CN201696166U - 一种吸气式脉冲爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吸气式脉冲爆震发动机，沿进气方向依次连接有进气道、掺混蒸发器、爆震室和尾喷管，在进气环腔内沿进气方向依次安装有簧片阀、主燃油喷嘴和放气腔，燃油通过主燃油喷嘴径向喷注；放气腔通过中心体支架的通孔与放气管连通到进气道外壁外；簧片阀保持正向常开状态；起爆管通过安装支架安装在爆震室内，起爆管上安装有引流管、点火器和换热器，尾部侧壁或者尾端面开有若干射流孔；点火器位于起爆管前段，引流管分别开口在爆震室内和起爆管内点火器附近。本实用新型能够在恶劣条件下可靠工作，结构简单，飞行范围宽广，能够实现较小的正向流动阻力，同时抑制和利用反向流动，提高发动机推力。

Description

一种吸气式脉冲爆震发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其是一种吸气式脉冲爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。与常规发动机(如涡轮喷气发动机和活塞发动机等)内的爆燃燃烧不同，脉冲爆震发动机内的燃烧过程是爆震燃烧。相对爆燃循环，爆震循环具有更高的热效率。脉冲爆震发动机单位燃料消耗率低，工作范围宽，结构简单，推重比高，可以适应高速飞行条件，最大飞行马赫数可以达到5，是国内外公认的最具前景的航空航天动力系统。

爆震与爆燃不同的是，其本身具有很高的增压能力，爆震波前后压力比在空气为氧化剂的混合物中可以达到20-40倍，产生的强激波会反向传回进气道，因而爆震燃烧室对进气道的要求很高。为了防止爆震引起的流动振荡导致进气道不启动，脉冲爆震发动机通常需要一个进气道/爆震室隔离段，以阻止在循环的特定时段内爆震从爆震室传入进气道。按照这个隔离段的实现方式，可以将脉冲爆震发动机分为有阀和无阀脉冲爆震发动机两种。有阀脉冲爆震发动机中，隔离段是一个机械阀，安装在爆震室和进气道之间。在爆震起爆、传播和排气过程中，阀门关闭，填充过程中阀门打开。阀门关闭过程中会带来很大的迎风面积，而空气来流的滞止也会产生极大的性能损失。无阀脉冲爆震发动机进气道和爆震室之间的隔离是通过气动力学实现的。这个设计不仅结构简单，而且解决了来流滞止带来的不利影响。

爆震波的形成原理要求气动阀具有正向流阻小，反向流阻大的特点。正向进气阻力小保证脉冲爆震发动机顺利进气；反向流动阻力大，形成近似于封闭的效果，有利于激波的叠加，形成爆震波，同时阻止燃烧产物反向流出发动机，减小和抑制反流引起的负推力。目前脉冲爆震发动机的气动阀都存在正向流动阻力和反流控制不能很好解决的问题。

另外，脉冲爆震发动机的起爆还存在很多问题。多循环脉冲爆震波的起爆方式目前主要分为以下两种：第一种是单级起爆，由弱火花形成爆燃再转变成爆震，通过对点火区的优化设计和强化爆燃向爆震转变结构的使用，可以实现较高频率的爆震起爆，但是这种方法通常都会带来巨大的冲量损失，需要较长的爆燃向爆震转变距离和时间，发动机排气时间较长，不利于爆震频率的进一步提高；第二种是射流起爆，一般是让高敏感性混合气在第一个小燃烧室内被点燃，膨胀，然后通过与主燃烧室的连接通道排入主燃烧室，从而将主燃烧室点燃，一般要求独立的供给系统，需要携带高敏感混合气，增加了发动机的复杂性和重量。

