CN109458274B - 一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于脉冲爆震发动机的瓣状变截面引射器装置，由引射器外凸瓣部分(1)、引射器内凹瓣部分(2)、引射器直管段部分(3)、锥面环形挡板(4)、支杆(5)、爆震管(6)，以及由(1)～(3)部分组合而成的引射器主体部分(7)组成。引射器入口为波瓣状，外凸瓣部分(1)与内凹瓣部分(2)在周向上相互间隔周期性排布，可增加引射量与掺混效果。大部分引射气流由外凸瓣(1)结构流入，流道截面由上游至下游渐缩，引射器内正向流阻损失小于逆向，可抑制爆震管(6)出口的高压气体回传。爆震管(6)出口安装锥面环形挡板(4)，阻挡高压燃气逆流传播。该发明应用在脉冲爆震发动机上时，可在进气流阻较小的情况下有效抑制发动机出口高压燃气和压力波的前传、减少负推力，增大正向推力。

Description

一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器

技术领域

本发明涉及脉冲爆震发动机技术领域，是一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器设计。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engines，简称PDE)是一种利用间歇式爆震波产生推力的新概念发动机。根据是否自带氧化剂，脉冲爆震发动机可分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。由于PDE具有热循环效率高、结构简单、重量轻等潜在优点，近年来，很多国家均在积极开展相关研究。

虽然PDE相对于现有的推进系统具有很大的潜在优势，但是要把这些潜在的优势变成现实，尚面临许多挑战和难题。其中一个关键难题就是如何提高PDE的推进效率。推进效率ε_p的定义式为ε_p＝2/(1+V_排/V₀)，式中V₀为飞行速度，V_排为排气速度，即在飞行速度一定的情况下，保证排气总动量相同的同时，降低排气速度可以有效提高发动机对推进功的利用率。由于爆震燃烧属于自增压燃烧且燃烧效率高，燃烧后的气体经喷管膨胀后出口速度往往能接近2000m/s，导致低速飞行时PDE的推进效率较低，燃烧产生的有效功一部分经由余速损失浪费掉。所以如何在尽可能减少能量损失的情况下降低排气速度以提高推进效率，是PDE设计上的难点所在，也是将其推向实际应用的关键技术之一。

引射混合器是把不同温度、压力和组分浓度的两股流体在同向流动中混合形成一种具有中间温度、压力和组分浓度的流体的装置。通过在PDE尾端加装引射混合器，可以将PDE出口燃气与大气来流充分掺混，最终在引射混合器内形成速度较低的尾气排放至大气环境，从而降低排气速度，提高推进效率。但由于PDE所排放的燃气压力较高，具有各向膨胀的趋势，如不对向前的膨胀加以阻碍则会产生负推力。正是由于PDE排气过程具有高度欠膨胀特性，常规的燃气涡轮发动机的引射混合器已不再适用，亟须发展以PDE为应用背景的引射混合器。

发明内容

要解决的技术问题

为使脉冲爆震发动机的燃气与大气来流充分掺混以增加推进效率，同时抑制高压燃气在引射混合器中反向流动产生负推力，本发明提出一种适用于脉冲爆震发动机的瓣状变截面引射混合器装置。1)引射混合器入口为波瓣结构，这一结构具有诱发流向阵列漩涡的作用，相对于传统的圆形截面引射混合器，可增大引射量，增强掺混效果；2)引射混合器内部截面由上游至下游逐渐缩小，且壁面型面为流线型，亚音速来流在引射混合器内加速，使引射混合器内正向气流流动损失小于逆向流动损失，从而有效地阻止爆震管出口的高压气体向上游传播，尽可能地使爆震排气过程产生正推力而非负推力；3)在爆震管出口上游安装挡板，可以第一时间延缓爆震管出口处的高压燃气向上游反传，且引射混合器来流面积较大的情况下，可使得挡板对于引射混合器进气的影响相对达到最小。该结构加工简单，便于工业生产，在工程上有较好的应用前景。

技术方案

本发明的目的在于提供一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器。

本发明技术方案如下：

为解决其技术问题，本发明脉冲爆震发动机变截面瓣状引射混合器结构包括引射混合器外凸瓣部分(1)、引射混合器内凹瓣部分(2)、引射混合器直管段部分(3)、锥面环形挡板(4)、支杆(5)、爆震管(6)，以及由(1)～(3)部分组合而成的引射混合器主体部分(7)。其特征在于：所述引射混合器主体部分(7)与爆震管(6)同轴线安装，轴线与来流方向平行，二者靠支杆(5)连接；引射混合器主体部分(7)入口不再是均匀圆形而是花瓣状，引射混合器内流道为变截面流道。引射混合器外凸瓣部分(1)和引射混合器内凹瓣部分(2)在圆周上间隔周期性排布，约排布4或6或8组，外凸瓣与内凹瓣之间非光滑连接过渡，组成引射混合器的瓣状结构部分，之后与引射混合器直管段部分(3)同轴线安装。

