆室与尾喷管共用一个空间使发动机的结构更加紧凑，长度减小；聚能锥可使爆炸产物汇聚成高压、高速射流，更易引爆爆震室内的云雾状燃料混合物，可减少起爆室的容积，同时节省起爆燃料；起爆室管内壁的凹槽，可加强空气与起爆燃料的混合，同时能强化爆燃，缩短DDT长度；多个侧进气口同时进气可显著缩短发动机进气时间，显著提高爆震频率，使发动机的推力更大、更平稳；多个喷嘴在管内不同距离处同时喷入燃料，使雾化燃料瞬间与空气形成均匀的云雾状爆炸混合物，大大减少空气与燃料的掺混时间,也有助于提高爆震频率。

附图说明

图1是本发明侧进气脉冲爆震发动机进气状态下的结构剖面图。

图2是本发明侧进气脉冲爆震发动机爆震状态下的结构剖面图。

图3是本发明侧进气脉冲爆震发动机排气状态下的结构示意图。

图4是图1中A-A剖面图。

图5是图1中B-B剖面图。

图6是活动挡板结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步详细描述本发明。

如图1~6所示，一种侧进气的脉冲爆震发动机主要由以下部分组成：头锥1、推力壁2、爆震室3、起爆室4、进气阀5、主燃料喷嘴6、起爆燃料喷嘴7、点火器8及尾喷管9；其特征在于：头锥1处于发动机的顶端，为小锥角的空心圆锥体，头锥1与爆震室3连为一体；推力壁2是爆震室3头部的封闭端板，为光滑圆板；起爆室4处于发动机尾部，与尾喷管9共用同一个空间，起爆室4包含一个聚能锥401、排气阀402及一个活动挡板403；聚能锥401为一个顶点朝向尾喷口的锥面，有一定的厚度，固定在起爆室4的管壁上，锥面上布满一系列通孔，每个通孔的中心线方向与通孔所处的锥面垂直；活动挡板403由两块半圆形板4031与一根固定在尾喷管中间的轴4032铰接而成，包括专门的复位弹簧，安装在尾喷管的出口处，进气时活动挡板403处于关闭状态，可承受一定的压力，在管内激波及爆炸产物的高压作用下，两块挡板朝外打开排气，产生推力，当起爆室内的总压小于复位弹簧的弹力时，两块挡板闭合；起爆室4的管壁上有压缩空气进口404及液化气体燃料进口405，用于发动机开车及突发停车后的再启动；进气阀5沿轴向分布于爆震室3与起爆室4的管壁上；每隔一段距离在周向均布2-4个，进气阀5为单向阀，阀片501朝管内开，且开口朝向头锥方向，激波向头锥方向传播时，进气阀5处于关闭位置；每一个进气阀5的安装处，管壁上均有拱起的迎风鳍片502，进气口处于迎风鳍片502下面；拱形鳍片502上可加装流线型弧板作为整流板；主燃料喷嘴6每隔一段距离安装于爆震室3管壁上，起爆燃料喷嘴7安装于起爆震室4管壁上，喷嘴的安装以不伸入管内为原则，主燃料喷嘴6的数量可根据爆震室3的长度及单个喷嘴正常压力下的喷雾量来确定，起爆燃料喷嘴7的数量根据起爆室的容积与单个喷嘴的正常喷射量来确定；喷嘴安装孔充填密封材料；点火器8可以采用常规低能量的火花塞，也可以采用高温电弧点火装置，本实施例用4个的多个点火器同时实施点火，4个点火器8均伸入起爆室4一定深度，均布在靠近起爆室4尾部的截面的圆周上；起爆室4的管内壁刻有凹槽，凹槽的数量不低于4条，沿周向均布。

