CN114382610B - 基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管 - Google Patents

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Abstract

基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，包括圆转方固定框、两个侧板、两个可调收缩板、两个可调扩张板；圆转方固定框的圆形端与燃烧室出口连接，矩形端的上下两边分别与两个可调收缩板的一端相连，可调收缩板的另一端分别与可调扩张板的一端通过转轴连接；侧板分别设于可调收缩板和可调扩张板连接形成的两侧面；侧板设有弧线形凹槽，可调收缩板和可调扩张板上设有与弧线形凹槽适配的滑块，以使可调收缩板和可调扩张板沿着弧线形凹槽滑动；所述可调收缩板和可调扩张板的型面是基于旋转爆震传入喷管形成的螺旋斜激波损失机制而设计。本发明可减小发动机中斜激波造成的能量损失，同时也能通过调节喉道面积和出口面积来增大发动机推力。

Description

基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管
技术领域
本发明涉及冲压发动机技术领域，尤其涉及基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管。
背景技术
爆震波是一种迅速而又激烈的燃烧波，它的产生由激波引发诱导，它的组成则包括前导激波和反应区，前导激波在前，反应区紧随其后，超音速的反应物经前导激波压缩后燃烧能释放出大量能量。相对于常见的等压燃烧，高温高压的爆震燃烧具有更快的放热速率、更高的热循环效率和自增压等优点，对于降低系统复杂性有较大优势。因此在推进领域中，基于爆震燃烧的推进方式受到了极大关注。
RDE(旋转爆震发动机)作为一种基于旋转爆震的发动机，利用一道或者多道爆震波在环形燃烧室内沿周向连续传播而产生推力。在旋转爆震发动机中，能量损失主要有空气和燃气的摩擦损失、斜激波损失以及尾气喷入大气发生掺混造成的损失，其中尤其以斜激波损失在所有损失中占比最大，导致燃料消耗大，发动机效率低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，可以在宽速域下改变旋转爆震发动机的喉道面积和出口面积，调节旋转爆震发动机的流量，同时保持激波前相对气流角在合理范围，减小斜激波损失，获得相对较大的推力和相对较小的能耗，实现旋转爆震发动机的高效工作。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，包括圆转方固定框、两个侧板、两个可调收缩板、两个可调扩张板；
所述圆转方固定框的圆形端与燃烧室出口连接，圆转方固定框的矩形端的上下两边分别与两个可调收缩板的一端相连；所述两个可调收缩板的另一端分别与两个可调扩张板的一端通过转轴连接，由此上下两组可调收缩板和可调扩张板构成喷管的喉道和出口；
所述两个侧板分别设于可调收缩板和可调扩张板连接形成的两侧面；所述侧板上设有弧线形凹槽，所述可调收缩板和可调扩张板上均设有与弧线形凹槽适配的滑块，以使可调收缩板和可调扩张板沿着弧线形凹槽滑动；
所述可调收缩板和可调扩张板的型面是基于旋转爆震传入喷管形成的螺旋斜激波损失机制所设计。
所述可调收缩板和可调扩张板的型面设计基于喷管激波角随激波前相对气流角的增大而增大的原理，利用特征线法求解爆震喷管设计参数，得到管内激波做功能力的最优解，从而设计喷管几何型面，使得调节喉道面积和出口面积的同时，对激波前相对气流角的影响较小。
本发明还包括驱动单元，所述驱动单元包括热电转换板、电池、储气室和推杆，所述热电转换板安装于侧板的外面，热电转换板连接电池，用于将热量转换为电能并将电能传输到电池中，所述电池连接储气室，所述储气室采用注射器式的水电解装置，储气室连接推杆的一端，推杆的另一端与可调扩张板铰接。
所述驱动单元设有两组，分别驱动上下两组可调收缩板和可调扩张板。
所述热电转换板采用耐高温的硅锗合金。
所述电池通过推杆座与圆转方固定框铰接；所述推杆通过推杆座与可调扩张板铰接。
所述两个侧板分别与圆转方固定框的两个相对侧边通过螺栓固定连接。
所述侧板、可调收缩板、可调扩张板的表面均有耐高温涂层。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、斜激波是旋转爆震发动机损失的主要因素，本发明通过设计合理的型面使得在各种工况下的斜激波的损失保持在较低水平。斜激波造成的能量损失跟激波前相对气流角相关，通过调节到合适激波前相对气流角就可以有效减小斜激波损失。本发明通过设计合理的型面，在各种工况下的线型都能得到比较理想的激波前相对气流角，从而减小发动机中斜激波造成的能量损失，同时也能通过调节喉道面积和出口面积来增大发动机推力。
2、通过本发明可大大地节约能源，特殊的型面能使得斜激波损失达到最小，热电转换板能将部分无法利用的喷管废热转换为电能，为整个可调装置提供动力。
