CN113882965B - 一种金属储氢粉末水冲压发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属储氢粉末水冲压发动机，包括壳体、增压系统和粉末存储罐；壳体的中心沿轴向依次布设有存储空腔、锥形混合腔、燃烧室和尾喷腔；存储空腔内设有增压系统和粉末存储罐；增压系统包含增压机、主增压管和分支增压管；粉末存储罐内设有活塞，活塞将其分隔为增压室和粉末存储室；粉末存储室右侧设置粉末喷管；锥形混合腔外周的壳体上沿周向均布有注水喷嘴。本发明采用增压系统将金属储氢粉末在增压气的裹挟下通过粉末喷管进入燃烧室，防止粉末堵塞粉末喷管；进入燃烧室的金属储氢粉末与通过注水喷嘴喷入燃烧室的水雾充分混合。另外，在少量氧气助燃作用下，点火难度显著下降，反应稳定性增强，推力性能更优。
Description
技术领域
本发明涉及水冲压发动机领域，特别是一种金属储氢粉末水冲压发动机。
背景技术
水冲压发动机是一种新型水下动力形式，是水下动力的革命性发展。水冲压发动机结合“超空泡”发展的新型推进系统，能够成为高速突防的利器，从而改变水下兵器作战样式。目前国内外对水冲压发动机的研究根据推进剂的不同供应形式，可以归为药柱式和粉末式两类。
药柱式发动机中药柱携带一定氧化剂和粘合剂，可能因含金属燃料少而影响发动机性能，但当金属过量时则可能无法从药柱中析出金属，而无法实现燃烧的稳定进行。
粉末式水冲压发动机结构复杂，目前在研制中尚无实装型号应用。
目前粉末式水冲压发动机研制中难度较大，最主要难点有两个：
1、粉末燃料难以稳定地进入燃烧室。
2、粉末燃料在燃烧室中难以实现均匀混合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种金属储氢粉末水冲压发动机，该金属储氢粉末水冲压发动机采用增压系统将金属储氢粉末在增压气的裹挟下通过粉末喷管进入燃烧室，防止粉末堵塞粉末喷管；进入燃烧室的金属储氢粉末与通过注水喷嘴喷入燃烧室的水雾充分混合。进一步，增压气优选为氧气，因而在少量氧气助燃作用下，点火难度显著下降，反应稳定性增强，推力性能更优。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种金属储氢粉末水冲压发动机，包括壳体、增压系统和粉末存储罐。
壳体沿轴向从左至右依次包括锥形弹头壳、圆筒壳和尾喷管。
壳体的中心沿轴向从左至右依次布设有存储空腔、锥形混合腔、燃烧室和尾喷腔。
存储空腔内设置有所述增压系统和粉末存储罐。
增压系统包括增压机、分别与增压机相连接的主增压管和分支增压管。
粉末存储罐内设置有活塞，且活塞将粉末存储罐密封分隔为增压室和粉末存储室；其中，增压室与主增压管相连接，粉末存储室内存储有金属储氢粉末，且粉末存储室还设置有伸入锥形混合腔内的粉末喷管；粉末喷管的喷腔与分支增压管相连通。
锥形混合腔外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个注水喷嘴，每个注水喷嘴均能向锥形混合腔喷射水雾。
金属储氢粉末为MgH2。
粉末喷管位于壳体的中心轴线上。
每个注水喷嘴均与粉末喷管呈一个锐形夹角。
燃烧室外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个均与燃烧室相连通的导气管。
锥形弹头壳的左侧为缩口端，且缩口端的中心设置有导气排口，导气排口与存储空腔之间形成导气集气腔，且导气集气腔和每个导气管均相连通。
锥形混合腔的锥形头部伸入存储空腔内。
主增压管上设置有主调压阀，分支增压管上设置有分支调压阀。
通过调节主调压阀和分支调压阀的开合度，调整增压压力，进而改变金属储氢粉末的供应流量。
每个注水喷嘴均为气液同轴剪切式喷嘴或者同轴离心式喷嘴，粉末喷管为中心式粉气同轴旋流式喷嘴。
增压机位于粉末存储罐的左侧，增压机左侧的存储空腔为载荷存储腔，用于存储战斗装备。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用增压系统推进粉末储罐内金属储氢粉末在增压气裹挟下通过喷嘴进入燃烧室，防止粉末堵塞喷嘴。
2、上述增压气（也称流化气）优选为氧气，在少量氧气助燃作用下，点火难度显著下降，能够提高反应强度，有利于反应中的助燃，推力性能更优。
