CN108915893B - 一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机，包括进配气装置和发动机主体；若干所述螺旋爆轰管按气室中心螺旋均布固定在发动机出口盖板和发动机闭口盖板之间；所述进配气装置包括气体氧化剂入口管、燃料气进气支管、气体氧化剂进气支管和气体氧化剂室盖板；所述气室内通过隔板分割成燃料气室和气体氧化剂室，所述燃料气室与若干所述螺旋爆轰管通过若干所述燃料气进气支管连通，所述气体氧化剂室与燃料气进气支管之间设有气体氧化剂室盖板，所述气体氧化剂进气支管连通气体氧化剂室与螺旋爆轰管。本发明可以大大缩短发动机的水平长度，可大幅提高发动机的工作频率，有利于发动机持续平稳输出动力。

Description

一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机

技术领域

本发明涉及于航空推进技术领域，特别涉及一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机。

背景技术

作为燃烧波的一种，爆轰波是由强激波和紧随其后的剧烈放热区组成。激波压缩反应物，就像在反应物和产物间的活塞，由于没有足够的时间平衡压力，使得爆轰波近似于等容燃烧，而基于等容燃烧的发动机比基于等压燃烧的发动机具有更高的热效率。高的热循环效率这一潜在优势驱动着人们对以爆轰为基础的动力装置的研究。

脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲式爆轰波产生推力的新概念发动机，与传统发动机相比脉冲爆轰发动机具有热循环效率高、结构简单、推重比大、工作范围宽等优点，但为了持续输出强劲推力，要求发动机具有较高的工作频率，同时还需要在尽可能短的距离内产生稳定爆轰波，以减小发动机的结构尺寸。目前针对脉冲爆轰发动机采用较多的是直管式，而由于爆轰波较难直接触发，通常需要通过火焰加速、热点爆炸等过程逐渐完成缓燃向爆轰的转捩，进而形成具有强大推力的爆轰波，因此直管式爆轰发动机长度普遍较长。对于同一种可燃混合物，在相同初始条件下在相同直径及壁面条件的管道内，形成稳定爆轰波的距离是相同的，而轴向展开长度相同的螺旋管道的水平长度明显小于直管。同时螺旋管道由于管道壁面与管道端面并不垂直，而激波在管道内的反射会加速爆轰波的形成。因此相对于直管，螺旋管可缩短起爆距离，进而缩短发动机的水平长度。文献《螺旋式脉冲爆震发动机实验研究》的研究结果也证实了这一结论。随后公开号为CN 103899436A的专利和公开号为CN 106704036A的专利中都涉及到螺旋式脉冲爆轰发动机，并都采用了在圆环形壳体内布置多个槽道(爆轰室)的形式，但两个专利中相邻爆轰室紧密相连，不存在间隙，不利于发动机散热。且均存在运动部件和密封件等，因此结构相对复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机，结构简单、工作频率高、具备散热能力并能加速爆轰波。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机，包括进配气装置和发动机主体；所述发动机主体包括发动机出口盖板、螺旋爆轰管、发动机闭口盖板和气室；所述气室固定在所述发动机出口盖板与发动机闭口盖板之间，若干所述螺旋爆轰管按气室中心螺旋均布固定在发动机出口盖板和发动机闭口盖板之间；所述螺旋爆轰管上设有火花塞；

所述进配气装置包括气体氧化剂入口管、燃料气进气支管、气体氧化剂进气支管和气体氧化剂室盖板；所述气室内通过隔板分割成燃料气室和气体氧化剂室，所述气体氧化剂入口管插入燃料气室，并穿过隔板进入气体氧化剂室；所述燃料气室与若干所述螺旋爆轰管通过若干所述燃料气进气支管连通，所述燃料气室上设有燃料气入口管；所述气体氧化剂室与燃料气进气支管之间设有气体氧化剂室盖板，所述气体氧化剂室盖板安装气体氧化剂进气支管，所述气体氧化剂进气支管连通气体氧化剂室与螺旋爆轰管。

进一步，靠近发动机出口盖板处的所述气体氧化剂室底部设有导流块。

进一步，所述导流块为W形导流块，所述W形导流块中心与气体氧化剂入口管同轴。

进一步，插入所述气体氧化剂室的所述气体氧化剂入口管一端成楔形；所述气体氧化剂入口管、气体氧化剂室和W形导流块形成W通道。

进一步，所述燃料气进气支管垂直于燃料气室。

进一步，所述气体氧化剂进气支管为渐缩管，所述气体氧化剂室通过所述气体氧化剂进气支管渐缩连通所述螺旋爆轰管。

进一步，所述气体氧化剂进气支管与气体氧化剂入口管的气流方向成锐角。

进一步，所述燃料气进气支管上安装第二电磁阀；所述气体氧化剂进气支管上安装第一电磁阀。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，所述螺旋爆轰管螺旋均布固定在发动机出口盖板和发动机闭口盖板之间，气体氧化剂在流经气体氧化剂室时可吸收螺旋爆轰管产生的余热，提高进气温度，进而加快反应速率，加速爆轰波的形成。

