CN111271192A

CN111271192A - 一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机

Info

Publication number: CN111271192A
Application number: CN202010078009.XA
Authority: CN
Inventors: 王治武; 刘志; 伟力斯; 王亚非; 秦为峰; 张隆飞
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-02-02
Filing date: 2020-02-02
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明提出了一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，利用脉冲爆震燃烧室来替代空气涡轮火箭发动机中的冲压燃烧室。主要由进气道、压气机、燃气发生器、涡轮、混流及防反传结构、脉冲爆震燃烧室、喷管组成。发动机内有一个携带有氧化剂和燃料的燃气发生器，燃气发生器产生的富燃燃气驱动涡轮做功，涡轮带动压气机工作，从进气道进入的空气经压气机压缩后和经过涡轮做功后的富燃燃气在混流器中混合均匀后进入脉冲爆震燃烧室进行爆震燃烧，爆震燃烧产生的高温高压气体经喷管排出产生推力。爆震燃烧具有热循环效率高、燃烧速率快等显著优点，本发明充分利用爆震燃烧的优势，从而使动力装置获得更低的耗油率和更大的单位推力。

Description

一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体为一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机。

背景技术

空气涡轮火箭发动机(ATR)是综合了涡喷发动机和火箭发动机的“混血发动机”。典型的ATR发动机和普通的涡喷发动机相比，多加了一个燃气发生器，能够利用自身携带的燃料和氧化剂来产生燃气，且其所需携带的氧化剂远小于火箭发动机。然而ATR发动机也存在一些明显的问题，如冲压燃烧室进口气流速度较高，温度较高，总压较低等。

发明内容

ATR发动机目前还存在着一些问题，如燃烧室进口气流总压较低，特别是在高空低马赫数飞行时，导致燃烧效率显著下降，而爆震燃烧作为一种新型的燃烧方式，除了能显著提高其燃烧效率外，还能自增压，加大其推力和比冲的优势，降低燃油消耗率、减少污染物排放。本发明将ATR与脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)相结合，利用PDE和ATR发动机各自的优势和特点，利用脉冲爆震燃烧室(PDC)来替代ATR发动机中的冲压燃烧室，提出了新概念基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机(PD-ATR)。

本发明的技术方案为：

所述一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，包括进气道、压气机、燃气发生器、涡轮、喷管，其特征在于：还包括混流及防反传结构和脉冲爆震燃烧室；

燃气发生器中进行富燃燃烧，燃烧产生的富燃燃气驱动涡轮做功，涡轮带动压气机工作，压气机将从进气道进入发动机中的空气进行压缩，得到具有一定压力的压缩空气；

从涡轮排出的富燃燃气与经过压气机得到的压缩空气在混流及防反传结构中混合均匀后进入脉冲爆震燃烧室进行爆震燃烧，爆震燃烧产生的高温高压气体经喷管排出产生推力。

进一步的，所述脉冲爆震燃烧室采用环形燃烧室结构或者多管扇形结构。

进一步的，从涡轮排出的富燃燃气为从涡轮排出的带有燃烧产物以及部分未燃燃料、并且具有一定压力和温度的混合燃气。

进一步的，所述混流及防反传结构将从涡轮排出的富燃燃气与经过压气机得到的压缩空气进行强化掺混，且能够抑制和隔离脉冲爆震燃烧室内的高压脉动，使压力扰动和燃气不反向传入涡轮和压气机。

有益效果

本发明提出的一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，有益效果是：

相比较于传统的ATR发动机，PD-ATR发动机用脉冲爆震燃烧室(PDC)来替代传统空气涡轮火箭发动机中的冲压燃烧室，其推力和比冲等参数均有一定程度的提升；

当发动机总增压比一定时，PDC自增压特性可降低对PD-ATR发动机中压气机增压能力的要求，可以减少旋转部件的级数，减轻发动机重量，从而增大推重比。

相比传统ATR，PD-ATR发动机中的燃烧过程为爆震燃烧，爆震燃烧模式具有热效率高(49％)、燃烧速率快(2000m/s)、自增压、燃烧过程熵增小等优点，用脉冲爆震燃烧室代替传统ATR中的冲压燃烧室，PD-ATR发动机脉冲爆震燃烧室出口燃气的压力和温度高于传统ATR发动机燃烧室出口燃气的压力和温度，热循环效率得到了显著提升。

由于脉冲爆震具有自增压特性，会导致脉冲爆震燃烧室内的压力远大于压气机出口和涡轮出口的压力，形成反传，所以本发明还在传统ATR混流器的基础上进行防反传设计，形成混流及防反传结构。

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1PD-ATR发动机结构和热力循环特征截面图；

图中：①——进气道；②——压气机；③——燃气发生器；④——涡轮：⑤——混流及防反传结构；⑥——脉冲爆震燃烧室；⑦——喷管。

图2ATR发动机理想热力循环图；

图3PD-ATR发动机理想热力循环图；

图1中热力循环截面0为发动机远场来流未受扰动截面、1为进气道入口截面、2为进气道出口截面(压气机进口截面)、3为压气机出口截面、4为涡轮入口截面(燃气发生器出口截面)、5为涡轮出口截面(混流及防反传结构进口截面)、6为经过涡轮膨胀做功后的富燃燃气与经压气机增压后的空气的宏观尺度混合后截面、7为燃烧室内富燃燃气与空气掺混后的可燃混合物燃烧结束截面、8为尾喷管喉部截面、9为尾喷管出口截面。

