CN204984642U - 瓣膜式脉动喷气发动机 - Google Patents

Abstract

一种瓣膜式脉动喷气发动机，包括进气道、燃烧室、尾喷管和单向阀装置，单向阀装置包括基座、两片阀瓣单元和轴。阀瓣单元本身结构设计为：以半圆形金属板为主体，在半圆形金属板的直径处有空心圆柱，空心圆柱内有孔，轴与孔进行配合形成转动副；阀瓣单元有扇形限位结构，其扇形平面与所述空心圆柱垂直，扇形限位结构的存在使得阀瓣单元张开的最大角度通过机械结构得以确定；基座设有轴孔，轴两端分别固定在轴孔内；基座腔内有凸台作为限位结构，两个阀瓣单元展开关闭时其边缘与凸台接触，使得阀瓣单元复位时的位置得以确定。本实用新型参考心脏瓣膜结构改进单向阀，以实现发动机整体寿命的提高。

Description

瓣膜式脉动喷气发动机

技术领域

本实用新型涉及一种脉动喷气发动机。

背景技术

二战末期，德国的“V型飞弹”以AS-014脉动喷气发动机为动力在英格兰南部造成了极大的恐慌。这种造价低廉、生产率极高和有着超越大多数装备活塞发动机飞机速度的飞行器至今仍活跃在影视、文学和电子游戏中。从1777年人们首次发现脉动燃烧开始，其以燃烧强度高、传热系数大、氮氧化物排放量小、能自吸气和增压，以及装置结构紧凑等优点受到了人们的广泛关注。以脉动燃烧为基础的脉动喷气发动机也以其结构简单、体积小、成本低廉获得了不少关注；但是由于噪声、振动、单向阀寿命低等缺陷其发展受到了限制。自能源危机以来，脉动喷气发动机以其燃烧效率高和低排放的优势又受到了关注。

目前脉动喷气发动机一般按单向阀形式进行分类，可分为无阀式(气动阀)、有阀式(机械阀)两类。

无阀式利用机械结构使得混合气流入时阻力小而流出时阻力大，虽然避免了机械阀损坏的问题，但往往进气道结构复杂、反向阻流时使发动机失去自吸气能力，同时会产生较大的漏气，降低发动机效率。

有阀式又可分为簧片式、旋转式、膜片式三种。簧片式是最早使用的形式，以一对方形金属片作为阀门，其一端固定于进气格栅上，另一端相互挤压形成单向阀。旋转式是用电机带动阀筒与开孔的外壁进行配合，实现单向阀的开合，由于结构复杂、精度要求高而很少应用。膜片式是目前应用最广的一种，其利用一梅花状金属片作为单向阀，通过金属片的弹性形变实现单向阀的开合。

实用新型内容

本实用新型涉及有阀的膜片式脉动喷气发动机。

鉴于有阀式脉动喷气发动机寿命低的特点，而无阀式脉动喷气发动机对于原本不高的发动机性能有一定的牺牲，因此本实用新型以单向阀的改进作为重点和技术改创突破点。本实用新型参考心脏瓣膜结构改进单向阀，以实现发动机整体寿命的提高。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种瓣膜式脉动喷气发动机，

包括进气道1，进气道1设有安装定位槽11；

还包括燃烧室5，燃烧室5设有燃烧室安装槽51；

还包括尾喷管6，连接于燃烧室5后端；

其特征在于，还包括单向阀装置，该装置包括基座2、两片阀瓣单元3、轴4，先将两片阀瓣单元3、轴4都安装于基座2内，再以基座2作为整体安装节分别嵌入进气道1的安装定位槽11内和燃烧室安装槽51内；

阀瓣单元3本身结构设计为：以半圆形金属板33为主体，在半圆形金属板33的直径处有空心圆柱34，空心圆柱34内有孔32，轴4与孔32进行配合形成转动副；阀瓣单元3有扇形限位结构31，其扇形平面与所述空心圆柱34垂直，扇形限位结构31的存在使得阀瓣单元3张开的最大角度通过机械结构得以确定；

基座2设有轴孔23，轴4两端分别固定在轴孔23内；基座2腔内有凸台22作为限位结构，两个阀瓣单元3展开关闭时其边缘与凸台22接触，使得阀瓣单元3复位时的位置得以确定。

