CN108150305B - 一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，包括常规尺度爆震室、收缩喷管和收缩喷管出口面积调节机构，收缩喷管为圆台形结构，收缩喷管的大端与常规尺度爆震室的出口端铰接，收缩喷管出口面积调节机构连接在常规尺度爆震室与收缩喷管之间；收缩喷管包括内交接耳片和外交接耳片；收缩喷管出口面积调节机构的数量与内交接耳片的数量相等，每个收缩喷管出口面积调节机构对应一个内交接耳片，收缩喷管出口面积调节机构包括引流管、微尺度爆震室、气动活塞、弹性组件和铰接杆。本发明采用脉冲爆震发动机自身燃烧产生的能量控制喷管出口面积的调节，以适应不同的爆震情况，使燃气尽可能完全膨胀提高脉冲爆震发动机的效率。

Description

一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管

技术领域

本发明属于脉冲爆震发动机技术领域，具体是涉及一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用周期性爆震波产生的高温高压燃气发出的冲量从尾部排出来产生推力的新型推进***。脉冲爆震发动机爆震燃烧室中可燃混合气燃烧后形成的爆震波能产生极高的燃气压力(1.5MPa～6MPa)和燃气温度(大于2000K)，并且具有较高的速度(2000m/s左右)，同时脉冲爆震发动机不存在涡轮等旋转部件，因此其燃烧近似为等容燃烧，相较于普通涡轮喷气发动机的等压燃烧具有更高的热效率。脉冲爆震发动机的推力会受到填充系数、填充压力、爆震频率等多方面因素影响，提高填充压力会提高脉冲爆震发动机的热效率，而采用收缩喷管会有效的提高填充压力，进而提高效率，增加推力。

Allgood等人通过实验研究认为，最优喷管面积比是填充系数的函数关系。当填充系数小于等于0.5时，最优的结构形式是无尾喷管脉冲爆震发动机；当填充系数增加并达到1时，收敛喷管能够提高推力。在他们的实验中，扩张喷管也能提高性能。但是，与收敛喷管不同，扩张喷管和无喷管对点火延迟敏感。但是，脉冲爆震发动机尾喷管流动是周期性非定常的，存在复杂的激波、膨胀波、接触面的相互作用，即使在同一过程的不同时刻，喷管经历的流态随着填充系数以及填充压力的不同也可能存在较大的差别，因此，如果要使燃气通过收缩喷管尽可能的完全膨胀，就需要采用不同的收缩比喷管，根据空气动力学原理，收缩喷管进口压力越大，要想完全膨胀，收缩比就要越大。

Oran认为微尺度爆震发动机的单位性能可能比常规脉冲爆震发动机的单位性能更高，且应用面更广。实验研究发现，对于微尺度的爆震管，爆震波的传播速度要比常规尺度的传播速度更快。

目前，出口面积不可调尾喷管是脉冲爆震发动机最常用的装置，由于不能实时调节，在使用时很多工况增益效果并不能达到最优。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，有效解决了现有出口面积不可调尾喷管不能根据实际爆震情况最大化的使燃气完全膨胀以提高脉冲爆震发动机效率的缺点，该装置采用脉冲爆震发动机自身燃烧产生的能量控制喷管出口面积的调节，以适应不同的爆震情况，使燃气尽可能完全膨胀提高脉冲爆震发动机的效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：包括常规尺度爆震室、收缩喷管和用于调节收缩喷管出口面积的收缩喷管出口面积调节机构，所述收缩喷管为圆台形结构，所述收缩喷管的大端与常规尺度爆震室的出口端铰接，所述收缩喷管出口面积调节机构位于常规尺度爆震室外，所述收缩喷管出口面积调节机构连接在常规尺度爆震室与收缩喷管之间；

所述收缩喷管包括内交接耳片和外交接耳片，所述内交接耳片和外交接耳片的数量相等且均为多个，所述内交接耳片设置在相邻两个外交接耳片的内侧之间，所述内交接耳片和外交接耳片的大端均与常规尺度爆震室的出口端铰接；