所述的引射混合器外凸瓣部分(1)，其特征在于：入口截面与来流方向垂直，入口截面为大半圆形，入口面积远大于爆震管(6)出口截面积，外凸瓣中的流动由上游至下游流道截面逐渐缩小，其流道型面变化遵循维托辛斯基公式：

式中r_e为出口截面半径，C为流道面积比，l为流道轴向长度，而具体尺寸应根据爆震发动机尺寸进行设计。

所述的引射混合器内凹瓣部分(2)，其特征在于：入口截面与来流方向垂直，内凹瓣入口为抛物线形，入口面积较小，其前缘距轴线最小距离与锥面环形挡板(4)最大半径相同，沿内凹瓣中的流动由上游至下游流道截面逐渐增大，其流道型面为大曲率圆周的一部分，圆周曲率根据爆震管(6)尺寸进行选择。

所述的锥面环形挡板(4)部分，其特征在于：锥面环形挡板(4)为实心体，挡板为圆台形，圆台母线为流线型，中间有直径等于爆震管外径的孔以供爆震管穿过，安装在爆震管(6)出口段尾部，与爆震管(6)同轴。其直径约为管径的2～3倍，具体尺寸选择应根据实际的爆震发动机尺寸进行设计，以恰能反射管口的爆震波面时为最佳。挡板在来流方向上的投影与引射混合器内凹瓣部分(2)相切。

本发明具有以下有益效果：

本发明为适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器，由引射混合器主要进气依靠外凸瓣部分(1)的流道，引射混合器外凸瓣部分(1)流道面积渐变，沿来流方向流道逐渐缩短，来流在收缩流道中得到加速，同时引射混合器内壁为流线型设计，型线变化遵循维托辛斯基公式，其正向流动损失小于逆向流动损失，这一结构结合爆震管(6)出口段处的锥面环形挡板(4)，可以有效地抑制高压燃烧产物的前传，从而可实现单向控制；引射混合器主体部分(7)入口截面为波瓣状，可在入口处诱发阵列漩涡从而增加引射量；此外，由于流道截面变化趋势不同，引射混合器外凸瓣部分(1)中来流随流动降压，引射混合器内凹瓣部分(2)中压力随流动上升，压差使得气流从内凹瓣流道流向外凸瓣，即会形成周向上的流动过程，这一效应可增强引射混合器内的掺混。综上所述，在脉冲爆震发动机上采用这一变截面引射混合器，可以有效抑制前传、减少负推力，同时还可以增加引射量和引射混合器内的掺混效果。

附图说明

附图1：脉冲爆震发动机变截面瓣状引射混合器结构示意图

附图2：变截面瓣状引射混合器截面图(分别沿外凸瓣对称轴线与内凹瓣对称轴线做截面)

附图3：变截面瓣状引射混合器前视图和后视图

附图4：脉冲爆震发动机变截面瓣状引射混合器与传统等截面引射混合器的防反传效果对比

图中：1.引射混合器外凸瓣部分、2.引射混合器内凹瓣部分、3.引射混合器直管段部分、4.锥面环形挡板、5.支杆、6.爆震管、7.引射混合器主体部分

具体实施方式

现结合具体实施例、附图对本发明作进一步描述：

结合图1～3，本发明提出一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器。图1为脉冲爆震发动机变截面瓣状引射混合器的结构示意图，变截面瓣状引射混合器部分包括引射混合器外凸瓣部分(1)、引射混合器内凹瓣部分(2)、引射混合器直管段部分(3)、锥面环形挡板(4)、支杆(5)、爆震管(6)，以及由(1)～(3)部分组合而成的引射混合器主体部分(7)，图2为变截面瓣状引射混合器截面图，图3为变截面瓣状引射混合器前视图和后视图。

根据图1所示，引射混合器外凸瓣部分(1)和引射混合器内凹瓣部分(2)在圆周上间隔周期性排布，组成引射混合器的瓣状结构部分，之后与引射混合器直管段部分(3)连接，(1)、(2)、(3)部分共同组成引射混合器主体部分(7)。引射混合器主体部分(7)与爆震管(6)同轴心安装，轴线与来流方向垂直，靠支杆(5)连接。

