CN115750138A - 一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机技术领域，公开了一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机及设计方法，包括用于在点火之后形成高速的旋转爆震波的环形燃烧室，环形燃烧室后端连接有尾喷管，尾喷管里侧设置有整流叶栅，整流叶栅用于将带有较大旋转速度的高速气流转化成轴向流动的高速气流，使高速气流沿轴向方向喷出燃烧室。本发明为提高环形旋转爆震发动机推进性能、减小因出口高速气流带有较大的旋转速度导致的性能损失，提出一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机；在尾喷管内加入该种符合气动规律的整流叶栅，将带有较大旋转速度的高速气流转化成轴向流动的高速气流，让高速气流沿轴向方向喷出燃烧室，进而提高环形旋转爆震发动机的推进性能。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机及设计方法。
背景技术
目前，旋转爆震发动机是一种利用一个或多个爆震波在环形燃烧室内连续燃烧传播，进而产生推力的新概念发动机。燃料从燃烧室入口喷注，点火起爆之后产生一个或者多个爆震波在环形燃烧室内沿周向连续旋转传播，高压爆震产物迅速膨胀，从燃烧室另一端高速排出，从而产生推力。当燃烧室中燃烧完毕区域相应压力低于充填压力时，新鲜燃料再次填充，从而形成连续旋转爆震。连续旋转爆震发动机与传统的脉冲爆震发动机相比较，其优势在于仅需一次点火即可连续工作，不需要频繁地点火，对点火系统的依赖程度相对较小，极大的延长了点火系统的使用寿命。另外，由于旋转爆震波传播频率高(可达到几千赫兹)，因此旋转爆震发动机能够提供相对稳定的推力。目前对于环形旋转爆震发动机出口高速气流转向研究仅有利用涡轮静叶片，使旋转爆震发动机与涡轮导向器进行耦合，尚未有在喷管内直接转向的研究。
连续旋转爆震发动机是继脉冲爆震发动机之后，受到国内外广泛关注的一种新型空天推进技术，已然成为空天推进领域新的发展趋势之一。环形旋转爆震发动机由于其推力性能优秀、工作范围宽、结构简单，是各国主要研究方向。但是由于环形旋转爆震发动机出口气流具有较大的旋转速度，而这部分速度不能直接产生推力，导致了环形旋转爆震发动机巨大的性能损失。
为实现环形旋转爆震发动机推进性能的提高，人们提出增加尾喷管来提高环形旋转爆震发动机推进性能，但是增加尾喷管并没有解决出口气流带有的高速旋转气流导致的性能损失。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
由于环形旋转爆震发动机出口气流具有较大的旋转速度，导致了环形旋转爆震发动机巨大的性能损失。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机及设计方法。
本发明是这样实现的，一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机包括：
环形燃烧室，用于在点火之后形成高速的旋转爆震波；
环形燃烧室后端连接有尾喷管，所述尾喷管里侧设置有整流叶栅，所述整流叶栅用于将带有较大旋转速度的高速气流转化成轴向流动的高速气流，使高速气流沿轴向方向喷出燃烧室。
进一步，所述环形燃烧室左端连通有环形的燃料入口和空气入口，所述空气入口位于中间通道，燃料入口位于外侧且具有多个入口。
进一步，所述空气入口里侧设置有堵头，空气入口与堵头之间夹设有环缝，通过控制环缝大小控制空气流量。
进一步，所述燃料入口和空气入口形成60度-120度夹角，空气与燃料成该角度喷入燃烧室中。
本发明的另一目的在于提供一种用于带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的设计方法，所述带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的设计方法包括：
通过CFD三维仿真计算得到环形旋转爆震发动机出口气流速度分布；
根据速度分布设计尾喷管整流叶栅与轴向方向的夹角；
再设计导流叶栅的攻角、形状、弦长。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明为提高环形旋转爆震发动机推进性能、减小因出口高速气流带有较大的旋转速度导致的性能损失，提出一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机。首先需要通过计算得到环形旋转爆震发动机出口气流的速度分布，然后设计整流叶栅的攻角、弦长和最大厚度等。在尾喷管内加入该种符合气动规律的整流叶栅，将带有较大旋转速度的高速气流转化成轴向流动的高速气流，使旋转速度以较小的损失转化为轴向速度，让高速气流沿轴向方向喷出燃烧室，进而提高环形旋转爆震发动机的推进性能。
本发明能够使带有较大旋转速度的高速出口气流以与整流叶栅较小夹角通过尾喷管整流叶栅，将旋转速度转化为轴向速度，让高速出口气流沿轴向方向喷出，进而提高环形旋转爆震发动机实际推进性能。