3、上述主调节阀和分支调节阀的设置，能够调整粉末供应流量，实现推力控制。
4、上述注水喷嘴采用火箭气液同轴剪切式喷嘴或者同轴离心式喷嘴，能获得更好的雾化效果。
5、本发明采用金属储氢粉末为燃料，与相同量的水反应，相较于采用纯Mg、Al等粉末为推进剂化学反应放热高。且能够产生更多氢气，因氢气声速高，因而总体上燃气排气速度将更好，从而推进性能更优。在氧气流化气参与反应时也有增强放热的效果。
6、金属储氢粉末相较于纯金属粉的存储稳定性更好，可支持发动机带燃料长期存储，适宜战备值班。
附图说明
图1是本发明一种金属储氢粉末水冲压发动机的结构示意图。
其中有：
10.壳体；
11.锥形弹头壳；111.导气排口；
12.圆筒壳；121.注水喷嘴；122.导气管；
13.尾喷管；
20.存储空腔；21.载荷存储腔；22.燃料存储腔；
30.战斗装备；
40.增压机；41.主增压管；411.主调节阀；42.分支增压管；421.分支调节阀；
50.粉末存储罐；51.活塞；52.增压室；53. 粉末存储室；54.粉末喷管；
60.锥形混合腔；
70.燃烧室；71.火花塞。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种金属储氢粉末水冲压发动机，包括壳体10、增压系统和粉末存储罐50。
壳体10沿轴向从左至右依次包括锥形弹头壳11、圆筒壳12和尾喷管13。
锥形弹头壳11的左侧为缩口端（也称弹头Ⅰ），且缩口端的中心设置有导气排口111。
壳体的中心沿轴向从左至右依次布设有存储空腔20、锥形混合腔60、燃烧室70和尾喷腔。
存储空腔20的左侧为载荷存储腔21（也称战斗部Ⅱ），优选伸入锥形弹头壳11的右侧尾部，用于存储有效载荷，本申请优选存储有战斗装备30。
存储空腔20与导气排口111与之间形成优选呈等腰三角形的导气集气腔112。
位于载荷存储腔21右侧的存储空腔20为燃料存储腔22，燃料存储腔22位于圆筒壳12的中心左侧，圆筒壳12与锥形弹头壳11可以一体设置，也可通过螺栓连接。
燃料存储腔22内设置有增压系统和粉末存储罐50。
增压系统包括增压机40、分别与增压机相连接的主增压管41和分支增压管42。主增压管上设置有主调压阀411，分支增压管上设置有分支调压阀421。
增压机位于粉末存储罐50的左侧。
粉末存储罐50内设置有活塞51，且活塞将粉末存储罐50密封分隔为增压室52和粉末存储室53。
上述增压室52与主增压管41相连接，通过调节主调压阀411，能够调节增压室52的压力，进而推动活塞51移动。
粉末存储室53设置有伸入锥形混合腔60内的粉末喷管54；粉末喷管优选位于壳体的中心轴线上，粉末喷管优选为粉体中心式粉气同轴旋流式喷嘴，且粉末喷管的喷腔与分支增压管相连通。从分支增压管42引导来的另一路增压气，经过分支调压阀421后流入到粉末喷管54内，从而能适应粉末供应流量的调节。
上述增压气（也称流化气）优选为氧气，在少量氧气助燃作用下，点火难度显著下降，能够提高反应强度，有利于反应中的助燃，推力性能更优。
粉末存储室53内存储有金属储氢粉末，金属储氢粉末优选为MgH2，粉末存储室53内的MgH2在活塞51挤压推动和增压气裹挟下通过粉末喷管54进入锥形混合腔60。
储氢合金是指在一定温度和压力下能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。储氢合金是利用金属或合金与氢反应后生成金属氢化物来储氢，金属氢化物经加热后又可以释放出氢。部分金属能够与氢反应形成金属氢化物，反应比较简单，只要控制一定的温度和压力，金属和氢气接触便能发生反应。相比气态高压储氢和液化储氢，金属氢化物储氢更加安全。基于氢化物的固态储氢具有可逆循环、制备技术和工艺相对成熟等优点，被认为是最具发展前景的一种储氢方式。金属基储氢合金材料主要分为镁系、稀土系、钛系等种类。镁基合金储氢材料凭借储氢量高、原料丰富、价格低廉以及释放产生氢气的纯度高的特点成为很有发展前途的固态储氢材料之一。单质镁在较高的温度和压力下可直接与氢发生反应生成MgH2，其理论含氢量为7.6%。
本申请中，选择金属储氢粉末（尤其是MgH2）作为推进剂，从化学反应机理来看，MgH2+H2O=MgO+2H2（放热）生成更多氢气，因而可以实现更好地推进性能。