综上所述，脉冲爆震发动机机结构简单，推重比高，但是现有有阀和无阀脉冲爆震发动机均具有不可忽视的缺点：有阀脉冲爆震发动机阀门关闭会带来很大的迎风面积，产生极大的性能损失；而无阀脉冲爆震发动机的气动阀存在正向流动阻力和反流控制不能很好解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术脉冲爆震发动机正向流阻和反流控制的矛盾，本实用新型提供一种吸气式脉冲爆震发动机，能够实现较小的正向流动阻力，同时抑制和利用反向流动，提高发动机推力。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括沿进气方向依次连接的进气道10、爆震室20和尾喷管40，进气道的外壳与进气道中心体12形成了一个环形空腔，即进气环腔，在进气环腔内沿进气方向依次安装有簧片阀13、若干个主燃油喷嘴14和放气腔15，主燃油喷嘴14沿进气道中心体周向均布，燃油通过主燃油喷嘴径向喷注，在进气环腔内形成油幕。中心体支架中开有通孔，放气腔通过中心体支架16的通孔与放气管17连通，放气管17连通到进气道外壁外，开口方向与尾喷管40方向一致。簧片阀13保持正向常开状态，即来流总可以正向流入发动机，爆震室内混合物点火、起爆后，反传激波将簧片阀关闭，反流无法流出进气道，等到发动机内压力降低至来流冲压之下时，簧片阀重新打开。在进气道10和爆震室20之间安装有掺混蒸发器21，点火器22位于爆震室20前段，或者位于起爆管30前段，起爆管30通过安装支架31安装在爆震室20内。当发动机的点火器22位于爆震室20前段掺混蒸发器21之后时，即采用弱火花点火单级起爆，此时实用新型中不包含起爆管30、起爆管支架31、引流管32和射流孔34。此时，换热器33也将安装在爆震室尾部外壁面。但是这种点火方式通常无法实现爆震的快速起爆，特别是难以快速起爆实际应用最期待的低敏感气液两相(比如煤油/空气)爆震波。为了加快爆震波的形成过程，本实用新型将点火器22安装在起爆管30前段，引流管32之后，引流管一端开口在爆震室20内，正对进气道与掺混蒸发器形成的来流通道，另一端开口在起爆管30内点火器22附近起爆管一倍直径范围内。起爆管同时也是发动机内的障碍物和吸热器，可以促进爆震室20内爆震波的快速转变，也可以吸收多循环爆震生成的循环热量，加热燃油和空气。起爆管30通过支架31安装在爆震室20内。起爆管30上安装有引流管32、点火器22和换热器33，尾部侧壁或者尾端面开有若干射流孔34，经起动燃油/氧化剂入口35给起爆管独立供应高敏感燃油/氧化剂。换热器为安装在起爆管尾部外壁面的薄壁腔体，其内腔为螺旋槽结构，主燃油沿螺旋槽道流动，并被循环释热预热。

所述进气道中心体和进气道的外壳能够相对前后移动，从而改变实际有效流通面积。

所述的进气道中心体12可以设计成类似于抽拉天线的多段组合结构，各段间轴向距离可调。簧片阀13安装在进气道中心体12中段。

所述的放气腔15为中心体尾端的一个内凹槽，放气腔可以设计成球形、方形或其他任意形状，吸收前传激波和反流，放气腔通过中心体支架16与放气管17连通，放气管17开口方向与尾喷管50一致，反流进入放气腔15后，经支架16流入放气管17，排出发动机，从而利用反流产生正推力。

所述的掺混蒸发器21结构为文丘里管，前半段为收敛管，后半段为扩张管，同时，掺混蒸发器的型面与放气腔15匹配，即保证掺混蒸发器的型面外延线在放气腔内，引导反流流入放气腔，抑制反流进入进气道。空气和燃油在进气道外壳和中心体形成的进气环腔内掺混后，在掺混蒸发器21的作用下进一步雾化、混合和蒸发。另外，掺混蒸发器能够吸收多循环爆震形成的循环热，加热下一循环的新鲜空气和燃油。