具体实施方式

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)和普通发动机的区别在于，推力是通过脉冲爆震波产生的高温高压燃气产生的(约13-15倍)，这使得发动机可以运行在马赫数0-5的非常宽广的马赫数范围，而且在亚音速、超音速都可以高效工作。此外，爆震燃烧具有热效率高(高达49％)、燃烧速率快(2000m/s)的显著的优点。利用这项技术的PDE容热强度高，可以使动力装置获得更低的耗油率和更大的单位推力。

本发明提出的PD-ATR(空气涡轮火箭发动机)结合了爆震燃烧效率高、自增压的优势与传统ATR发动机推重比高、单位推力高和单位迎面推力高等优势，在军事领域上具有广阔的应用前景，可为无人驾驶飞机、远程导弹、高超音速飞机等提供新型动力。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中提出的基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机主要包括：进气道、压气机、携带有氧化剂和燃料的燃气发生器、涡轮、混流及防反传结构、脉冲爆震燃烧室、喷管等。

氧化剂和燃料在燃气费发生器中燃烧产生的富燃燃气驱动涡轮做功，涡轮又带动压气机工作；随后，压气机将从进气道进入发动机中的空气进行压缩，得到具有一定压力的压缩空气；接着，从涡轮排出的带有燃烧产物以及部分未燃燃料、并且具有一定压力和温度的混合燃气流入混流及防反传结构中，与此同时，经过压气机压缩得到的空气也流入混流及防反传结构中，两者经过混流及防反传结构可以强化掺混，掺混好的富燃燃气/空气混合气体进入脉冲爆震燃烧室进行爆震燃烧；混流及防反传结构具有防反传功能，抑制和隔离脉冲爆震燃烧室内的高压脉动，使压力扰动和燃气不会反向传入压气机和涡轮；最后爆震燃烧产生的高温高压燃气经喷管排出产生推力。考虑到环形燃烧室表面积与容积之比较小，需要的冷却空气量较少，且环形燃烧室结构简单，耐用性好，所以脉冲爆震燃烧室选用环形燃烧室结构或者多管扇形形式。

为了进一步说明本发明相比传统ATR发动机更具优势，现结合图2、图3对传统ATR的热力循环和PD-ATR的热力循环进行理论分析。

图2中，0’-2’为质量m的推进剂在燃料泵中等熵增压过程，对于液体燃料，压缩至高压状态比较容易，且整个过程中温升比较小，故图中用竖直的直线表示；2’-4为燃料推进剂在燃气发生器中的等压燃烧过程；4-5为一次燃烧后的富燃燃气在涡轮中的等熵膨胀过程，驱动涡轮做功；5-6为质量m燃气在混合室中和来流空气在掺混过程中的等压放热过程；0-2为单位质量来流空气在进气道中的等熵压缩过程；2-3为经过进气道之后的单位质量空气在压气机中的等熵压缩过程；3-6为单位质量空气在混合室中和一次燃烧后的富燃燃气在掺混过程中的等压吸热过程；6-7为混合室中混合充分的燃气(1+m)在燃烧室中的等压燃烧过程；7-9为经过二次燃烧后的混合燃气(1+m)在尾喷管中的等熵膨胀过程；9-0为混合燃气(1+m)在大气中的等压放热过程，最终变成常温常压状态。

综上所述，以来流空气为研究单位，传统ATR发动机热力循环就相当于布雷顿循环。PD-ATR发动机理想热力循环P-V图和T-S图如图3所示，相比较于传统ATR发动机理想等压循环(图2)，PD-ATR发动机理想爆震循环其加热过程为爆震加热过程，由于PDC具有自增压特性，因此PD-ATR发动机在外涵空气与内涵富燃燃气在脉冲爆震燃烧室中混合均匀后会进行再一次的增压，脉冲爆震燃烧室出口的温度和压力均会升高，即7点会上移，导致整个发动机的温比和压比均会增加。

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

1.一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，包括进气道、压气机、燃气发生器、涡轮、喷管，其特征在于：还包括混流及防反传结构和脉冲爆震燃烧室；

2.根据权利要求1所述一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，其特征在于：所述脉冲爆震燃烧室采用环形燃烧室结构或者多管扇形结构。

3.根据权利要求1所述一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，其特征在于：从涡轮排出的富燃燃气为从涡轮排出的带有燃烧产物以及部分未燃燃料、并且具有一定压力和温度的混合燃气。

4.根据权利要求3所述一种基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机，其特征在于：所述混流及防反传结构将从涡轮排出的富燃燃气与经过压气机得到的压缩空气进行强化掺混，且能够抑制和隔离脉冲爆震燃烧室内的高压脉动，使压力扰动和燃气不反向传入涡轮和压气机。