所述收缩喷管出口面积调节机构的数量与内交接耳片的数量相等，每个所述收缩喷管出口面积调节机构对应一个内交接耳片，所述收缩喷管出口面积调节机构包括引流管、微尺度爆震室、气动活塞、弹性组件和铰接杆，所述引流管的一端与微尺度爆震室的一端相连通，所述气动活塞的一端伸入微尺度爆震室的另一端内且能够沿着微尺度爆震室的长度方向滑动，所述气动活塞的另一端与所述弹性组件的一端连接且由弹性组件给气动活塞提供回弹力，所述弹性组件的另一端与铰接杆的一端铰接，所述铰接杆的另一端与对应的内交接耳片的外壁铰接；所述引流管倾斜设置在常规尺度爆震室的外壁上，所述引流管的另一端与常规尺度爆震室相连通。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述弹性组件包括壳体、安装杆、弹簧和固定座，所述固定座安装在壳体的底部，所述安装杆延壳体的中轴线安装在壳体上，所述安装杆的一端位于壳体内，所述安装杆的另一端位于壳体外，所述弹簧的一端与安装杆连接，所述弹簧的另一端与壳体的内壁连接，所述弹簧位于壳体内，位于所述壳体内的安装杆的一端与气动活塞的另一端连接，位于所述壳体外的安装杆的一端端部与铰接杆的一端铰接，所述固定座固定在常规尺度爆震室的外壁上。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述收缩喷管出口面积调节机构、内交接耳片和内交接耳片的数量均为四个，四个所述收缩喷管出口面积调节机构均匀布设在常规尺度爆震室的外壁上。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管与常规尺度爆震室的外壁之间的夹角为30°～45°。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述内交接耳片和外交接耳片的大端均通过转轴与常规尺度爆震室的出口端铰接。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管的长度为1cm～2cm。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管和微尺度爆震室的横截面形状均为圆形，所述引流管和微尺度爆震室的内径相等且最大内径为5mm。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管的另一端与常规尺度爆震室的缓燃向爆震转变段之后相连通。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述内交接耳片和外交接耳片通过卡接板相连接，所述卡接板的形状为“几”字形，所述卡接板的顶部固定在内交接耳片上，所述卡接板两侧的外交接耳片与卡接板相卡接。

上述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：位于所述壳体外的安装杆的一端端部通过铰链与铰接杆的一端铰接，所述铰接杆的另一端通过铰链与对应的内交接耳片的外壁铰接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出的自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，不需要引入外部能量，仅依靠常规尺度爆震室自身燃烧释放出的能量就可以实现喷管收缩比的变化，使发动机在填充系数及填充压力不定的状态下可以自发的改变喷管出口面积，降低了燃气的不完全膨胀带来的损失，提高了发动机的效率。

2、本发明采用脉冲爆震发动机自身燃烧产生的能量控制喷管出口面积的调节，以适应不同的爆震情况，使燃气尽可能完全膨胀提高脉冲爆震发动机的效率。

3、本发明有效解决了现有出口面积不可调尾喷管不能根据实际爆震情况最大化的使燃气完全膨胀以提高脉冲爆震发动机效率的缺点，结构简单、设计合理且使用操作方便。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明收缩喷管的结构示意图。

附图标记说明:

1—常规尺度爆震室；  2—引流管；          3—微尺度爆震室；

4—气动活塞；        5-1—壳体；          5-2—安装杆；

5-3—弹簧；          5-4—固定座；        6—铰接杆；

7—转轴；            8—收缩喷管；        9—内交接耳片；

10—外交接耳片；     11—卡接板。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括常规尺度爆震室1、收缩喷管8和用于调节收缩喷管8出口面积的收缩喷管出口面积调节机构，所述收缩喷管8为圆台形结构，所述收缩喷管8的大端与常规尺度爆震室1的出口端铰接，所述收缩喷管出口面积调节机构位于常规尺度爆震室1外，所述收缩喷管出口面积调节机构连接在常规尺度爆震室1与收缩喷管8之间；

所述收缩喷管8包括内交接耳片9和外交接耳片10，所述内交接耳片9和外交接耳片10的数量相等且均为多个，所述内交接耳片9设置在相邻两个外交接耳片10的内侧之间，所述内交接耳片9和外交接耳片10的大端均与常规尺度爆震室1的出口端铰接；

所述收缩喷管出口面积调节机构的数量与内交接耳片9的数量相等，每个所述收缩喷管出口面积调节机构对应一个内交接耳片9，所述收缩喷管出口面积调节机构包括引流管2、微尺度爆震室3、气动活塞4、弹性组件和铰接杆6，所述引流管2的一端与微尺度爆震室3的一端相连通，所述气动活塞4的一端伸入微尺度爆震室3的另一端内且能够沿着微尺度爆震室3的长度方向滑动，所述气动活塞4的另一端与所述弹性组件的一端连接且由弹性组件给气动活塞4提供回弹力，所述弹性组件的另一端与铰接杆6的一端铰接，所述铰接杆6的另一端与对应的内交接耳片9的外壁铰接；所述引流管2倾斜设置在常规尺度爆震室1的外壁上，所述引流管2的另一端与常规尺度爆震室1相连通。

