CN104265506B - 脉冲爆震发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉冲爆震发动机，其包括：燃料供给装置，提供燃料并输出燃料蒸气；引爆装置；以及爆震燃烧装置。引爆装置包括：至少一个起爆管，各起爆管的一端连通燃料供给装置；点火器，设置在对应一个起爆管连通燃料供给装置的一端处，用于将燃料供给装置输出的且进入起爆管内的燃料蒸气点燃；以及第一进气道，设置于对应一个起爆管的前端，向该对应一个起爆管输入空气。爆震燃烧装置包括：至少一个主爆管，各主爆管的前部连通燃料供给装置而中部连通对应一个起爆管的另一端；第二进气道，设置于对应一个主爆管的前端，向该对应一个主爆管输入空气；以及喷管，设置于对应一个主爆管的后端。本发明的脉冲爆震发动机能形成稳定传播的爆震波。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种脉冲爆震发动机。
背景技术
脉冲爆震发动机是利用爆震波产生推力的一种动力装置。爆震波实际是一个激波后面紧跟一个燃烧波，以2000m/s～3000m/s的速度传播。脉冲爆震发动机结构简单，热效率高。相对其它等压燃烧发动机以等容燃烧工作的脉冲爆震发动机效率可达47％。脉冲爆震发动机比燃料消耗率低，比冲大，因此在无人机、导弹等方面具有很好的应用前景。
国内外对脉冲爆震发动机进行了大量研究，比如美国海军研究生院提出了同轴脉冲爆震发动机，美国NASA、AMES等研究中心也提出了单管电磁阀控制脉冲爆震发动机，国内的西北工业大学、南京航空航天大学等单位也进行了脉冲爆震发动机的基础研究工作，例如于2008年3月19日公布的中国专利申请公布号为CN101144442A的专利文献公开了一种多管脉冲爆震燃烧室及其起爆方法、于2007年8月8日公布的中国专利申请公布号为CN101012786A的专利文献公开了一种高频脉冲爆震发动机及其控制方法。脉冲爆震发动机的核心问题是在主爆管(爆震室)内产生稳定的脉冲爆震波。
经典循环过程的脉冲爆震发动机主要包括气动阀、爆震室、尾喷管、供给以及控制***。在工作时，发动机的一端喷注燃料和氧化剂，混合物被引爆，产生爆震波，高温高压气体从尾喷管排出。通常来说引爆方式有两种，为直接引爆和间接引爆。直接引爆需要高能点火***，如对碳氢燃料点火能量在100kJ量级。一般的电子点火器点火能量只有100mJ的量级不能满足点火要求。目前高能点火***主要有瞬态等离子点火或高能电容点火***。由于每一个工作循环都需要高能点火***，功率要求非常高。这种点火***比较庞大，很难小型化、轻型化。间接引爆方式通常需要一个起爆管。起爆管实际上是一个小的爆震管，但是由于管径小，对点火***的要求较低，通常的电子点火器能够满足点火引爆要求。起爆管一般具有一定长度，主要是为了完成爆燃向爆震转换(DDT)过程。用小的点火能量引爆产生爆燃波，爆燃波传播转换成爆震波去引爆爆震室混合物是起爆管的主要特点。如果点火能量较低，爆燃向爆震转换时间和距离都会变长，为了加快爆燃向爆震的转换可在起爆管内开设螺纹或者增加扰流器。
脉冲爆震发动机分为吸气式和火箭式，一般都为双组元推进***。常见的液体燃料/空气脉冲爆震发动机，利用雾化喷嘴直接把燃油喷射到爆震室中，再进行引爆。燃料雾化过程对爆震波的产生影响很大，有时候即使用很大能量的点火***发动机也会经常点火失败。例如，雾化油滴直径不超过10微米时才能快速产生爆震波，如果超过40～70微米，很难产生爆震波。有时候即使雾化效果很好，由于点火能量不高，为了完成DDT过程形成爆震燃烧，爆震室的尺寸很大。
总之，目前常见的液体燃料脉冲爆震发动机大多情况下燃油雾化、直接点火引爆、完成DDT过程形成爆震燃烧在同一个爆震室内进行，爆震室尺寸很大，结构复杂。雾化效果、点火引爆能量、DDT距离和时间等对爆震波的产生影响很大，它们和爆震燃烧等问题相互关联，耦合在一起，一旦出现问题很难弄清楚原因，大大限制了脉冲爆震发动机的进一步发展和应用。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种脉冲爆震发动机，其能形成稳定传播的爆震波。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲爆震发动机，其爆震室爆震波的形成不依赖高能点火装置、无需复杂的雾化装置。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲爆震发动机，其在脉冲爆震发动机发生问题时便于查找原因。