所述的进气道中心体采用超音速进气道中心体或亚音中心体，进气道外壳采用超音速进气道外壳或亚音进气道外壳，分别形成超音速脉冲爆震发动机进气道和气动阀系统或者亚音速脉冲爆震发动机进气道和气动阀系统。

所述的放气腔15内安装有沿进气方向前后作动的阀门19，阀门与放气腔间隙配合，通过电动执行机构、液压或弹簧加爆震室内压力的结构来控制，实现前后作动。阀门19处于放气腔尾端面为其原始关闭状态，发动机内填充的燃油和空气，不会通过放气腔流到爆震室外；发动机点火后，阀门向前作动，反流经放气腔由放气管流出发动机。

当所述的爆震室内径大于15cm时，使用多个并行排列的起爆管，加速爆震波起爆。

所述的主燃油喷嘴也可沿周向均布在进气道外壳上，换热器安装在主爆震室后端，主燃油油路(包括主燃油喷嘴油路入口18、主燃油入口36和换热器主燃油出口37及其之间的连接管路)分布在发动机外，简化发动机内部结构。

所述起爆管包括两种工作模式：其一，发动机起动或者工作条件恶劣(包括高空飞行或机动飞行)时，经起动燃油/氧化剂入口35给起爆管独立供应高敏感燃油/氧化剂混合物(“高敏感”是指易于起爆的燃料/氧化剂混合物，比如燃油/氧气混合物、气态燃料/空气混合物等。)，点火器点火，起爆管可靠起爆，爆震射流通过侧壁或尾端的射流孔34喷入爆震室20，快速起爆主爆震室。这样工作一段时间后(工作时间为10～40s，具体时间与起爆管爆震频率有关，频率越高，时间越短)，发动机壁面温度升高，特别是起爆管温度很高(达500℃)，而起爆管后段安装有换热器33。加热后的燃油能够更快的蒸发，与此同时，来流空气也被发动机壁热进行了加温，这些均提高了主燃油/空气的可爆性。此时，停止供应高敏感燃油/氧化剂，起爆管进入第二种工作模式。预热后的主燃油(比如航空煤油或航空汽油)经管路流入主燃油喷嘴14，在进气道喷射并与来流掺混，之后经掺混蒸发器21强化掺混和蒸发，一部分混合物经引流管32流入起爆管，经点火器点火，实现预爆，爆震射流通过侧壁或者尾端的射流孔34喷入爆震室20，起爆主爆震室。主爆震室起爆后，换热器33将被起爆管和主爆震室同时加热，主燃油的预热效果更好。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的进气道10、掺混蒸发器21和起爆管30，其特点是均能有效抑制和利用反流。其原理是掺混蒸发器21的型面可以将一部分从爆震室20反向传来的激波反射回爆震室，同时将另一部分激波引入放气腔15，发生衍射而衰减，进入放气腔15内的高压燃气经支架16流入放气管17，与尾喷管40同向排入大气，从而利用反流产生了正向推力。经过掺混蒸发器21和放气腔15的衰减，激波强度下降后进入进气环腔，驱动簧片，关闭簧片阀，使得反流无法流出进气道。与此同时，使用起爆管可以加速主爆震室形成爆震，缩短了爆震转变时间和距离，因此可以将爆震室长度大大缩短，这样爆震室排气形成的膨胀波传到进气道的时间大为减小，可以追赶上前传激波，使得反流重新流向尾喷管40。

