CN110578603B - 一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机 - Google Patents

一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，包括：内芯体、外筒体、圆盘式端盖、掺混隔离筒；内芯体外壁与外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；内芯体内壁与圆盘式端盖内壁之间形成第二间隙，作为环形燃烧室；喷油环，具有轴向贯通的中空腔，嵌套在两段内芯体上，喷油环侧壁设有燃料进口，内部设有环形燃料腔；燃料入口通过环形燃料腔与进气通道相连接；燃料储箱通过管道与环形燃料腔相连接；溅油环，套设在喷油环外侧，用于加速煤油雾化破碎；旋流器，嵌套内芯体上，设置于喷油环下游，用于加速煤油与空气的周向掺混。本发明具有机构简单、燃烧效率高、推重比大等优点。

Description

一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机
技术领域
本发明设计航空技术领域，是一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机。
背景技术
爆震燃烧是有别于传统爆燃燃烧的燃烧方式，其燃烧效率相比于传统爆燃燃烧的布雷顿循环具有明显的提升。目前传统推进系统主要依赖于爆燃燃烧产生推力，通过提升部件效率、压比以及峰值温度等方式可以有效地提升推进系统效率，但面对日益提升的设计要求，需要对推进系统做进一步改进设计，因此基于爆震燃烧的推进系统逐渐成为新的研究方向。
旋转爆震发动机是一种通过旋转爆震波产生连续稳定推力的新型推进系统，具有结构简单、尺寸小、燃烧效率高等优点，因此可应用在导弹、高速飞行器等设备上。正常工作状态下，旋转爆震燃烧室内存在一道或多道沿周向连续旋转的爆震波，由于爆震波波速在千米的量级上，其爆震频率接近数千赫兹，因此燃料与氧化剂的掺混状态对于旋转爆震发动机的工作状态具有重要的影响。目前基于煤油的旋转爆震发动机多采用圆筒式结构，相比于气体燃料的旋转爆震发动机，基于煤油的旋转爆震发动机还需要考虑燃料的雾化问题，特别是圆盘式旋转爆震涡轮发动机轴向尺寸较小，相比于圆筒式旋转爆震发动机更需要额外注意解决煤油的雾化掺混问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，以解决现有技术中存在的发动机体积较大、推进性能差、结构复杂的技术问题；同时解决基于煤油与空气的爆震波起爆及稳定传播的设计问题。
本发明提供一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，包括：
内芯体，所述内芯体由两段具有轴向贯通中空腔的筒体通过螺栓连接而成；
外筒体，所述外筒体具有轴向贯通的中空腔，套在所述内芯体外侧，用于定位以及连接其他部件；
圆盘式端盖，所述圆式端盖具有轴向贯通的中空腔，用于连接在所述外筒体上，所述圆盘式端盖上设有点火器，用于起爆点火；
所述内芯体外壁与所述外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；所述内芯体内壁与所述圆盘式端盖内壁之间形成第二间隙，作为环形燃烧室；
掺混隔离筒，所述掺混隔离筒具有轴向贯通的中空腔，用于分隔所述进气通道，使煤油在隔离筒内加速雾化掺混；
喷油环，所述喷油环具有轴向贯通的中空腔，嵌套在所述内芯体之间，所述喷油环侧壁设有燃料进口，内部设有环形燃料腔；所述燃料进口通过所述环形燃料腔与所述进气通道相连接；燃料储箱通过管道与所述环形燃料腔相连接。
溅油环，所述溅油环具有轴向贯通中空腔的薄壁筒；旋流器，所述旋流器具有轴向贯通中空腔，嵌套所述内芯体上，位于所述喷油环下游。
进一步的，自所述内芯体径向的方向，所述环形燃烧室高度随所述内芯体半径的减小而增大，沿流向流通面积保持不变。
进一步的，所述环形燃料腔与所述进气通道之间设置有一定数量的通道；所述通道径向一定距离处安装有溅油环；所述通道周向均匀分布在所述喷油环外壁面上。