为了实现上述目的，本发明提供了一种脉冲爆震发动机，其包括：燃料供给装置，提供燃料并输出燃料蒸气；引爆装置；以及爆震燃烧装置。引爆装置包括：至少一个起爆管，各起爆管的一端连通燃料供给装置；点火器，设置在对应一个起爆管连通燃料供给装置的一端处，用于将燃料供给装置输出的且进入起爆管内的燃料蒸气点燃；以及第一进气道，设置于对应一个起爆管的前端，向该对应一个起爆管输入空气。爆震燃烧装置包括：至少一个主爆管，各主爆管的前部连通燃料供给装置而中部连通对应一个起爆管的另一端；第二进气道，设置于对应一个主爆管的前端，向该对应一个主爆管输入空气；以及喷管，设置于对应一个主爆管的后端。
本发明的有益效果如下：
本发明将多个物理过程相互分离，即在燃料供给装置内获得燃料蒸气，在起爆管内完成DDT过程获得高能的用于点着主爆管内可燃混气的爆震波，起爆管中完成DDT过程，主爆管完成爆震燃烧过程，由于主爆管专门用于稳定爆震波的产生，因此主爆管的结构简单、尺寸小，第二进气道后端和爆震室前端不需要复杂的雾化喷嘴或其他雾化装置。此外，在脉冲爆震发动机发生问题时便于查找原因。
本发明的脉冲爆震发动机不依赖高能点火***、不需要复杂的燃料雾化以及相关装置，并且把现有的爆震室内的DDT过程和爆震燃烧分开进行，能够使爆震波充分发展和稳定燃烧、工作频率很高并且可调；解决了现有脉冲爆震发动机的燃料雾化喷射、点火、DDT、爆震燃烧等多个过程同时在一个爆震燃烧室内进行使得发动机很难形成稳定传播的爆震波，并且爆震室爆震波的形成严重依赖高能点火装置、雾化效果等问题。
附图说明
图1为根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例的结构示意图；
图2为根据本发明的脉冲爆震发动机的工作原理图；
图3为根据本发明的脉冲爆震发动机的燃料供给装置的结构示意图；
图4为根据本发明的脉冲爆震发动机的爆震燃烧装置的结构示意图；
图5为根据本发明的脉冲爆震发动机的引爆装置的结构示意图；
图6为根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例的结构示意图；
图7为根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1燃料供给装置3爆震燃烧装置
11压气机31主爆管
12盘旋预热管32第二进气道
2引爆装置33喷管
21起爆管4控制器
22点火器S燃料喷射器
23第一进气道
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的脉冲爆震发动机。
参照图1至图7，根据本发明的脉冲爆震发动机包括：燃料供给装置1，提供燃料并输出燃料蒸气；引爆装置2；以及爆震燃烧装置3。引爆装置2包括：至少一个起爆管21，各起爆管21的一端连通燃料供给装置1；点火器22，设置在对应一个起爆管21连通燃料供给装置1的一端处，用于将燃料供给装置1输出的且进入起爆管21内的燃料蒸气点燃；以及第一进气道23，设置于对应一个起爆管21的前端，向该对应一个起爆管21输入空气。爆震燃烧装置3包括：至少一个主爆管31，各主爆管31的前部连通燃料供给装置1而中部连通对应一个起爆管21的另一端；第二进气道32，设置于对应一个主爆管31的前端，向该对应一个主爆管31输入空气；以及喷管33，设置于对应一个主爆管31的后端。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，参照图2，燃料供给装置1提供燃料并输出燃料蒸气，燃料蒸气经分流，一部分燃料蒸气进入引爆装置2的起爆管21且与第一进气道23输入的空气混合形成可燃混气，点火器22将起爆管21内的该可燃混气点火引爆，完成爆燃向爆震转换(DDT)过程，产生高速爆震波(图2中的(A)，为了方便理解，以E示出高速爆震波)。另一部分燃料蒸气喷射进入爆震燃烧装置3的主爆管31且与第二进气道32输入的空气混合形成可燃混气，主爆管31的该可燃混气由起爆管21射入的高速爆震波在主爆管31的前端引爆且在主爆管31内形成快速爆震燃烧(图2中的(B)，流向如箭头方向所示)，此时，爆震燃烧装置3的第二进气道32关闭、起爆管21关闭，形成的燃烧爆震波高速向下游传播(图2中的(C)，流向如箭头方向所示)，且快速爆震燃烧产生的高温燃气经喷管33排出(图2中的(D)，流向如箭头方向所示)，由此使得脉冲爆震发动机产生推力，完成一个工作循环。此后，膨胀波反向传播，主爆管31内压力降低，第二进气道32打开，起爆管21打开，进入下一个工作周期。