在多循环过程中，进气道10、爆震室20、掺混蒸发器21和起爆管30在燃烧过程中被加热，液态燃料经过换热器33预热后由主燃油喷嘴14喷注，和被进气道加热的空气在进气环腔混合后，被进气道和掺混蒸发器进一步预热，进入爆震室20和起爆管，液滴部分或者完全蒸发形成的混合物中燃料的蒸气压较高，便于点火和起爆。点火器22在这种预混的可燃混合物中放电后所需要的着火延迟时间较少，起爆管30内径远小于主燃烧室，点火后压力上升的速度明显高于主爆震室直接点火的压力上升速度，因而火焰传播速度能够在较短的距离和时间内达到燃气壅塞速度，从而快速形成激波，进而起始爆震波。多股高温高压射流及其产生的激波从起爆管内射入主爆震室，在主爆震室内形成高温高压热点和局部爆炸，同时由于主燃烧室内高度发展的湍流，使得爆震很快形成，并以极快的速度向两端传播。起爆管30除了起动发动机，提供高能量射流点火，预热燃油外，本身也是主爆震室的促爆障碍物，可以帮助爆震室形成高强度的湍流，和复杂的激波反射、碰撞等，加速主爆震室形成爆震波。

本实用新型获得了能够在恶劣条件下可靠工作的高速脉冲爆震推进装置，结构简单，飞行范围宽广，能够实现较小的正向流动阻力，同时抑制和利用反向流动，提高发动机推力，可作为高速航模、无人机、靶机、亚声速巡航导弹和小型船只等的动力装置。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型的结构剖面图，图1(b)为图1(a)所示旋转90°的剖视图。

图2(a)和(b)分别是带放气腔阀门和不带阀门爆震混合物填充混合过程示意图。

图3是进气道气动阀系统抑制和利用反流原理时序图。

图3(a)为爆震形成时进气道和爆震室前段激波和流动情况示意图。

图3(b)为爆震形成后，激波和流动开始反向传入进气道示意图。

图3(c)为激波和流动进一步反向传播，进入放气腔示意图。

图3(d)为膨胀波反传到爆震室前段示意图。

图3(e)为膨胀波进一步反传，进入进气环腔示意图。

图3(f)为膨胀波反传至簧片阀，反流重新流向尾喷管示意图。

图4是起爆管起爆爆震室原理时序示意图。

图4(a)为起爆管内火花塞点火，生成爆震波，传入爆震室示意图。

图4(b)起爆管传出的爆震射流起爆爆震室内可燃混合物示意图。

图中，10.进气道，11.进气道外壳，12.进气道中心体，13.簧片阀，14.主燃油喷嘴，15.放气腔，16.中心体支架，17.放气管，18.主燃油喷嘴油路入口，19.放气腔阀门，20.爆震室，21.掺混蒸发器，22.点火器，30.起爆管，31.起爆管支架，32.引流管，33.换热器，34.射流孔，35.起动燃油/氧化剂入口，36.主燃油入口，37.换热器主燃油出口，40.尾喷管。

具体实施方式

发动机有两套相互独立的进气进油系统，一个进气道、爆震室、起爆管和尾喷管，进气道10位于发动机的前端，开口向前，如图1(a)，包括进气道外壳11，进气道中心体12，簧片阀13，主燃油喷嘴14，放气腔15，放气管17和主燃油喷嘴油路入口18，中心体支架16与主燃油喷嘴14分布在不同的周向位置，因此图1中没有中心体支架。在另一个方向(旋转90°)的剖面图1(b)上，进气道外壳11通过多个圆周均布的中心体支架16与进气道中心体12相连。进气道外壳11固定不动，可以通过调节进气道中心体12前后轴向位置来调节进气环腔的大小，进而调节空气流量。进气道中心体12可以设计成多段组合结构，各段间轴向距离可调，以满足复杂的工作条件。多个主燃油喷嘴14均布在进气道中心体12上，喷嘴数目根据发动机的尺寸和最大工作频率确定。燃油通过换热器33出口37流入主燃油喷嘴油路入口18经进气道中心体12内部的油路，再由主燃油喷嘴14以一定的角度和粒度径向喷出。放气腔15位于进气道中心体12尾端，通过中心体支架16内的孔道与放气管17连通。放气管17数量可以根据发动机尺寸和放气量取多个对称分布。