进一步的，所述内芯体与所述外筒体之间的最窄间隙作为喉道，所述内芯体外壁与所述掺混隔离筒内壁之间的间隙作为油气预混通道，所述掺混隔离筒外壁与所述外筒体内壁之间的间隙作为主流通道；
所述油气预混通道出口流通面积与所述喉道流通面积之间的比值、所述油气预混通道进口流通面积与所述进口处所述进气通道的流通面积之间的比值，两者需保持一致。
进一步的，本发明中，还包括：
中心轴，所述中心轴穿过所述内芯体的中空腔通过轴承与其相连接；
单极压气机转子，所述单机压气机转子具有轴向贯通的中空腔，嵌套在所述中心轴上并通过螺母固定；
压气机端盖，所述压气机端盖具有轴向贯通的中空腔，套设在所述单极压气机转子外侧，通过螺栓与所述内芯体以及所述外筒体相连接；
单极涡轮转子，所述单极涡轮转子通过螺栓与所述中心轴相连接；
单级涡轮静子，所述单级涡轮静子具有轴向贯通的中空腔，套设在所述中心轴上，通过螺栓固定在所述内芯体上；
轴承紧固套，所述轴承紧固套具有轴向贯通的中空腔，分别固定两个所述轴承的外径和内径。
进一步的，所述压气机端盖内壁与所述内芯体、所述单级压气机转子之间的第三间隙为第二进气通道，所述第二进气通道与所述进气通道相连通的。
自所述内芯体首端到尾端方向，所述第二进气通道的流通面积逐渐增大。
进一步的，本发明中，还包括：收缩筒体；
所述收缩筒体套设在所述单极涡轮转子与所述单极涡轮静子上，所述收缩筒体前端与所述圆盘式端盖相连接；
所述收缩筒体内壁与所述内芯体外壁、所述单极涡轮转子与所述单极涡轮静子之间形成第四间隙，第四间隙与所述环形燃烧室联通并构成完整的燃烧室的一部分。
进一步的，自所述内芯体的首端到尾端的方向，所述收缩筒体内壁直径逐渐减小。
有益效果：
本发明是一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，该发动机具有机构简单、燃烧效率高、推重比大等优点。由于本发明是基于煤油-空气的旋转爆震涡轮发动机，煤油与空气的掺混效果对环形燃烧室内爆震波具有直接的影响，因此本发明通过煤油与空气在掺混通道内初步掺混以增强煤油的雾化掺混效果，进而获得爆震波起爆的有利条件。工作过程中，通过调节煤油的流量，可以改变燃烧室入口的当量比，进而使得燃烧室内爆震波的波头数、爆震压力等燃烧状态发生变化，实现调整发动机推力的目标。
附图说明
1.图1为本发明实际案例提供的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机的剖视图；
2.图2为本发明实际案例提供的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机喉道附近局部放大剖视图；
3.图3为本发明实际案例提供的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机喷油位置附近局部放大剖视图；
4.图4为本发明实际案例提供的掺混隔离筒的立体图；
5.图5为本发明实际案例提供的喷油环的立体图；
6.图6为本发明实际案例提供的旋流器的立体图；
附图标记：
1-单级压气机转子；2-压气机端盖；3-外筒体；4-圆盘式端盖；5-内芯体；6-单级涡轮转子；7-轴承紧固套；8-轴承；9-中心轴；10-溅油环；11-旋流器；12-掺混隔离筒；13-喷油环；14-收缩筒体；22-单级涡轮静子。
15-进气通道；16-主流通道；17-油气预混通道；18-第二进气通道；19-环形燃烧室；20-第四间隙；21-喉道。
具体实施
参考图1-图6，本发明为一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，包括：内芯体5，所述内芯体5由具有轴向贯通中空腔的回转体通过螺栓连接而成；外筒体3，所述外筒体3具有轴向贯通的中空腔，套在所述内芯体5外侧，用于定位以及连接其他部件；圆盘式端盖4，所述圆盘式端盖4具有轴向贯通的中空腔，通过螺栓连接在所述外筒体5上，端盖上设有点火器，用于起爆点火；掺混隔离筒12，所述掺混隔离筒12具有轴向贯通的中空腔，套设所述内芯体3外侧、所述外筒体3内侧，用于分隔所述进气通道内的气体，使得部分煤油与空气实现初步掺混；喷油环13，所述喷油环13具有轴向贯通的中空腔，嵌套在所述内芯体5上，所述喷油环13侧壁设有燃料进口，内部设有环形燃料腔；燃料储箱，所述燃料储箱通过管道与所述环形燃料腔相连接；溅油环10，所述溅油环10套设在所述喷油环13外侧，用于加速煤油雾化破碎；旋流器11，所述旋流器11嵌套所述内芯体5上，设置于所述喷油环13下游，用于加速煤油与空气的周向掺混。
