CN107762661A - 一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，主要由脉冲爆震燃烧器、引射器等部件组成。引射器包括引射器入口阀门、混合隔离段、二次燃烧室和引射器喷管。脉冲爆震引射超燃组合发动机包括脉冲爆震引射和超燃冲压两大工作模态。当飞行马赫数Ma＝0‑5时，以脉冲爆震引射模态工作。在从爆震燃烧器排出的爆震射流的引射作用下，更多的空气被引射入进气道，空气总压升高。爆震射流与引射空气进行掺混，在混合气流中喷入燃料，进行二次爆震。此时，发动机的推力主要由脉冲爆震燃烧器和引射二次脉冲爆震系统提供。在Ma>5时，发动机由脉冲爆震引射模态转为超燃冲压模态，飞行器在超燃冲压发动机的推动下继续加速。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体为一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机。
背景技术
脉冲爆震发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的自增压(约13-15倍)动力装置，可以运行在一个非常宽的飞行马赫数范围内(Ma＝0～5)，而且在亚声速、超声速都可以高效工作。另外，爆震燃烧模式具有热效率高(49％)、燃烧速率快(2000m/s)的显著优点。采用该技术的PDE容热强度高，能使动力装置获得更大的单位推力和更低的耗油率。
超燃冲压发动机(Scramjet)，可在Ma＝5-15甚至更高的范围内工作，将飞行高度延伸到大气层边缘(50-60km)。超燃冲压发动机虽然适合于高超声速飞行，但存在着无法静止启动(需要助推加速)、环境污染严重、只能在大气层内工作等缺陷，需要和其他形式的动力系统组合工作。火箭基组合循环RBCC推进系统需要自带大量的燃料和氧化剂，导致其比冲小，飞行成本高。涡轮基组合循环TBCC推进系统目前面临着一个重大的难题：一般燃气涡轮发动机的最大飞行马赫数在2-2.5之间(个别发动机采用一体化加力燃烧室，来流预冷却等技术可以将最大飞行马赫数拓展到3左右)，无法达到接力马赫数的要求(3.5-4)。
发明内容
为了克服脉冲爆震发动机高马赫数飞行性能不足，以及超燃冲压发动机不能自身起动的不足，本发明提出一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，该组合发动机可以在0至15马赫范围内工作，实现脉冲爆震模态与超燃冲压模态转换。
吸气式脉冲爆震发动机(APDE)可在Ma＝0-5的范围内高效工作，脉冲爆震火箭发动机(PDRE)则可以在大气层外高效工作。将脉冲爆震模态和超燃冲压模态结合起来，利用其性能互补性，形成脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，可克服RBCC比冲小、成本高及TBCC马赫数转接难题，实现大速域和大空域范围(0-Ma15+，空天往返)的稳定工作，降低高超音速推进系统的结构和模态控制的复杂性，减轻重量、减小体积、真正实现空天组合推进。
图1给出了这项组合动力的基本组成和工作原理示意图，主要由脉冲爆震燃烧室、引射器、引射器入口阀门、混合隔离段、二次燃烧室和喷管等部件构成。根据飞行状况不同可以调整发动机的工作模态，以单级入轨为例，脉冲爆震超燃冲压组合发动机包括脉冲爆震模态、超燃冲压模态和脉冲爆震火箭模态。当飞行马赫数Ma＝0-5时，采用脉冲爆震引射模态工作。在爆震燃烧室排出的高温燃气的引射作用下，更多的空气被吸入引射器，空气的总压升高。高温燃气与引射空气进行掺混，在混合气流中喷入燃料，进行二次燃烧，生成二次爆震。此时，发动机的推力主要由脉冲爆震燃烧室和引射二次脉冲爆震系统提供。在大气层内以飞行马赫数Ma≥5飞行时，发动机由脉冲爆震引射模态转换到超燃冲压模态，飞行器在超燃冲压发动机的推动下继续加速。大气层外，发动机以脉冲爆震火箭模态工作。
因此，采用了脉冲爆震技术的超燃冲压发动机具有地面起飞、自加速、长航程、高比冲等特点，作为未来高超声速导弹、空天飞行器、可重复天地往返运载器的动力，具有非常好的应用前景。
基于上述原理，本发明的技术方案为：
所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：包括脉冲爆震燃烧器(1)，引射器(5)；脉冲爆震燃烧器(1)依次由主爆震室(2)和脉冲爆震喷管(3)组成；引射器(5)依次包括引射器入口阀门(4)、混合隔离段(6)、二次燃烧室(7)和引射器喷管(9)；引射器(5)中还包含有喷嘴(8)；脉冲爆震燃烧器(1)的脉冲爆震喷管(3)出口通入引射器(5)的混合隔离段(6)内；在脉冲爆震模态和超燃冲压模态下，引射器内仅喷注燃料，不喷注氧化剂，由引射的空气或超音速气流作为氧化剂，在脉冲爆震火箭模态下，引射器内喷注燃料和氧化剂；脉冲爆震模态下的二次燃烧室(7)作为超燃冲压模态下的燃烧室。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：主爆震室(2)形状为直圆管，后接的脉冲爆震喷管(3)为扩张喷管；引射器喷管(9)采用扩张喷管。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：脉冲爆震燃烧器与引射器有重叠，脉冲爆震燃烧器出口截面与引射器入口截面间距不大于3倍的主爆震室(2)内径。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：喷嘴(8)的喷注方式采用斜喷，喷射方向与来流方向相反；且燃料喷嘴后部有凹槽，用于增加气流湍流度。