簧片阀13处于常开状态，来流经簧片阀流入进气道外壳11和中心体12形成的环腔，与主燃油喷嘴14喷出的燃油掺混，并进一步雾化燃油，形成初步的燃油/空气混合物。混合物顺流而下，在掺混蒸发器21的作用下，进一步混合。在发动机多循环工作条件下，掺混蒸发器21吸收上一个循环高温燃气的部分能量而增温，当下一个循环的燃油/空气混合物从中通过时燃油液滴能够从蒸发器21壁面吸热而蒸发，提高了混合物的可爆性。

使用放气腔阀门19的实施例中，如图2(a)，进一步掺混蒸发后的混合物流入爆震室20时，主流往爆震室下游流动，部分混合物经引流管32流入起爆管30，引流管数量由起爆管尺寸、工作频率及引流管本身尺寸确定，一般是2个以上均布，本图中只画了一个以作示意。引流管32两端开口，一端位于掺混蒸发器流道内正对来流方向，一端伸入起爆管30点火器22附近起爆管一倍直径内。与掺混蒸发器类似，引流管和起爆管，特别是起爆管会吸收上一个循环高温燃气的部分能量而增温，进一步预热起爆管中的混合物，有利于后续的点火和起爆。与此同时，掺混蒸发器、起爆管和换热器等也是主爆震室内的强化爆震转变结构，燃油/空气填充时会形成大量的涡街流动和脱体涡，强化了燃油/空气的混合过程。通过调节放气腔阀门19的轴向位置也可以改变进气道中心体12和掺混蒸发器21间的流道大小，调节进入爆震室的燃油/空气混合物流量，进而调整发动机工作频率，调节发动机推力。

放气腔无阀门的实施例中，如图2(b)，进一步掺混蒸发后的混合物流入爆震室20时，主流往爆震室下游流动，部分混合物经引流管32流入起爆管30，还有少量混合物经放气腔15流入放气管17，排出发动机。

发动机起动和工况恶劣时，由起动燃油/氧化剂入口35经起爆管支架31内的高敏感燃油/氧化剂流道向起爆管供入高敏感燃油/氧化剂，同时打开点火器22，快速起爆起爆管。点火器22及相应的点火系统可以选用常规低能量汽车用火花点火系统，也可以选择等离子点火等其他高频点火系统。点火器22及其线路系统布置在起爆管前支架内，前支架位于引流管32之后，点火器22放电端垂直旋入起爆管前段，布置如图1(b)。起爆管工作一段时间后，换热器33利用循环废热预热换热器内的主燃油，与此同时，来流空气也被发动机壁热加温，提高了主燃油/空气的可爆性。于是，关闭起动燃油/氧化剂入口35，由引流管供应可爆混合物，起爆管转入正常工作模式。燃油换热器33焊接在起爆管30中后段外，因为起爆管内的爆震燃烧和主爆震室内的爆震燃烧均会导致起爆管壁面温度升高，所以起爆管壁面温度最高，需要冷却，提高寿命，同时可以提供最高的换热能力。换热器可以有多种形式，本实例提供的是一种带有内螺旋槽的壳体，前后两端分别与主燃油入口36和主燃油喷嘴油路入口18相连。燃油从主燃油入口36经起爆管支架31内主燃油流路进入换热器，预热的燃油通过换热器燃油出口37通往主燃油喷嘴油路入口18。

起爆过程如图4(a)和4(b)所示，爆震射流经起爆管侧壁或尾端的射流孔34射入爆震室，点燃主爆震室内可爆混合物，并形成高温高压热点和局部爆炸，使得爆震很快形成，并以极快的速度向两端传播。当主爆震室内径较大时，可以使用多根起爆管，利用更多的爆震射流加速主爆震室起爆。