以上技术方案是仿照心脏瓣膜结构，采用转动副和限位机构的设计方案替代心肌的运动，设计出一种具有较高寿命的单向阀，以此在不降低脉动喷气发动机性能的前提下增加其寿命。

本实用新型的有益效果是：能够在不降低脉动喷气发动机性能的前提下通过增加单向阀的寿命实现增加发动机整体寿命、提高发动机可靠性的目的。

本实用新型技术方案可用于小型航模、靶机的动力源和农药喷洒的气源。因此，本实用新型发动机可应用于靶机、农药喷洒器。

附图说明

图1为本实用新型的整体的装配图

图2为阀瓣单元展开状态局部结构示意图。

图3为阀瓣单元被推开时状态的局部结构示意图。

图4为分解装配图。

图5-1为阀瓣单元三视图之左视图。

图5-2为阀瓣单元三视图之主视图。

图5-3为阀瓣单元三视图之右视图。

图6为轴及危险截面示意图。

图7为现有技术中膜片式单向阀脉动喷气发动机结构示意图。

图8为图7中膜片式单向阀的阀片轴向视角示意图。

具体实施方式

以下结合附图对对本实用新型技术方案做详细说明。

实施例1

一、瓣膜式脉动喷气发动机的结构

一种瓣膜式脉动喷气发动机，包括进气道1，进气道1设有安装定位槽11。进气道装备油针在进气同时进行燃油雾化，产生混合气。进气道1内径先缩小以增加气流速度改善雾化质量，在雾化完成后扩大内径实现减速增压，以提供良好的燃烧条件。

还包括燃烧室5，设有燃烧室安装槽51。燃烧室5用于固定尾喷管，同时也与进气道一同作为发动机使用安装架时的主要受力部件。

还包括尾喷管6，连接于燃烧室5后端。尾喷管用于加速气流产生推力。

还包括单向阀装置，该装置包括基座2、两片阀瓣单元3、轴4，先将两片阀瓣单元3、轴4都安装于基座2内，再以基座2作为整体安装节分别嵌入进气道1的安装定位槽11内和燃烧室安装槽51内；

阀瓣单元3本身结构设计为：以半圆形金属板33为主体，在半圆形金属板33的直径处有空心圆柱34，空心圆柱34内有孔32，轴4与孔32进行配合形成转动副；阀瓣单元3有扇形限位结构31，其扇形平面与所述空心圆柱34垂直，扇形限位结构31的存在使得阀瓣单元3张开的最大角度通过机械结构得以确定；

基座2设有轴孔23，轴4两端分别固定在轴孔23内；基座2腔内有凸台22作为限位结构，两个阀瓣单元3展开关闭时其边缘与凸台22接触抵制，使得阀瓣单元3复位时的位置得以确定。

二、安装过程：

将两个阀瓣单元3置于基座2内，再从上至下将轴4安装进去，各孔轴配合均为间隙配合。

将基座2前段部分配合于进气道1的安装定位槽11内。

再将燃烧室5的安装节槽51与基座2的后段部分进行配合。

最后，用螺栓将尾喷管6固定于燃烧室5上。

三、本实施例单向阀装置的扇形限位结构31的扇形角度α设计为120°。该核心装置的工作过程：

1)、初始状态如图2所示。初次启动需用高压空气向进气道1供气，空气经进气道1加速通过油针对燃油进行雾化形成混合气，而后在进气道1中减速增压为高效燃烧提供基础。

2)、当混合气行进至单向阀装置前，其压力高于燃烧室5内部空气压力使得两个半圆形金属板33绕轴4转动，打开阀瓣单元3，如图3。

3)、当混合气进入燃烧室5后，由火花塞进行点燃，此时产生高压气体使得单向阀装置前后压力差方向相反。两个半圆形金属板33受压力回转使闭合直至半圆形金属板33接触到基座2上的凸台22复位限位结构，又回到了初始位置，如图2所示的状态，即准备下次开启。

一方面，基座2具备限位结构，使得阀瓣单元3复位时的位置得以确定。

另一方面，要确保两个半圆形金属板33可靠回转，设计时要考虑扇形限位结构31的角度大小。若没有扇形限位结构31，图3状态中的两片阀瓣单元3就会重叠在一起(夹角为接近于0或者完全贴合夹角为0)，当燃烧室混合气点燃后，气流压力对阀瓣单元3产生对轴的力矩不足以推动阀瓣单元3回转，单向阀即失去作用。

由于扇形限位结构31的作用，扇形限位结构31其扇形角度为120°，如此使得两阀瓣单元的张开角度不会小于120°。

α的取值范围取决于基座开口的半径R(或者是半圆形金属板的半径R)和成品发动机的通气量U。由于保持着α张角，在阀瓣单元3开启时(如图3所示)其轴向投影面积为S，S作为气流压力作用面积，必须使阀瓣单元3有机会回转闭合的能力，因此R、U给定后，S有最小值，因此，α必然也有最小值限制。由几何关系可知α的最大值为180°。本实施例，图3中α取值为120°。

