CN113153569A - 一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带有平稳排气装置的多管脉冲爆震发动机，包括爆震燃烧室、稳压段和尾喷管。燃气从爆震管排出后经稳压段进入尾喷管，利用稳压段中稳压腔的缓冲作用削弱燃气的脉动特性，降低采用固定几何喷管时排气过膨胀或欠膨胀造成的推力损失。稳压腔的作用具体表现为：第一，稳压腔的流道截面积大于爆震管，燃气进入稳压腔后膨胀减速，进而减小了燃气内部的压力梯度，此外，爆震燃烧产生的激波结构进入稳压腔时，在流道截面突扩处发生绕射，使激波强度大幅减弱，从而减弱了激波引起的压力振荡；第二，稳压腔是每个爆震管内燃气流向的交汇之处，在所有爆震管协同工作的情况下，腔内压力可始终保持在峰值附近。在以上两点的基础上，实现稳定喷管来流压力，提升喷管工作效率的目的。本发明可用于爆震推进等领域。

Description

一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机

技术领域

本发明涉及爆震推进等领域，具体为一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用周期性爆震燃烧产生推力的发动机，与基于等压燃烧的常规喷气发动机相比，PDE具有热循环效率高的潜在优势；爆震燃烧过程可实现自增压，故可省去笨重复杂的增压部件，结构更加简单。鉴于上述优点，脉冲爆震发动机是一种具有应用前景的新型动力装置。

PDE的工作原理决定了其燃烧室出口截面的燃气具有强脉动特性。爆震波的自增压特性可将燃气压力提升13～55倍，而在爆震波传出燃烧室后，燃烧室出口截面燃气的压力迅速下降，直至下一个爆震波到达。上述特征给PDE尾喷管设计带来很大挑战。若按传统针对稳态流动的喷管设计方法，选取燃烧室出口截面上某一时刻的流动状态设计喷管，那么在一次完整的工作循环过程中，只有个别时刻能够实现完全膨胀，而在其余的大部分时间里，燃气处于过膨胀或欠膨胀状态，造成推力损失。若使燃烧室出口的燃气均达到完全膨胀，需根据排气的脉动特性动态调节喷管型面，但机械调节无法响应这一强瞬态脉动特性，二次流气动调节也仅能在一定程度上改善喷管内的流动状态，且二者均大幅增加了系统复杂程度。综上，如何设计满足实际工程应用的尾喷管，是制约PDE发展的技术瓶颈之一。

针对上述问题，设计一种下削弱排气脉动特性，改善喷管工作状态，提供平稳推力输出的脉冲爆震发动机，具有重要意义。本发明提出了一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，可满足以上需求，在脉冲爆震发动机的实际应用具有重要价值。

发明内容

要解决的技术问题

针对目前脉冲爆震发动机中燃烧室出口燃气脉动导致的常规喷管效率低的问题，本发明提出了一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，燃气从爆震管排出后经稳压腔进入喷管，利用稳压腔的缓冲作用削弱燃气的脉动特性，降低采用固定几何喷管时排气过膨胀或欠膨胀造成的推力损失。稳压腔的作用具体表现为：第一，稳压腔的流道截面积大于爆震管，燃气进入稳压腔后膨胀减速，进而使燃气内部的压力梯度减小，此外，爆震燃烧产生的激波结构进入稳压腔时，在流道截面突扩处发生绕射，使激波强度大幅减弱，从而减弱了激波引起的压力振荡；第二，稳压腔是每个爆震管内燃气流向的交汇之处，在所有爆震管协同工作的情况下，腔内压力可始终保持在峰值附近。在以上两点的基础上，实现稳定喷管来流压力，提升喷管工作效率的目的。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，包括爆震燃烧室、稳压段和尾喷管。