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在所述混合隔离段(6)内，喷嘴喷出的燃料与来流掺混，并在到达二次燃烧室之前形成掺混均匀的湍流；在脉冲爆震模态下，混合隔离段(6)能够将二次燃烧室(7)的反压与之前的脉冲爆震燃烧器隔离；在超燃冲压模态下，混合隔离段(6)能够对5Ma以上的超音速来流减速增压，并隔离二次燃烧室(7)的反压。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在脉冲爆震模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于开启状态，具有一定速度的引射空气进入引射器入口阀门(4)，而后进入混合隔离段(6)，关闭引射器入口阀门(4)，喷注二次燃料，二次燃料在混合隔离段(6)雾化并与引射空气掺混；在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃引射空气与二次燃料的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，引射器入口阀门开启，外界空气进入引射器，将引射器内残余气体排出。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在超燃冲压模态下，爆震燃烧器不工作，引射器入口阀门(4)始终处于开启状态，超音速气流在混合隔离段(6)减速增压，并与喷嘴(8)喷注的燃料混合后，在二次燃烧室(7)内燃烧，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
进一步的优选方案，所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在脉冲爆震火箭模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于关闭状态，喷注二次燃料和氧化剂，并在混合隔离段(6)雾化混合，在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃二次燃料和氧化剂的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
有益效果
本发明提出的一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，有益效果是：
(1)可以在亚声速和超声速条件下工作，可以地面自行起飞，也可以载机发射；
(2)可实现大速域和大空域(Ma＝0-15，0-50km)的稳定工作；
(3)燃烧室容热强度高，能获得更大的单位推力和更低的油耗；
(4)与涡轮基组合循环发动机TBCC相比，不需要复杂、昂贵的压缩系统(压气机)，也不需要亚燃冲压模态从而大幅度降低整个推进系统的复杂性以及重量与体积等。
(5)与火箭基组合循环发动机RBCC相比，脉冲爆震引射模态替代了火箭引射和亚燃冲压模态，且性能较高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明的装置图；
图2：爆震燃烧器扩张喷管；
图3：引射器扩张喷管；
图中1.脉冲爆震燃烧器，2.主爆震室，3.爆震燃烧器喷管，4.引射器入口阀门，5.引射器，6.混合隔离段，7.二次燃烧室，8.燃料喷嘴，9.引射器喷管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了克服脉冲爆震发动机高马赫数飞行性能不足，以及超燃冲压发动机不能自身起动的不足，本实施例通过采用包括脉冲爆震发动机的二次燃烧室与超燃冲压发动机的燃烧室共用等手段，将脉冲爆震发动机和超燃冲压发动机的优点相结合，提出一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，该组合发动机可以在0至15马赫范围内工作，实现脉冲爆震模态与超燃冲压模态转换，以及大气层外，以脉冲爆震火箭模态工作。
图1给出了这项组合动力的基本组成和工作原理示意图，主要由脉冲爆震燃烧室1、引射器5组成。根据飞行状况不同可以调整发动机的工作模态，以单级入轨为例，脉冲爆震超燃冲压组合发动机包括脉冲爆震模态、超燃冲压模态和脉冲爆震火箭模态。当飞行马赫数Ma＝0-5时，采用脉冲爆震模态工作。在爆震燃烧室排出的高温燃气的引射作用下，更多的空气被吸入引射器，空气的总压升高。高温燃气与引射空气进行掺混，在混合气流中喷入燃料，进行二次燃烧，生成二次爆震。此时，发动机的推力主要由脉冲爆震燃烧室和引射二次脉冲爆震系统提供。在大气层内以飞行马赫数Ma≥5飞行时，发动机由脉冲爆震引射模态转换到超燃冲压模态，飞行器在超燃冲压发动机的推动下继续加速。大气层外，发动机以脉冲爆震火箭模态工作。
具体如图1所示，脉冲爆震燃烧器1依次由主爆震室2和脉冲爆震喷管3组成。引射器5依次包括引射器入口阀门4、混合隔离段6、二次燃烧室7和引射器喷管9；引射器5中还包含有喷嘴8。
脉冲爆震燃烧器1的主爆震室2形状为直圆管，后接的脉冲爆震喷管3为扩张喷管。脉冲爆震燃烧器1的脉冲爆震喷管3出口通入引射器5的混合隔离段6内；脉冲爆震燃烧器与引射器有重叠，脉冲爆震燃烧器出口截面与引射器入口截面间距不大于3倍的主爆震室2内径。
喷嘴8的喷注方式采用斜喷，喷射方向与来流方向相反；且燃料喷嘴后部有凹槽，用于增加气流湍流度，加强掺混。在脉冲爆震模态和超燃冲压模态下，引射器内仅喷注燃料，不喷注氧化剂，由引射的空气或超音速气流作为氧化剂，在脉冲爆震火箭模态下，引射器内喷注燃料和氧化剂。