4)、气体由尾喷口喷出，将关闭状态的对两个半圆形金属板33施加反作用力，即推力，保持如图2所示的状态。

5)、排气后燃烧室5中气体压力接近大气压，温度随后降低使空气压力小于大气压，两个半圆形金属板33前后的压力方向再次反转，打开单向阀装置如图3，实现自吸气。

6)、而后重复上述循环，两个半圆形金属板33绕着轴4来回开闭，直至轴4的危险截面41由于疲劳而断裂，阀瓣单元3就失去其功能。

四、有益效果的对比、分析

本领域公知，脉动喷气发动机寿命低的原因主要是由于单向阀易于损坏。已有的有阀式脉动喷气发动机多采用金属片作为其单向阀，利用热循环各过程间金属片两侧的气体压力差使金属产生弹性形变，实现单向阀的开合。金属片在发动机运行过程中以50Hz左右的频率不断震动，反复的弹性形变带来的高循环疲劳应力和燃烧带来的热应力作用于仅有1毫米厚的金属片上，其寿命可想而知不会太高。

膜片式发动机是目前应用最广的一种，以一梅花状金属片7固定在开有环形分布小孔的圆柱上，后面还有一锥体用于限位(如图7)。

如图7所示为现有技术中膜片式单向阀脉动喷气发动机结构示意图，图中以一梅花状金属片7(阀片)固定在开有环形分布小孔的圆柱上，后面还有一锥体8用于限位。(来源http://tieba.baidu.com/p/1960154489)。图8为图7中膜片式单向阀的阀片轴向视角示意图。

此种发动机工作过程：初次启动需用高压空气向进气道供气，空气经进气道中的油针雾化燃油形成混合气。混合气压力高于燃烧室内部空气压力使得梅花状阀片发生弹性形变，打开单向阀。当前后压力差过大时，阀片变形后与限位锥体接触，避免发生塑性形变，失去单向阀的作用。混合气进入燃烧室后，由火花塞进行点燃，产生高压气体使得单向阀前后压力方向反转，阀片闭合堵住圆柱上的小孔，单向阀关闭。气体由尾喷口喷出，对单向阀与圆柱施加反作用力，即推力。排气后燃烧室中气体压力接近大气压，温度随后降低使空气压力小于大气压，单向阀前后的压力方向再次反转，实现自吸气。而后重复上述循环，直至阀片由于疲劳而断裂，单向阀失去其功能。

由于整个发动机的寿命受到危险截面的强度限制，而危险截面的强度仅与截面积成正比关系。对于膜片式脉动喷气发动机，其危险截面71为梅花状阀片(如图7、图8)基部的最小圆周截面，其厚度受到弹性形变需求的限制不能超过1mm，每个“梅花瓣”最小宽度不会超过8mm，每个阀片上有10瓣，总面积约为80mm²。

而对于本实用新型，其危险截面41为轴4在两阀瓣单元的孔配合处的截面(如图6)，轴4的半径为10mm的圆截面，其面积为314mm²，因此，本实用新型显著增加了危险截面的面积，从而在抵抗疲劳时拥有更长的寿命。

本实用新型参考心脏瓣膜结构，利用转动副和限位结构代替原有的金属弹性形变单向阀，在保障发动机性能的前提下提高了单向阀的寿命，进而提高了发动机整体的寿命。

Claims (1)

1.一种瓣膜式脉动喷气发动机，

包括进气道，进气道设有安装定位槽；

还包括燃烧室，燃烧室设有燃烧室安装槽；

还包括尾喷管，连接于燃烧室后端；

其特征在于，还包括单向阀装置，该装置包括基座、两片阀瓣单元、轴，先将两片阀瓣单元、轴都安装于基座内，再以基座作为整体安装节分别嵌入进气道的安装定位槽内和燃烧室安装槽内；

阀瓣单元本身结构设计为：以半圆形金属板为主体，在半圆形金属板的直径处有空心圆柱，空心圆柱内有孔，轴与孔进行配合形成转动副；阀瓣单元有扇形限位结构，其扇形平面与所述空心圆柱垂直，扇形限位结构的存在使得阀瓣单元张开的最大角度通过机械结构得以确定；

基座设有轴孔，轴两端分别固定在轴孔内；基座腔内有凸台作为限位结构，两个阀瓣单元展开关闭时其边缘与凸台接触，使得阀瓣单元复位时的位置得以确定。