2.本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，通过气体氧化剂入口管、气体氧化剂室和W形导流块形成W通道，可以减小气体氧化剂在转弯处的流动阻力。

3.本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，通过气体氧化剂进气支管与气体氧化剂入口管的气流方向成锐角，以促进燃料气与气体氧化剂的混合并避免因氧化剂不够而造成点火失败。

4.本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，通过所述气体氧化剂进气支管为渐缩管，由于截面突变，流动阻力较大，为减小气体氧化剂从气体氧化剂室进入螺旋爆轰管时的压力。

5.本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，不存在任何运动部件，结构简单，且相邻爆轰管间存在间隙，具备一定的散热能力。使用了螺旋爆轰管，可大大缩短发动机的水平长度，使用了多根管道，可大幅提高发动机的工作频率，有利于发动机持续平稳输出动力，同时由于气体氧化剂室被沿圆周布置的螺旋爆轰管环绕，能吸收部分发动机余热，提高进气温度，加快反应速度，有利于促进爆轰波的形成。

附图说明

图1为本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机立体图。

图2为本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机剖视图。

图3为本发明所述的W通道X正向速度分布云图。

图4为现有技术中方形通道X正向速度分布云图。

图中：

1-发动机出口盖板；2-螺旋爆轰管；3-发动机闭口盖板；4-气体氧化剂入口管；5-燃料气入口管；6-火花塞；7-燃料气室；8-燃料气进气支管；9-气体氧化剂进气支管；10-气体氧化剂室；11-导流块；12-气体氧化剂室盖板；13-第一电磁阀；14-第二电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，包括进配气装置和发动机主体；所述发动机主体包括发动机出口盖板1、螺旋爆轰管2、发动机闭口盖板3和气室；所述气室固定在所述发动机出口盖板1与发动机闭口盖板3之间，如图2所示，所述气室一端穿过发动机闭口盖板3，所述气室另一端与发动机出口盖板1齐平。若干所述螺旋爆轰管2按气室中心螺旋均布固定在发动机出口盖板1和发动机闭口盖板3之间；每个所述螺旋爆轰管2上都设有火花塞6；如图2所示，每个所述螺旋爆轰管2一端与发动机闭口盖板3焊接固定，每个所述螺旋爆轰管2另一端穿过发动机出口盖板1，用于输出爆轰波。

所述进配气装置包括气体氧化剂入口管4、燃料气进气支管8、气体氧化剂进气支管9和气体氧化剂室盖板12；所述气室内通过隔板分割成燃料气室7和气体氧化剂室10，所述气体氧化剂入口管4插入燃料气室7，并穿过隔板进入气体氧化剂室10；所述燃料气室7与若干所述螺旋爆轰管2通过若干所述燃料气进气支管8连通，所述燃料气室7上设有燃料气入口管5；所述气体氧化剂室10与燃料气进气支管8之间设有气体氧化剂室盖板12，所述气体氧化剂室盖板12上安装气体氧化剂进气支管9，所述气体氧化剂进气支管9连通气体氧化剂室10与螺旋爆轰管2。本发明所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，在气体氧化剂流经气体氧化剂入口管4、气体氧化剂室10时，气体氧化剂可吸收部分发动机余热，提高进气温度，进而加速化学反应速率，促进爆轰波的形成，缩短爆轰波形成距离。如图所示，所述螺旋爆轰管2的数量为6个。

如图2所示，靠近发动机出口盖板1处的所述气体氧化剂室10底部设有导流块11。所述导流块11为W形导流块，所述W形导流块中心与气体氧化剂入口管4同轴。插入所述气体氧化剂室10的所述气体氧化剂入口管4一端成楔形；所述气体氧化剂入口管4、气体氧化剂室10和W形导流块形成W通道。利用CFD软件模拟相同边界条件下本发明所涉及的W形通道与方形通道内气体流动情况，可得到如图3和图4所示的通道内气体流动的X向分速度云图，图中仅显示X向速度为正的部分。对于气体氧化剂入口4内的气体，X向分速度为正值表示流体沿X轴正向向前传播。由于气体氧化剂室10内的气体需要流向气体氧化剂进气支管9并最终进入螺旋爆轰管2内，因此气体氧化剂室10内的气体主要向X轴负向流动。如果气体流动的X向分速度为正值，则表示该部分流体流动方向与主流部分流动方向相反，即出现了回流。由于回流区流体流动方向与主流的流动方向相反，对流体主流流动构成一定的阻碍。从图3和图4中可以看出在方形通道内形成的回流区域明显大于本文所涉及的W形通道，即方形通道内流体流动阻力大于W形通道内的流体流动阻力。同时注意到在方形通道右侧的直角处同样也出现了回流区域，而W形通道中除了在气体氧化剂室10一端的楔形壁面附近形成了回流区，并没有形成其他的回流区。综合上述分析，安装在气体氧化剂室10底部正对气体氧化剂入口4的W形导流块11可以减小气体氧化剂在管道内转向时的流动阻力。