在所述混合隔离段(6)内，喷嘴喷出的燃料与来流掺混，并在到达二次燃烧室之前形成掺混均匀的湍流；在脉冲爆震模态下，混合隔离段(6)能够将二次燃烧室(7)的反压与之前的脉冲爆震燃烧器隔离；在超燃冲压模态下，混合隔离段(6)能够对5Ma以上的超音速来流减速增压，并隔离二次燃烧室(7)的反压，其中脉冲爆震模态下的二次燃烧室(7)作为超燃冲压模态下的燃烧室。
引射器喷管(9)采用扩张喷管。
在飞行马赫数小于5时，发动机处于脉冲爆震模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于开启状态，具有一定速度的引射空气进入引射器入口阀门(4)，而后进入混合隔离段(6)，关闭引射器入口阀门(4)，喷注二次燃料，二次燃料在混合隔离段(6)雾化并与引射空气掺混；在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃引射空气与二次燃料的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，引射器入口阀门开启，外界空气进入引射器，将引射器内残余气体排出，再进入下一个循环。
当飞行马赫数大于5以后，且在大气层内时，发动机处于超燃冲压模态下，爆震燃烧器不工作，引射器入口阀门(4)始终处于开启状态，超音速气流在混合隔离段(6)减速增压，并与喷嘴(8)喷注的燃料混合后，在二次燃烧室(7)内燃烧，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
在大气层外时，发动机处于脉冲爆震火箭模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于关闭状态，喷注二次燃料和氧化剂，并在混合隔离段(6)雾化混合，在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃二次燃料和氧化剂的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：包括脉冲爆震燃烧器(1)，引射器(5)；脉冲爆震燃烧器(1)依次由主爆震室(2)和脉冲爆震喷管(3)组成；引射器(5)依次包括引射器入口阀门(4)、混合隔离段(6)、二次燃烧室(7)和引射器喷管(9)；引射器(5)中还包含有喷嘴(8)；脉冲爆震燃烧器(1)的脉冲爆震喷管(3)出口通入引射器(5)的混合隔离段(6)内；在脉冲爆震模态和超燃冲压模态下，引射器内仅喷注燃料，不喷注氧化剂，由引射的空气或超音速气流作为氧化剂，在脉冲爆震火箭模态下，引射器内喷注燃料和氧化剂；脉冲爆震模态下的二次燃烧室(7)作为超燃冲压模态下的燃烧室。
2.根据权利要求1所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：主爆震室(2)形状为直圆管，后接的脉冲爆震喷管(3)为扩张喷管；引射器喷管(9)采用扩张喷管。
3.根据权利要求2所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：脉冲爆震燃烧器与引射器有重叠，脉冲爆震燃烧器出口截面与引射器入口截面间距不大于3倍的主爆震室(2)内径。
4.根据权利要求1所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：喷嘴(8)的喷注方式采用斜喷，喷射方向与来流方向相反；且燃料喷嘴后部有凹槽，用于增加气流湍流度。
5.根据权利要求4所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在所述混合隔离段(6)内，喷嘴喷出的燃料与来流掺混，并在到达二次燃烧室之前形成掺混均匀的湍流；在脉冲爆震模态下，混合隔离段(6)能够将二次燃烧室(7)的反压与之前的脉冲爆震燃烧器隔离；在超燃冲压模态下，混合隔离段(6)能够对5Ma以上的超音速来流减速增压，并隔离二次燃烧室(7)的反压。
6.根据权利要求5所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在脉冲爆震模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于开启状态，具有一定速度的引射空气进入引射器入口阀门(4)，而后进入混合隔离段(6)，关闭引射器入口阀门(4)，喷注二次燃料，二次燃料在混合隔离段(6)雾化并与引射空气掺混；在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃引射空气与二次燃料的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，引射器入口阀门开启，外界空气进入引射器，将引射器内残余气体排出。
7.根据权利要求5所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在超燃冲压模态下，爆震燃烧器不工作，引射器入口阀门(4)始终处于开启状态，超音速气流在混合隔离段(6)减速增压，并与喷嘴(8)喷注的燃料混合后，在二次燃烧室(7)内燃烧，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
8.根据权利要求5所述一种脉冲爆震引射超燃冲压组合发动机，其特征在于：在脉冲爆震火箭模态下，爆震燃烧器工作，主爆震室(2)内点火形成爆震，并经过脉冲爆震喷管(3)进入引射器(5)，引射器入口阀门(4)处于关闭状态，喷注二次燃料和氧化剂，并在混合隔离段(6)雾化混合，在二次燃烧室(7)内，爆震射流点燃二次燃料和氧化剂的混合气，形成爆震波传播出引射器喷管出口，燃烧后的气体从引射器喷管(9)排出。
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