本发明将多个物理过程相互分离，即在燃料供给装置1内获得燃料蒸气，在起爆管21内完成DDT过程获得高能的用于点着主爆管31内可燃混气的爆震波，起爆管21中完成DDT过程，主爆管31完成爆震燃烧过程，由于主爆管31专门用于稳定爆震波的产生，因此主爆管31的结构简单、尺寸小，第二进气道32后端和主爆管31前端不需要复杂的雾化喷嘴或其他雾化装置。
本发明的脉冲爆震发动机不依赖高能点火***、不需要复杂的燃料雾化以及相关装置，并且把现有的爆震室内的DDT过程和爆震燃烧分开进行，能够使爆震波充分发展和稳定燃烧、工作频率很高并且可调；解决了现有脉冲爆震发动机的燃料雾化喷射、点火、DDT、爆震燃烧等多个过程同时在一个爆震燃烧室内进行使得发动机很难形成稳定传播的爆震波，并且爆震室爆震波的形成严重依赖高能点火装置、雾化效果等问题。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，燃料供给装置1提供的燃料可为液体燃料。在一实施例中，液体燃料可为煤油、汽油中的至少一种。
在根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例中，燃料供给装置1可为雾化器或蒸发器，以提供燃料并输出燃料蒸气。燃料供给装置1与爆震燃烧装置3内的爆震波的产生不直接相关，容易控制，所受限制少。
在燃料供给装置1的一实施例中，参照图3和图6，燃料供给装置1可具有：压气机11，分别设置在燃料供给装置1连通起爆管21的一端处及和燃料供给装置1连通主爆管31的前部的一端处，以对从燃料供给装置1供给到引爆装置2的起爆管21中的燃料进行压力调节以及对燃料供给装置1供给到主爆管31中的燃料进行压力调节。
在燃料供给装置1的一实施例中，燃料供给装置1还可具有：流量控制器(未示出)，分别设置在燃料供给装置1连通起爆管21的一端处及和燃料供给装置1连通主爆管31的前部的一端处，用于控制由燃料供给装置1进入起爆管21的燃气的流量及由燃料供给装置1进入主爆管31的燃气的流量。
在燃料供给装置1的一实施例中，参照图3、图6和图7，燃料供给装置1的底部可设置有盘旋预热管12。在一实施例中，盘旋预热管12采用的预热气可来自燃烧废气。在一实施例中，盘旋预热管12设置有调压阀(未示出)与传感器(未示出)，用于控制盘旋预热管12内预热气的流量。
在根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例中，起爆管21内部可设置有扰流器(未示出)或螺旋纹(参照图1至图7)。起爆管21中的可燃混气由点火器22引爆，燃烧波向下游运动，经过内壁扰流以及螺旋弯可以加速燃烧波向爆震波的转换，从而缩短DDT过程的时间和长度。
在一实施例中，起爆管21的内径可为10mm～25mm，展开长度可为2m～3m。采用管径小的起爆管21易于产生爆震波。为了满足高频引爆要求，可以增加多个起爆管21(即一个主爆管31可对应多个起爆管21)相互配合协调工作。即使多个起爆管21，由于尺寸小，结构轻巧，额外增加的重量不多。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，起爆管21可采用韧性好易于弯曲加工的轻质材料制成。
在根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例中，主爆管31的内径可为300mm～800mm，长度可为1m～2m。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，主爆管31可采用轻质高性能材料制成。由此可以降低质量并得到更好的散热。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，参照图1、图2、图4、图6和图7，对应一个主爆管31的前部连通燃料供给装置1的内壁处可设置有燃料喷射器S；对应一个主爆管31的中部连通起爆管21的内壁处可设置有燃料喷射器S。在一实施例中，燃料喷射器S的喷注方式为多孔喷射，喷射位置均匀布置。在一实施例中，燃料喷射器S的喷注方式为对冲喷射或交错喷射。