3、本发明调节范围广泛，能同时调节喉道面积和出口面积，可以适应全速域的工作条件。
4、本发明的结构简单，普通的可调喷管型面或复杂或不符合调节规律，本发明依据激波前相对气流角设计的型面克服了以上缺点，型面简单且符合调节规律，工程量较小的同时能尽量减少斜激波损失。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的部分结构示意图；
图3为本发明的可调收缩板和可调扩张板的结构示意图；
图4为本发明所涉及的喷管内壁面相对气流速度及激波与气流夹角变化规律曲线；
图5为本发明的电池、储气室、推杆和推杆座的结构示意图。
其中：圆转方固定框1，侧板2，可调收缩板3，可调扩张板4，热电转换板5，电池6，储气室7，推杆8，推杆座9。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
本实例提供一种基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，参见图1～2，包括圆转方固定框1、侧板2、可调收缩板3、可调扩张板4、热电转换板5、电池6、储气室7、推杆8、推杆座9；所述侧板2、可调收缩板3和可调扩张板4分别设有两个，所述热电转换板5、电池6、储气室7、推杆8和推杆座9构成驱动单元，所述驱动单元设有两组，分别用于驱动上下两组可调收缩板3和可调扩张板4；
所述圆转方固定框1是由圆形燃烧室末端过渡到矩形喷管入口的框架，其圆形端固定到燃烧室出口，矩形端与喷管入口相连，即矩形端的上下两边分别与两个可调收缩板3的一端相连，所述两个可调收缩板4的另一端分别与两个可调扩张板4的一端转动连接；所述侧板2是四边形或其他多边形平板，两个侧板2上分布有对称的4条弧线形凹槽，用于可调收缩板3和可调扩张板4的支撑和移动；具体地，两个侧板2分别与圆转方固定框1的两个较短相对侧边通过螺栓固定连接。
参见图3，所述可调收缩板3和可调扩张板4是具有特殊型面的平板，其基于旋转爆震传入喷管形成的螺旋斜激波损失机制而设计，该型面能使得可调喷管在各马赫数下的斜激波损失最小；可调收缩板3和可调扩张板4连接处有通孔，可以利用一根转轴进行连接，使两者能相对转动；可调收缩板3和可调扩张板4的外端两侧有凸出圆柱，作为滑块用于可调收缩板3和可调扩张板4的支撑和移动。具体地，所述侧板2、可调收缩板3、可调扩张板4的表面均有耐高温涂层。
参见图4，为喷管内壁面处相对气流速度及激波与气流夹角变化规律曲线，波前相对流场速度与激波夹角呈现近似反相关趋势，激波前流速越快，激波夹角越小，基于此原理设计所述可调收缩板3和可调扩张板4特殊型面。
参见图5，所述热电转换板5安装于侧板2的外面，热电转换板5连接电池6，用于将热量转换为电能并将电能传输到电池中，所述电池6通过一推杆座9与圆转方固定框1铰接，并电连接储气室7，所述储气室7采用注射器式的水电解装置，储气室7连接推杆8的一端，推杆8的另一端通过一推杆座9与可调扩张板4铰接；其中，所述注射器外筒式的储气室7通过电解水发生氧化还原反应改变储气室7内的气体体积，推动注射器内芯式的推杆8。
本发明的原理如下：
所述上下两组可调收缩板3和可调扩张板4构成喷管的喉道和出口。所述热电转换板5采用耐高温的硅锗合金，能将喷管产生的部分热量转换为电能，电能通过耐高温电线传输到电池6中，为整个可调装置提供动力。储气室7是一圆柱形注射器式的水电解装置，通过电解水产生氢气和氧气改变储气室内气体体积大小，推动推杆8，从而调节可调扩张板和可调收缩板，改变出口面积和喉道面积。当注射器外筒式的储气室7电解水产生氢气和氧气，推动注射器内芯推杆8向外移动，可使喷管出口面积和喉道面积扩大。当注射器外筒式的储气室7的氢气和氧气反应生成水，使注射器内芯推杆8向内移动，可使喷管出口面积和喉道面积缩小。可调收缩板和可调扩张板由侧板上的凹槽和滑块来支撑和移动。由于可调收缩板3和可调扩张板4都是基于旋转爆震传入喷管形成的螺旋斜激波损失机制，即喷管激波角(周向截面)随激波前相对气流角(气流相对于激波运动的角度)的增大而增大的原理进行设计，在调节喉道面积和出口面积的过程中，可以使得斜激波损失最小，从而减小整个喷管的能量损失，同时也能通过调节喉道面积和出口面积来增大发动机推力。
斜激波损失主要在于激波旋转过程中对喷管流场做功和流场穿过激波所造成的消耗，主要影响因素是激波强度和激波角度，本发明从激波角度的方向来减少斜激波损失。喷管激波角随着激波前相对气流角的增大而增大，所以激波前相对气流角是决定激波角度的重要因素。激波前相对气流角即是气流相对于激波运动的角度。激波前相对气流角是由激波运动速度(爆震波速度)及喷管设计马赫数的轴向分布所决定的。本发明基于此，设计出最优的喷管激波结构，得到喷管马赫数分布规律，进而获得可调收缩板和可调扩张板的线型，以及可调收缩板和可调扩张板的变化规律、侧板的凹槽形状，从而在宽速域下改变旋转爆震发动机的喉道面积和出口面积，调节旋转爆震发动机的流量，同时保持激波前相对气流角在合理范围，减小斜激波损失，获得相对较大的推力和相对较小的能耗，实现旋转爆震发动机的高效工作。