脉冲爆震发动机起动时，由于爆震室3及起爆室4均处于冷管状态，主燃料温度低，粘度高，雾化效果差，起爆燃料的气化也比较困难，再加上爆震管内的空气为常压，起爆室4中爆炸混合物的爆能及爆压均较低，不易产生稳定的起爆效果，故本实施例中，发动机开车时采用压缩空气与液化气体燃料混合起爆的方式，首先接通压缩空气使之进入起爆室4，然后充填到爆震室3，同时打开液化气体燃料罐上的减压阀使气化的燃料进入起爆室4，然后也扩散到爆震室3，点火器8点火引爆起爆室4中的爆炸气体混合物，产生的爆炸产物气体通过聚能锥形成高压、高速射流进而引爆爆震室3中的爆炸气体混合物，如此循环多个回合，待爆震室3与起爆室4温度升高到一定程度后，断开压缩空气供应，同时关闭液化气体燃料罐上的减压阀；经爆震管管壁预热的主燃料通过多个主燃料喷嘴6向爆震室3喷入，与爆震室3 中的空气形成云雾状混合物，同时经爆震管管壁加热气化的起爆燃料通过起爆燃料喷嘴7向起爆室4内喷入，与起爆室4中的空气形成爆炸气体混合物；此时点火器8点火，使爆炸混合物产生爆炸，爆炸产生的高温高压气体沿聚能锥401上的通孔汇集后进入爆震室3，进而引爆爆震室3中的云雾状混合物；爆炸产生的激波向头锥方向传播，最终在推力壁2上产生向前的推力；激波在推力壁2上产生反射沿爆震室3向尾喷口折返，到达尾喷口时冲开活动挡板402，爆炸气体产物从尾喷口喷出，产生进一步的推力；爆震室3及起爆室4内的爆炸气体产物在膨胀波的作用下被排出，当管内压力低于管外，多个进气阀5被打开，管外新鲜空气从阀的进口分别进入爆震室3及起爆室4，残余爆炸产物气体则被置换后与部分新鲜空气一起从排气阀402排出；多个主燃料喷嘴6与起爆燃料喷嘴7再次分别向爆震室3与起爆室4喷入燃料，点火器8再次点火，脉冲爆震发动机进行下一轮爆震。

发动机进入正常工作状态时，随着来流空气速度的增加，进气流量随之增加，主燃油喷入量也要适时增加，使每一次爆震过程尽可能做到零氧平衡，此时点火频率可随之提高，从而提高爆震频率，进一步提高发动机推力，直至达到设定值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改或调整，这些改进或调整应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种侧进气的脉冲爆震发动机至少由头锥、推力壁、爆震室、起爆室、侧进气阀、主燃料喷嘴、起爆燃料喷嘴、点火器及尾喷管组成，其特征在于：头锥为圆锥体，处于发动机的顶端，与爆震室连为一体；推力壁是爆震室头部的封闭端板；起爆室位于脉冲爆震发动机尾部，与尾喷管共用同一空间，起爆室包含一个聚能锥、排气阀及一块活动挡板；进气阀沿轴向分布于爆震室与起爆室的管壁上；主燃料喷嘴沿轴向每隔一段距离装在爆震室内壁上，起爆燃料喷嘴装在起爆室内壁上；发动机工作时，多个主燃料喷嘴向爆震室内喷入雾化燃料，与爆震室中的空气形成云雾状混合物，同时起爆燃料喷嘴向起爆室内喷入气化起爆燃料，与起爆室中的空气形成爆炸气体混合物；起爆室内的点火器点火引爆爆炸气体混合物，爆炸产生的高温高压气体沿聚能锥上的通孔汇集后进入爆震室，进而引爆爆震室中的云雾状混合物；爆炸产生的激波向头锥方向传播，到达推力壁时产生向前的推力，高温高压的爆炸气体产物向外急速膨胀，从尾喷口喷出产生进一步的推力；当管内压力低于管外，多个侧进气阀5被打开，管外新鲜空气分别进入爆震室及起爆室，残留的爆炸气体产物则被置换后与部分新鲜空气一起从排气阀排出；多个主燃料喷嘴与起爆燃料喷嘴再次分别向爆震室与起爆室喷入主燃料与起爆燃料，点火器再次点火，脉冲爆震发动机进入下一轮爆震循环。

2.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的聚能锥的顶点朝向尾喷管，固定在起爆室的管壁上，锥面上布满一系列通孔，每个通孔的中心线方向与通孔所处的锥面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的活动挡板由两块半圆形板与一根固定在尾喷管中间的轴铰接而成，安装在尾喷口附近，可单向朝外开启。

4.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的排气阀的阀片朝管外开,且开口朝向尾喷口方向。

5.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的起爆室上有压缩空气进口及液化气体燃料进口，用于发动机开车、稀薄空气空间及突发停车后的再启动。

6.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的起爆室的管内壁沿轴向刻有凹槽，凹槽的数量不低于4条。

7.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的侧进气阀每隔一段距离周向均布于爆震室及起爆室的管壁上，同一圆周上的侧进气阀不少于两个。

8.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的侧进气阀为单向阀，阀片朝管内开，且开口朝向头锥方向，当激波向头锥方向传播时，侧进气阀处于关闭位置。

9.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的侧进气阀的安装处，管壁上均有拱起的迎风鳍片，进气口处于迎风鳍片下面。

10.根据权利要求1所述的一种侧进气的脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的点火器沿径向伸入起爆室一定深度，多个点火器均布在靠近起爆室尾部截面的圆周上。