锥形混合腔60位于圆筒壳12的中部，且锥形混合腔60的锥形头部伸入存储空腔20内。
锥形混合腔60的锥形结构，也即为放射构型，利于粉末喷入后在下游空间的弥散。
锥形混合腔60外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个注水喷嘴121，每个注水喷嘴均优选为气液同轴剪切式喷嘴或者同轴离心式喷嘴，能够获得粒径更小、分布更均匀、扩散更大的区域。
每个注水喷嘴121均能向锥形混合腔60喷射水雾，最后注水喷嘴121均与粉末喷管54呈一个锐形夹角，优选为30°-45°。
粉末喷管54和注水喷嘴121分别供应增压气裹挟的金属储氢粉末和水雾，在锥形混合腔60内预混后，弥散在燃烧室70内。
上述燃料存储腔22和锥形混合腔60所在部分，一起称为供应系统Ⅲ。
燃烧室70位于圆筒壳12的右侧，燃烧室70内设有火花塞71。圆筒壳12与尾喷管13可以一体设置，也可通过螺栓连接。
预混后的金属储氢粉末和水雾在燃烧室70内通过火花塞71点火燃烧。
燃烧室70外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个均与燃烧室相连通的导气管122，同时，每个导气管122均与导气集气腔112均相连通。
导气管122引出少量燃气产物从导气排口111排出，用于在外围形成气体包覆环境。在一定助推速度下，调节合适流量可在弹体外围形成超空泡环境。
尾喷管13右部设有尾喷腔，尾喷腔与燃烧室70相连接。
尾喷管13优选为先收缩再扩张的构型，用于加速燃烧室70内燃烧产生的氢气以及与富余的未反应的水被加热形成的水气，形成超声速排气速度产生推力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种金属储氢粉末水冲压发动机，其特征在于：包括壳体、增压系统和粉末存储罐；
壳体沿轴向从左至右依次包括锥形弹头壳、圆筒壳和尾喷管；
壳体的中心沿轴向从左至右依次布设有存储空腔、锥形混合腔、燃烧室和尾喷腔；
存储空腔内设置有所述增压系统和粉末存储罐；
增压系统包括增压机、分别与增压机相连接的主增压管和分支增压管；增压机的增压气为氧气；分支增压管中的氧气参与助燃，使点火难度下降，能够提高反应强度和增强放热，提升燃气排气速度和推进性能；
粉末存储罐内设置有活塞，且活塞将粉末存储罐密封分隔为增压室和粉末存储室；其中，增压室与主增压管相连接，粉末存储室内存储有金属储氢粉末，金属储氢粉末为MgH2；
粉末存储室还设置有伸入锥形混合腔内的粉末喷管；粉末喷管的喷腔与分支增压管相连通；
主增压管上设置有主调压阀，分支增压管上设置有分支调压阀；通过调节主调压阀和分支调压阀的开合度，调整增压压力，进而改变金属储氢粉末的供应流量；
锥形混合腔的锥形头部伸入存储空腔内，锥形混合腔的锥形结构，利于粉末喷入后在下游空间的弥散；
锥形混合腔外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个注水喷嘴，每个注水喷嘴均能向锥形混合腔喷射水雾；每个注水喷嘴均与粉末喷管呈30°-45°的锐形夹角；
粉末喷管和注水喷嘴分别供应增压气裹挟的金属储氢粉末和水雾，在锥形混合腔内预混后，弥散在燃烧室内，通过设置在燃烧室内的火花塞点火燃烧。
2.根据权利要求1所述的金属储氢粉末水冲压发动机，其特征在于：粉末喷管位于壳体的中心轴线上。
3.根据权利要求1所述的金属储氢粉末水冲压发动机，其特征在于：燃烧室外周的壳体上沿周向均匀布设有若干个均与燃烧室相连通的导气管；
锥形弹头壳的左侧为缩口端，且缩口端的中心设置有导气排口，导气排口与存储空腔之间形成导气集气腔，且导气集气腔和每个导气管均相连通。
4.根据权利要求1所述的金属储氢粉末水冲压发动机，其特征在于：每个注水喷嘴均为气液同轴剪切式喷嘴或者同轴离心式喷嘴，粉末喷管为粉体中心式粉气同轴旋流式喷嘴。
5.根据权利要求1所述的金属储氢粉末水冲压发动机，其特征在于：增压机位于粉末存储罐的左侧，增压机左侧的存储空腔为载荷存储腔，用于存储战斗装备。
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