根据上述结构可知，所述内芯体5外壁与所述外筒体3内壁之间形成第一间隙，该间隙作为进气通道15可以使得压气机产生的高压气体进入燃烧室。同时所述环形燃料腔与所述进气通道15之间设置有一定数量的通道，所述燃料进口通过所述环形燃料腔与所述进气通道15相连接。为保证煤油与空气在进入燃烧室后充分雾化掺混，所述掺混隔离筒12将所述进气通道15分隔为两个通道，所述掺混隔离筒12内壁与内芯体5外壁之间的间隙为油气预混通道17，所述掺混隔离筒12外壁与所述外筒体3内壁之间的间隙作为主流通道16，煤油与高压空气在所述油气预混通道17中开始初步掺混。当煤油经所述喷油环13进入所述油气预混通道17后，经过所述溅油环10以及所述旋流器11作用后，加快了煤油液滴的破碎以及其向周向空气中扩散掺混，从而使得煤油具有较好的雾化掺混效果。另外，所述油气预混通道17中初步掺混的混气沿轴向流出，垂直射入所述主流通道16中，两股交叉气流进一步掺混进入燃烧室进行燃烧。
所述内芯体5与所述外筒体3之间的最窄间隙作为喉道21，喉道宽度的设计需要与压气机出口流量匹配。为保证所述油气预混通道17的气流流通性，所述油气预混通道17出口面积与所述喉道21面积的比值需要与所述油气预混通道17进口面积占所述进气通道15面积的比例一致。
所述内芯体5内壁与圆盘式端盖4内壁之间形成第二间隙，作为环形燃烧室19，供空气与所述油气预混通道17中初步掺混的混气进一步掺混及燃烧。自所述内芯体5径向的方向，所述环形燃烧室19高度随所述内芯体5半径的减小而增大，其流通面积保持不变，这一设计可以减弱高压气流沿径向经过圆盘结构时气动加速产生的影响。发动机工作时，燃料与氧化剂沿径向进入所述环形燃烧室19后，经过初次点火后即可产生连续的周向旋转的爆震波。由于旋转爆震波的高度和强度等特性受到燃烧室结构、煤油掺混效果、进气流量等参数的影响，发动机可以通过调节煤油的流量得到不同模态的旋转爆震波，进而产生不同的推力。
继续参考图1，本发明还包括：
中心轴9，所述中心轴9穿过所述内芯体5的中空腔通过轴承8与其相连接；单极压气机转子1，所述单机压气机转子1具有轴向贯通的中空腔，嵌套在所述中心轴9上并通过螺母固定；压气机端盖2，所述压气机端盖2具有轴向贯通的中空腔，套设在所述单极压气机转子1外侧，通过螺栓与所述内芯体5以及所述外筒体3相连接；单极涡轮转子6，所述单极涡轮转子6通过螺栓与所述中心轴相连接；单级涡轮静子22，所述单级涡轮静子22具有轴向贯通的中空腔，套设在所述中心轴9上，通过螺栓固定在所述内芯体5上；轴承紧固套7，所述轴承紧固套7具有轴向贯通的中空腔，分别固定两个所述轴承8的外径和内径；收缩筒体14，所述收缩筒体14具有轴向贯通的中空腔，所述收缩筒体14套设在所述单极涡轮转子6与所述单极涡轮静子22上，所述收缩筒体14前端与所述圆盘式端盖4相连接。实际应用中，所述单级压气机转子6、所述单级涡轮转子22均可采用现有涡轮发动机的压气机转子和涡轮转子，所述轴承根据所述中心轴的尺寸选择适当的标准件。
所述压气机端盖2内壁与所述内芯体5之间的间隙形成第二进气通道18，所述第二进气通道18与所述进气通道15相连接，自所述内芯体5首端到尾端方向，所述第二进气通道18的流通面积逐渐增大，使得压气机产生的高压气体进一步减速增压。
所述收缩筒体14内壁与所述内芯体5外壁、所述单极涡轮转子6与所述单极涡轮静子22之间形成第四间隙20，所述第四间隙20与所述环形燃烧室19联通并构成完整的燃烧室的一部分。自所述内芯体5的首端到尾端的方向，所述收缩筒体14内壁直径逐渐减小。