所述爆震燃烧室由燃烧室头部、支撑件主体和多个爆震管组成。燃烧室头部是一个圆盘，其底面开有多个定位孔，围绕轴线呈环状均匀分布，每个定位孔到轴线的距离相同；支撑件主体是一个圆盘，其表面开有与燃烧室头部相同的定位孔，与燃烧室头部的定位孔共同用于固定爆震管，支撑件主体的数量可根据实际需求改变；爆震管是一根直圆管，前端固定于燃烧室头部的定位孔中，末端通过单向阀与稳压段相连，靠近头部的侧壁面设计有燃料或氧化剂的供给通道(下文简称供给通道)以及点火装置安装座，管内靠近前端的位置设计有爆震增强装置。

爆震燃烧室可以吸气式或火箭式工作：以吸气式工作时，燃烧室头部的外底面安装有进气锥、进气罩和进气隔板，共同组成空气进气道，其中进气隔板位于相邻两个定位孔的中央；以火箭式工作时，每根爆震管的入口设计有喷注口，用于向爆震管内喷注燃料或氧化剂。

所述稳压段由过渡段和稳压腔组成。过渡段由多个弯管组成，其数量等于爆震燃烧室中爆震管的数量，每个弯管的前端通过单向阀与爆震管相连，末端与稳压腔侧壁相连；稳压腔是一个圆柱形腔体，腔体一侧的底面封闭，另一侧与尾喷管连接，靠近封闭端的侧壁面上开有一排进气孔，围绕稳压腔的轴线呈环形均匀分布，每个进气孔连接一个过渡段弯管。通常，过渡段弯管的最小曲率半径应大于爆震燃烧室中定位孔至燃烧室头部中轴线的距离，弯管轴线在其出口截面的切线与稳压腔封闭端的内法线所成的角度(下文简称过渡段与稳压腔的连接角度)应在30°～60°之间。

所述尾喷管采用收缩扩张布局，其前端与稳压腔连接。喷管的型面参数可按照稳态喷管设计理论，由稳压腔内燃气的总温、总压和流量等参数计算得出。

有益效果：

采用本发明提供的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，燃气从爆震管排出后经稳压腔进入喷管，利用稳压腔的缓冲作用削弱燃气的脉动特性，进而稳定喷管来流压力，降低采用固定几何喷管时排气过膨胀或欠膨胀造成的推力损失，实现提升喷管工作效率的目的。本发明可用于爆震推进等领域。

附图说明

图1为本发明一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机的三维结构简图(吸气式，爆震燃烧室中爆震管数量为6)；

图2为本发明一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机的剖面图(吸气式，爆震燃烧室中爆震管数量为6)；

图3为本发明一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机的三维结构简图(火箭式，爆震燃烧室中爆震管数量为8)；

图4为本发明一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机的剖面图(火箭式，爆震燃烧室中爆震管数量为8)；

其中，1-1是进气隔板，1-2是进气罩，1-3是进气锥，2是燃烧室头部，3-1是燃料供给通道，3-2是喷嘴，4是点火装置安装座，5是爆震管，6是支撑件主体，7是过渡段，8是稳压腔，9是法兰，10是法兰固定螺栓，11是尾喷管，12是爆震管固定装置，13是爆震增强装置，14是定位孔，15是单向阀，16是倒圆角，17是进气孔，18是燃料喷注口，19是氧化剂供给通道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

参见图2，通常，爆震燃烧室由燃烧室头部2、爆震管5和支撑件主体6组成，每根爆震管5的前端通过爆震管固定装置12安装于燃烧室头部2的定位孔14中，管身通过支撑架主体6固定，末端通过单向阀15与过渡段7中的弯管连接，过渡段7中弯管的另一端固定于稳压腔8中的进气孔17中，稳压腔8的前端封闭，内表面做倒圆角16处理，末端通过法兰9与尾喷管11连接，尾喷管11采用收缩扩张布局。工作时，供入爆震管5中的燃料和氧化剂掺混后通过点火装置安装座4上的点火装置点燃，燃烧形成的缓燃波在爆震增强装置13的作用下加速转变成爆震波，与其后的高温高压燃气一同传出爆震管5并经由过渡段7进入稳压腔8，从尾喷管11排入环境产生推力。