根据图1或3所示，工作时引射混合器外凸瓣部分(1)迎风面积远大于内凹瓣部分(2)，前者承担主要的进气量，气流流入引射混合器外凸瓣部分(1)后流道截面积逐渐下降，气流在流道中加速，且引射混合器内壁为流线型设计，型线变化遵循维托辛斯基公式，使得引射混合器正向进气流动损失小于逆向流动损失，从而抑制爆震管(6)出口排出的高压燃烧产物逆流传播。引射混合器入口处的瓣状结构可诱发流向阵列漩涡，增加引射量。此外，从引射混合器外凸瓣部分(1)入口开始直到引射混合器直管段(3)流通面积逐渐减小，亚声速来流随流动压力降低；而从引射混合器内凹瓣部分(2)开始直到引射混合器直管段(3)流通面积逐渐增大，亚声速来流的压力随流动上升，压差使得相邻瓣状流道中的流体产生对流，即会形成周向上的流动过程，这一效应增强了引射混合器内的掺混，掺混后的气流在引射混合器直管段中稳流后排出产生推力。另外，在爆震管(6)出口段同轴安装有锥面环形挡板(4)，安装锥面环形挡板(4)的目的是第一时间抑制刚排出爆震管(6)出口的气流向上游传播，同时锥面环形挡板(4)的迎风面积远小于引射混合器主体部分(7)的迎风面积，对引射混合器的进气量影响不大。综上，通过将本发明中的变截面瓣状引射混合器应用在到传统脉冲爆震发动机上，可以通过引射有效提高推进效率，同时相传统的引射混合器，本发明中这一设计可以提高引射量，加强掺混效果，同时可有效降低燃烧产物前传所产生的负推力。

图4是通过数值模拟，通过在引射混合器入口截面监测燃烧产物反传流量，比较了本发明的瓣状变截面引射混合器与相同入口面积的等截面圆柱引射混合器内高压燃气的反流情况。图4表明，与传统等截面引射混合器相比，在迎风面积相同的情况下，采用本发明的变截面瓣状引射混合器时，单次爆震中的燃烧产物前传流量远低于相同迎风面积的传统等截面引射混合器。且本发明中的引射混合器能在更短的时间内恢复进气，从而可提高脉冲爆震发动机的工作频率。

Claims (2)

1.一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器，包括引射混合器外凸瓣部分(1)、引射混合器内凹瓣部分(2)、引射混合器直管段部分(3)、锥面环形挡板(4)、支杆(5)、爆震管(6)，以及由(1)～(3)部分组合而成的引射混合器主体部分(7)，其特征在于：引射混合器主体部分(7)与爆震管(6)同轴线安装，轴线与来流方向平行，二者靠支杆(5)连接；引射混合器主体部分(7)入口为花瓣状，引射混合器内流道为变截面流道；引射混合器外凸瓣部分(1)和引射混合器内凹瓣部分(2)在圆周上间隔周期性排布，排布4、6或8组，外凸瓣与内凹瓣之间非光滑连接过渡，组成引射混合器的瓣状结构部分，之后与引射混合器直管段部分(3)同轴线相连安装；引射混合器内凹瓣部分(2)入口截面与来流方向垂直，内凹瓣入口为抛物线形，入口面积较小，其前缘距轴线最小距离与锥面环形挡板(4)最大半径相同，沿内凹瓣中的流动由上游至下游流道截面逐渐增大，其流道型面为大曲率圆周的一部分，圆周曲率根据爆震管(6)尺寸进行选择；锥面环形挡板(4)为实心体，挡板为圆台形，圆台母线为流线型，中间有直径等于爆震管外径的孔以供爆震管穿过，安装在爆震管(6)出口段尾部，与爆震管(6)同轴，其外径为爆震管(6)内径的2～3倍，具体尺寸根据实际的爆震发动机尺寸选择使挡板反射管口的爆震波面；挡板在来流方向上的投影与引射混合器内凹瓣部分(2)相切。

2.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲爆震发动机的变截面瓣状引射混合器，其特征在于：所述的引射混合器外凸瓣部分(1)入口截面与来流方向垂直，外凸瓣入口截面为大半圆形，入口面积大于爆震管(6)出口截面面积，外凸瓣中的流动由上游至下游流道截面逐渐缩小，其流道型面变化遵循维托辛斯基公式：

式中r_e为出口截面半径，C为流道面积比，l为流道轴向长度，具体尺寸根据爆震发动机尺寸进行设计。

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