所述气体氧化剂进气支管9为渐缩管，所述气体氧化剂室10通过所述气体氧化剂进气支管9渐缩连通所述螺旋爆轰管2。燃料气室7处于气体氧化剂室10的上游，且燃料气进气支管8垂直于螺旋爆轰管2所在圆周轴线，而气体氧化剂进气支管9与燃料气进气支管8成锐角布置，且气体氧化剂进气支管9的出口朝向燃料气进气支管8一侧，使得进入螺旋爆轰管2内的气体氧化剂具有向上游流动的速度，可加速燃料气与氧化剂的混合并有效避免因氧化剂不足而点火失效的情况。

在气体氧化剂和燃料气进入螺旋爆轰管2之后，可通过火花塞6进行点火燃烧，燃烧火焰在螺旋爆轰管2内经过火焰加速等过程最终形成爆轰波，产生推力。

在燃料气进气支管8和气体氧化剂进气支管9上分别安装有第二电磁阀14和第一电磁阀13，采用电子控制器控制第一电磁阀13、第二电磁阀14和火花塞6的通/断可使得螺旋爆轰管2按照特定规律实现充气、点火燃烧、形成爆轰等工作过程，以持续对外输出推力。

本发明使用的是螺旋爆轰管，可大大缩短发动机水平长度，由于使用的是多管道，可大幅提高发动机的工作频率，有利于发动机持续平稳输出动力，且相临管道间存在一定间隙，使得发动机具有一定的散热能力。同时由于气体氧化剂室被沿圆周布置的螺旋爆轰管环绕，能吸收部分发动机余热，提高进气温度，加快反应速率，有利于促进爆轰波的形成。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多管螺旋式脉冲爆轰发动机，其特征在于，包括进配气装置和发动机主体；

所述发动机主体包括发动机出口盖板(1)、螺旋爆轰管(2)、发动机闭口盖板(3)和气室；所述气室固定在所述发动机出口盖板(1)与发动机闭口盖板(3)之间，若干所述螺旋爆轰管(2)按气室中心螺旋均布固定在发动机出口盖板(1)和发动机闭口盖板(3)之间；所述螺旋爆轰管(2)上设有火花塞(6)；

所述进配气装置包括气体氧化剂入口管(4)、燃料气进气支管(8)、气体氧化剂进气支管(9)和气体氧化剂室盖板(12)；所述气室内通过隔板分割成燃料气室(7)和气体氧化剂室(10)，所述气体氧化剂入口管(4)插入燃料气室(7)，并穿过隔板进入气体氧化剂室(10)；所述燃料气室(7)与若干所述螺旋爆轰管(2)通过若干所述燃料气进气支管(8)连通，所述燃料气室(7)上设有燃料气入口管(5)；所述气体氧化剂室(10)与燃料气进气支管(8)之间设有气体氧化剂室盖板(12)，所述气体氧化剂室盖板(12)上安装气体氧化剂进气支管(9)，所述气体氧化剂进气支管(9)连通气体氧化剂室(10)与螺旋爆轰管(2)；靠近发动机出口盖板(1)处的所述气体氧化剂室(10)底部设有导流块(11)；所述导流块(11)为W形导流块(11)，所述W形导流块(11)中心与气体氧化剂入口管(4)同轴；插入所述气体氧化剂室(10)的所述气体氧化剂入口管(4)一端成楔形；所述气体氧化剂入口管(4)、气体氧化剂室(10)和W形导流块(11)形成W通道。

2.根据权利要求1所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，其特征在于，所述燃料气进气支管(8)垂直于燃料气室(7)。

3.根据权利要求1所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，其特征在于，所述气体氧化剂进气支管(9)为渐缩管，所述气体氧化剂室(10)通过所述气体氧化剂进气支管(9)渐缩连通所述螺旋爆轰管(2)。

4.根据权利要求1所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，其特征在于，所述气体氧化剂进气支管(9)与气体氧化剂入口管(4)的气流方向成锐角。

5.根据权利要求1所述的多管螺旋式脉冲爆轰发动机，其特征在于，所述燃料气进气支管(8)上安装第二电磁阀(14)；所述气体氧化剂进气支管(9)上安装第一电磁阀(13)。

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