本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：根据已有CFD仿真结果表明，环形旋转爆震发动机出口气流约有20％-30％的速度为旋转速度，不能直接产生推力。将这部分速度转化为轴向速度，预计可以提高环形旋转爆震发动机15％左右推力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的剖面图；
图3是本发明实施例提供的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的右视图；
图中：1、燃料入口；2、空气入口；3、环形燃烧室；4、整流叶栅。
图4(a)和(b)分别为仿真得到的沿环形燃烧室的轴向速度和旋转速度分布曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机包括燃料入口1、空气入口2、环形燃烧室3、整流叶栅4。
燃料通过燃料入口1进入到环形旋转爆震发动机的环形燃烧室3中。
空气通过空气入口2进入到环形旋转爆震发动机的环形燃烧室3中，通过控制环缝大小控制空气流量。为提高燃料掺混效果，空气与燃料形成一定角度喷入燃烧室中。
环形燃烧室3用于点火之后燃烧室内形成高速的旋转爆震波。
整流叶栅4，带有旋转速度的高速气流在该区域转化成只带有轴向速度的高速气流，进而提高旋转爆震发动机的推进性能。
本发明实施例在尾喷管内加入整流叶栅，使带有较大旋转速度的高速出口气流以与整流叶栅较小夹角通过尾喷管整流叶栅，将旋转速度转化为轴向速度，让高速出口气流沿轴向方向喷出，进而提高环形旋转爆震发动机实际推进性能。
本发明实施例首先需要通过计算得到环形旋转爆震发动机出口气流速度分布，根据速度分布设计尾喷管整流叶栅与轴向方向的夹角，将带有较大旋转速度的高速气流以较小的损失转化成轴向流动的高速气流，为减小反射激波对燃烧室造成的影响，还需要设计导流叶栅的攻角、形状、弦长，并最终提高环形旋转爆震发动机的推进性能；
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明实施例提供了一种飞行器动力系统，所述飞行器动力系统设置有所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机。
本发明实施例提供了一种高超声速飞行器，所述高超声速飞行器设置有所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机。
发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
该图为仿真得到的沿环形燃烧室的轴向速度和旋转速度分布曲线图，从图中可以看出，环形旋转爆震发动机具有很大的旋转速度，而旋转速度不能直接做功，可以通过整流叶栅使气流完全转化为轴向速度，提高发动机的推进性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机，其特征在于，所述带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机包括：
环形燃烧室，用于在点火之后形成高速的旋转爆震波；
环形燃烧室后端连接有尾喷管，所述尾喷管里侧设置有整流叶栅，所述整流叶栅用于将带有较大旋转速度的高速气流转化成轴向流动的高速气流，使高速气流沿轴向方向喷出燃烧室。
2.如权利要求1所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机，其特征在于，所述环形燃烧室左端连通有环形的燃料入口和空气入口，所述空气入口位于燃料入口中间。
3.如权利要求3所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机，其特征在于，所述空气入口里侧设置有堵头，空气入口与堵头之间夹设有环缝，通过控制环缝大小控制空气流量。
4.如权利要求3所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机，其特征在于，所述燃料入口和空气入口形成一定夹角，空气与燃料成一定角度喷入燃烧室中。
5.一种用于权利要求1～4任意一项所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的设计方法，其特征在于，所述带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机的设计方法包括：
通过计算得到环形旋转爆震发动机出口气流速度分布；
根据速度分布设计尾喷管整流叶栅与轴向方向的夹角；
设计导流叶栅的攻角、形状、弦长。
6.一种飞行器动力系统，其特征在于，所述飞行器动力系统设置有权利要求1～4任意一项所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机。
7.一种高超声速飞行器，其特征在于，所述高超声速飞行器设置有权利要求1～4任意一项所述的带尾喷管流道约束的环形旋转爆震发动机。
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