Claims (7)

1.基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：包括圆转方固定框、两个侧板、两个可调收缩板、两个可调扩张板；
所述圆转方固定框的圆形端与燃烧室出口连接，圆转方固定框的矩形端的上下两边分别与两个可调收缩板的一端相连，所述两个可调收缩板的另一端分别与两个可调扩张板的一端通过转轴连接，由此上下两组可调收缩板和可调扩张板构成喷管的喉道和出口；
所述两个侧板分别设于可调收缩板和可调扩张板连接形成的两侧面；所述侧板上设有弧线形凹槽，所述可调收缩板和可调扩张板上均设有与弧线形凹槽适配的滑块，以使可调收缩板和可调扩张板沿着弧线形凹槽滑动；
所述可调收缩板和可调扩张板的型面是基于旋转爆震传入喷管形成的螺旋斜激波损失机制而设计；
所述可调收缩板和可调扩张板的型面设计基于喷管激波角随激波前相对气流角的增大而增大的原理，利用特征线法求解爆震喷管设计参数，得到管内激波做功能力的最优解，从而设计喷管几何型面，使得调节喉道面积和出口面积的同时，减小激波前相对气流角的影响。
2.如权利要求1所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：还包括驱动单元，所述驱动单元包括热电转换板、电池、储气室和推杆，所述热电转换板安装于侧板的外面，热电转换板连接电池，用于将热量转换为电能并将电能传输到电池中，所述电池连接储气室，所述储气室采用注射器式的水电解装置，储气室连接推杆的一端，推杆的另一端与可调扩张板铰接。
3.如权利要求2所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：所述驱动单元设有两组，分别驱动上下两组可调收缩板和可调扩张板。
4.如权利要求2所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：所述热电转换板采用耐高温的硅锗合金。
5.如权利要求2所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：所述电池通过一推杆座与圆转方固定框铰接；所述推杆通过一推杆座与可调扩张板铰接。
6.如权利要求1所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：所述两个侧板分别与圆转方固定框的两个相对侧边通过螺栓固定连接。
7.如权利要求1所述的基于螺旋斜激波运动规律的爆震冲压发动机可调喷管，其特征在于：所述侧板、可调收缩板、可调扩张板的表面均有耐高温涂层。
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