影响稳压腔8几何参数的主要因素包括单位时间内进入稳压腔8的燃气流量、流速(大小、方向)和压力，通常，稳压腔8的内径和长度应满足：

式中，d_t为爆震燃烧室中单根爆震管5的通径，d_s为稳压腔8的内径，N为爆震燃烧室中爆震管5数量，α为过渡段7与稳压腔8的连接角度，l_s为稳压腔8腔内的轴向长度，V_t为单根爆震管5的容积，V_s为稳压腔8的容积，其中α的取值范围为30°～60°。

爆震波进入稳压腔8的频率应满足维持腔内压力的需求。因此，在提高单根爆震管5工作频率的同时，将所有爆震管5的点火时序交错排列，具体表现在任意一根爆震管5点火起爆后，其它爆震管5依次点火起爆，任意相邻两次点火的间隔时间以及每根爆震管5的工作频率均相同。在此基础上，爆震管5的数量与工作频率应满足Nf≥100，式中，N为爆震燃烧室中爆震管5的数量，f是爆震管5的工作频率，其中N≥6。

实施例1：

参见图1和图2，本实例以吸气式工作，燃烧室头部2的外底面安装进气隔板1-1、进气罩1-2和进气锥1-3，共同组成空气的进气道，燃料从燃料供给通道3-1输送并通过喷嘴3-2注入爆震管5。爆震燃烧室中爆震管5的数量为6，支撑架主体6的数量为2。

实施例2：

参见图3和图4，本实例以火箭式工作，每根爆震管5的头部安装燃料喷注口18，将燃料沿轴线方向注入爆震管5，氧化剂从管侧壁的氧化剂供给通道19沿垂直于爆震管5轴线的方向注入爆震管5。爆震燃烧室中爆震管5的数量为8，支撑架主体6的数量为2。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。

Claims (6)

1.一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，包括爆震燃烧室、稳压段和尾喷管，其特征在于：燃气从爆震燃烧室中的爆震管排出后经稳压段进入尾喷管，利用稳压段中稳压腔的缓冲作用削弱燃气的脉动特性，降低采用固定几何喷管时排气过膨胀或欠膨胀造成的推力损失，进而实现稳定喷管来流压力，提升喷管工作效率的目的。

2.根据权利要求1所述的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，其特征在于：爆震燃烧室由燃烧室头部、支撑件主体和爆震管组成，尾喷管采用收缩扩张布局。

3.根据权利要求1所述的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，其特征在于：稳压段由过渡段和稳压腔组成，过渡段由弯管组成，弯管的数量等于爆震燃烧室中爆震管的数量，弯管的前端通过单向阀与爆震管连接，末端与稳压腔侧壁相连，稳压腔是一个圆柱形腔体，腔体一侧的底面封闭，另一侧与尾喷管连接，靠近封闭端的侧壁面上开有一排进气孔，围绕稳压腔的轴线呈环形均匀分布，进气孔的数量等同于过渡段中弯管的数量。

4.根据权利要求2所述的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，其特征在于：一根爆震管点火起爆后，其它爆震管依次点火起爆，相邻两次点火的间隔时间以及每根爆震管的工作频率均相同。

5.根据权利要求2所述的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，其特征在于：爆震燃烧室中爆震管的数量与工作频率应满足Nf≥100，式中，Ⅳ为爆震燃烧室中爆震管的数量，f是爆震管的工作频率，其中N≥6。

6.根据权利要求3所述的一种平稳排气的多管脉冲爆震发动机，其特征在于：稳压腔的外型尺寸应满足以下条件，

式中，d_t为爆震燃烧室中单根爆震管的通径，d_s为稳压腔的内径，Ⅳ为爆震燃烧室中爆震管的数量，α为过渡段弯管轴线在其出口截面的切线与稳压腔封闭端内法线所成的角度，l_s为稳压腔腔内的轴向长度，V_t为单根爆震管的容积，V_s为稳压腔的容积，其中α的取值范围为30°～60°。

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