发动机工作时，压气机出口的高压气体经过所述进气通道15进入所述油气预混通道17及所述主流通道16，进入所述油气预混通道17的气体与所述环形燃料腔中喷出的煤油相互掺混，并与所述主流通道内16气流一起通过所述喉道21进入所述环形燃烧室19内。待气流进入所述环形燃烧室19内进一步掺混后，通过点火器对所述环形燃烧室19内的混气点火，混气在所述环形燃烧室19内进行混合燃烧形成连续的旋转爆震波，随后爆震产物进入所述第四间隙20推动所述单级涡轮转子6转动，进而产生连续推力。通过调节进气量与供油量，可以有效地改变燃烧室内爆震波的波头数、爆震压力等参数，进而调节发动机的实际推力。
相比于传统发动机，该旋转爆震涡轮发动机结构简单、轴向尺寸较小、燃烧效率高，因此可以得到更大的推重比。为实现煤油与空气旋转爆震的目的，本发动机通过采用煤油与空气提前掺混的方式来获得煤油与空气良好的掺混特性，从而得到煤油-空气旋转爆震波起爆和稳定自持的有利条件。
本发动机以煤油为燃料，通过旋转爆震燃烧提升燃烧室的燃烧效率，进而提升整个发动机的性能，这对于改进现有发动机性能具有一定的实际应用价值。

Claims (8)

1.一种基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，包括内芯体、压气机端盖、单极涡轮转子、单极涡轮静子；其特征在于，包括：
外筒体，所述外筒体具有轴向贯通的中空腔，套在所述内芯体外侧，用于定位；
圆盘式端盖，所述圆盘式端盖具有轴向贯通的中空腔，用于连接在所述外筒体末端上，所述圆盘式端盖上设有点火器，用于起爆点火；
所述内芯体外壁与所述外筒体内壁之间形成第一间隙，作为进气通道；所述内芯体内壁与所述圆盘式端盖内壁之间形成第二间隙，作为环形燃烧室；
掺混隔离筒，所述掺混隔离筒具有轴向贯通的中空腔，套设在所述内芯体外侧、所述外筒体内侧，用于分隔所述进气通道，使煤油在隔离筒内加速雾化掺混；
喷油环，所述喷油环具有轴向贯通的中空腔，嵌套在所述内芯体上，所述喷油环侧壁设有燃料进口，内部设有环形燃料腔；所述燃料进口通过管道与燃料储箱连接；所述喷油环的外壁周向均匀设有若干个燃料出口，所述燃料出口与所述进气通道连通。
2.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，还包括溅油环，所述溅油环套设在所述喷油环外侧、所述掺混隔离筒内侧，用于加速煤油雾化破碎。
3.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，还包括旋流器，所述旋流器嵌套所述内芯体上，设置于所述喷油环下游，用于加速煤油于空气的周向掺混。
4.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，自所述内芯体径向的方向，所述环形燃烧室高度随所述内芯体半径的减小而增大，沿流向流通面积保持不变。
5.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，所述内芯体与所述外筒体之间的最窄间隙作为喉道，所述内芯体外壁于所述掺混隔离筒内壁之间的间隙作为油气预混通道，所述掺混隔离筒外壁与所述外筒体内壁之间的间隙作为主流通道；
所述油气预混通道出口流通面积与所述喉道流通面积之间的比值、所述油气预混通道进口流通面积与所述进口处所述进气通道的流通面积之间的比值，两者保持一致。
6.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，所述压气机端盖内壁与所述内芯体以及单级压气机转子之间的第三间隙为第二进气通道，所述第二进气通道与所述进气通道相连通；
自所述内芯体首端到尾端方向，所述第二进气通道的流通面积逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，还包括收缩筒体；
所述收缩筒体套设在所述单极涡轮转子与所述单极涡轮静子上，所述收缩筒体前端与所述圆盘式端盖相连接；
所述收缩筒体内壁与所述内芯体外壁、所述单极涡轮转子与所述单极涡轮静子之间形成第四间隙，所述第四间隙与所述环形燃烧室连通并构成完整的燃烧室的一部分。
8.根据权利要求7所述的基于煤油的盘式旋转爆震涡轮发动机，其特征在于，自所述内芯体的首端到尾端的方向，所述收缩筒体内壁直径逐渐减小。
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