流向尾喷管40的爆震波和燃气排出发动机产生有效推力，反向传播的激波和燃气在掺混蒸发器21的作用下，一部分激波和燃气被反射回去，一部分激波和燃气经放气腔15进入与尾喷管开口同向的放气管17，排出发动机，产生有效的正推力，剩下的被衰减的激波和燃气进入进气环腔，推动簧片阀簧片关闭流道，无法排出进气道。与此同时，由于起爆管的使用，主爆震室内快速起爆，爆震室长度较短，爆震室排气形成的膨胀波不断向前传播，并在进气道内追赶上前传激波，使得进气道内的气流重新流向爆震室。其原理如图3(a)-3(f)所示。从而抑制和利用了反流，提高发动机推力。

发动机油量根据飞行速度和工作频率来计算，其控制可以采用电喷技术或者采用压力控制。发动机起动时先打开起动燃油/氧化剂入口35，向起爆管30供入高敏感/氧化剂，同时打开点火系统，快速起爆，并引射空气进入主爆震室20，引射量与起爆管工作频率和尺寸有关。当起爆管工作一段时间后，主燃油油路打开，然后关闭起动燃油/氧化剂入口35，根据来流流量调整起爆管点火频率，起爆发动机。发动机进入脉冲爆震工作模态，随着速度的逐步增加，进气流量增加，随之增加燃油流量并提高点火频率，推力增大，飞行速度继续增加，直至达到设计点。推力大小还可以通过进气环腔的大小来控制，同时对应调节燃油流量和点火频率。当增加进气环腔的流通面积时，来流流量增加，对应增加燃油流量，提高点火频率，于是推力增大，反之亦然。

Claims (8)

1.一种吸气式脉冲爆震发动机，包括沿进气方向依次连接的进气道、爆震室和尾喷管，其特征在于：进气道的外壳与进气道中心体形成了一个环形空腔，即进气环腔，在进气环腔内沿进气方向依次安装有簧片阀、若干个主燃油喷嘴和放气腔，主燃油喷嘴沿进气道中心体周向均布，燃油通过主燃油喷嘴径向喷注，在进气环腔内形成油幕；中心体支架中开有通孔，放气腔通过中心体支架的通孔与放气管连通，放气管连通到进气道外壁外，开口方向与尾喷管方向一致；簧片阀保持正向常开状态；在进气道和爆震室之间安装有掺混蒸发器，起爆管通过安装支架安装在爆震室内，起爆管上安装有引流管、点火器和换热器，尾部侧壁或者尾端面开有若干射流孔，经起动燃油/氧化剂入口给起爆管独立供应高敏感燃油/氧化剂；点火器位于起爆管前段，引流管一端开口在爆震室内，正对进气道与掺混蒸发器形成的来流通道，另一端开口在起爆管内点火器附近起爆管一倍直径范围内；换热器为安装在起爆管尾部外壁面的薄壁腔体，其内腔为螺旋槽结构，主燃油沿螺旋槽道流动，并被循环释热预热。

2.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的进气道中心体和进气道的外壳能够相对前后移动。

3.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的进气道中心体为多段组合结构，各段间轴向距离可调；簧片阀安装在进气道中心体中段。

4.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的掺混蒸发器结构为文丘里管，前半段为收敛管，后半段为扩张管，掺混蒸发器的型面与放气腔匹配。

5.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的进气道中心体采用超音速进气道中心体或亚音中心体，进气道外壳采用超音速进气道外壳或亚音进气道外壳，分别形成超音速脉冲爆震发动机进气道和气动阀系统或者亚音速脉冲爆震发动机进气道和气动阀系统。

6.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的放气腔内安装有沿进气方向前后作动的阀门，阀门与放气腔间隙配合，通过电动执行机构、液压或弹簧加爆震室内压力的结构来控制，实现前后作动。

7.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的所述的爆震室内径大于15cm时，使用多个并行排列的起爆管。

8.根据权利要求1所述的一种吸气式脉冲爆震发动机，其特征在于：所述的主燃油喷嘴沿周向均布在进气道外壳上，换热器安装在主爆震室后端，主燃油油路分布在发动机外。

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