在根据本发明的脉冲爆震发动机中，参照图7，当起爆管21的数量大于1时且主爆管31的数量大于1时，相应的一个起爆管21和相应的一个主爆管31构成一组，且各组之间交替工作。在图7示出的例子中，有两组主爆管31和起爆管21相互协调工作，由此可以使得脉冲爆震发动机的工作频率大大提高。具体地，在图7中，当上部的主爆管31在一个工作循环中由起爆管21射入的高速爆震波起爆管21时，下部的燃料供给装置1开始工作并将燃料供给到下部的起爆管21，这样两组交替工作。当然，本发明不限于此，为了进一步提高工组频率，还可以采用两组以上主爆管31和起爆管21相互协调工作。
在根据本发明的脉冲爆震发动机的一实施例中，参照图1、图2、图6和图7，所述脉冲爆震发动机还可包括：控制器4，通信连接燃料供给装置1、引爆装置2、以及爆震燃烧装置3。具体地，控制器4通过通信连接可以控制燃料供给装置1与引爆装置2之间的连通、第一进气道23的启闭、燃料供给装置1与爆震燃烧装置3的连通、点火器22的点火、第二进气道32的启闭等。
本发明的脉冲爆震发动机可以用于多种小型飞行器，是一种非常有发展前途的航天航空推进***中的动力装置。
Claims (10)
1.一种脉冲爆震发动机，其特征在于，包括：
燃料供给装置(1)，提供燃料并输出燃料蒸气；
引爆装置(2)，包括：
至少一个起爆管(21)，各起爆管(21)的一端连通燃料供给装置(1)；
点火器(22)，设置在对应一个起爆管(21)连通燃料供给装置(1)的一端处，用于将燃料供给装置(1)输出的且进入起爆管(21)内的燃料蒸气点燃；以及
第一进气道(23)，设置于对应一个起爆管(21)的前端，向该对应一个起爆管(21)输入空气；以及爆震燃烧装置(3)，包括：
至少一个主爆管(31)，各主爆管(31)的前部连通燃料供给装置(1)而中部径向连通对应一个处于该主爆管(31)外的起爆管(21)的另一端；
第二进气道(32)，设置于对应一个主爆管(31)的前端，向该对应一个主爆管(31)输入空气；以及
喷管(33)，设置于对应一个主爆管(31)的后端。
2.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，燃料供给装置(1)为雾化器或蒸发器。
3.根据权利要求2所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，燃料供给装置(1)具有：
压气机(11)，分别设置在燃料供给装置(1)连通起爆管(21)的一端处及和燃料供给装置(1)连通主爆管(31)的前部的一端处。
4.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，燃料供给装置(1)还具有：
流量控制器，分别设置在燃料供给装置(1)连通起爆管(21)的一端处及和燃料供给装置(1)连通主爆管(31)的前部的一端处，用于控制由燃料供给装置(1)进入起爆管(21)的燃气的流量及由燃料供给装置(1)进入主爆管(31)的燃气的流量。
5.根据权利要求2所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，燃料供给装置(1)的底部设置有盘旋预热管(12)。
6.根据权利要求5所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，盘旋预热管(12)设置有调压阀与传感器，用于控制盘旋预热管(12)内预热气的流量。
7.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，起爆管(21)内部设置有扰流器或螺旋纹。
8.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，
对应一个主爆管(31)的前部连通燃料供给装置(1)的内壁处设置有燃料喷射器(S)；
对应一个主爆管(31)的中部连通起爆管(21)的内壁处设置有燃料喷射器(S)。
9.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，当起爆管(21)的数量大于1时且主爆管(31)的数量大于1时，相应的一个起爆管(21)和相应的一个主爆管(31)构成一组，且各组之间交替工作。
10.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机，其特征在于，所述脉冲爆震发动机还包括：
控制器(4)，通信连接燃料供给装置(1)、引爆装置(2)、以及爆震燃烧装置(3)。
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