如图1所示，所述弹性组件包括壳体5-1、安装杆5-2、弹簧5-3和固定座5-4，所述固定座5-4安装在壳体5-1的底部，所述安装杆5-2延壳体5-1的中轴线安装在壳体5-1上，所述安装杆5-2的一端位于壳体5-1内，所述安装杆5-2的另一端位于壳体5-1外，所述弹簧5-3的一端与安装杆5-2连接，所述弹簧5-3的另一端与壳体5-1的内壁连接，所述弹簧5-3位于壳体5-1内，位于所述壳体5-1内的安装杆5-2的一端与气动活塞4的另一端连接，位于所述壳体5-1外的安装杆5-2的一端端部与铰接杆6的一端铰接，所述固定座5-4固定在常规尺度爆震室1的外壁上。

当微尺度爆震室3内的压力增大时，气动活塞4推动安装杆5-2压缩弹簧5-3，收缩喷管8的口径变小；当微尺度爆震室3内的压力变小时，弹簧5-3推动气动活塞4往左运动使弹簧5-3恢复至初始位置，收缩喷管8的口径变大。

弹性组件可以设置填充系数为0.5时，对应的压力为初始位置状态。填充系数是和爆震管里面填充完成燃烧形成爆震波的压力有关的，一个填充系数对应一个压力值，也就是在这个填充系数下设置对应的弹簧5-3刚好处于初始位置，压力增大就压缩弹簧5-3。

本实施例中，所述收缩喷管出口面积调节机构、内交接耳片9和内交接耳片9的数量均为四个，四个所述收缩喷管出口面积调节机构均匀布设在常规尺度爆震室1的外壁上；即四个所述收缩喷管出口面积调节机构沿常规尺度爆震室1的轴向分四组排列，每组之间的夹角为90°。

本实施例中，所述引流管2与常规尺度爆震室1的外壁之间的夹角为30°～45°。

如图1所示，所述内交接耳片9和外交接耳片10的大端均通过转轴7与常规尺度爆震室1的出口端铰接，内交接耳片9和外交接耳片10可以绕着转轴7转动。

本实施例中，所述引流管2的长度为1cm～2cm，引流管2的长度尽可能的小，以保证爆震波更快传到微尺度爆震室3。

本实施例中，所述引流管2和微尺度爆震室3的横截面形状均为圆形，所述引流管2和微尺度爆震室3的内径相等且最大内径为5mm，保证爆震波的传播速度比常规尺度爆震室1的传播速度快。引流管2的内表面光滑，以使爆震波的损失达到最小；且微尺度爆震室3的内表面光滑，以保证气动活塞4滑动流畅。

本实施例中，所述引流管2的另一端与常规尺度爆震室1的缓燃向爆震转变段之后相连通。

如图2所示，所述内交接耳片9和外交接耳片10通过卡接板11相连接，所述卡接板11的形状为“几”字形，所述卡接板11的顶部固定在内交接耳片9上，所述卡接板11两侧的外交接耳片10与卡接板11相卡接。

本实施例中，位于所述壳体5-1外的安装杆5-2的一端端部通过铰链与铰接杆6的一端铰接，所述铰接杆6的另一端通过铰链与对应的内交接耳片9的外壁铰接。

本发明的工作原理为：填充阶段，可燃混合气进入常规尺度爆震室1，在常规尺度爆震室1的左端进行点火，经过常规尺度爆震室1的缓燃向爆震转变段(DDT段)形成爆震波，随后爆震波传播到引流管2，一部分继续在常规尺度爆震室1中向下游传播，一部分流入引流管2中；流入引流管2中的爆震波进入到微尺度爆震室3中传播，由于爆震波在微尺度爆震室3中的传播速度较常规尺度爆震室1中的传播速度快，所以在微尺度爆震室3中的爆震波由于压力的存在，驱动气动活塞4向右移动，气动活塞4中的连杆带动弹性组件向右移动，弹性组件带动铰接杆6转动，铰接杆6连接在收缩喷管8中的内交接耳片9上，铰接杆6移动带动内交接耳片9和外交接耳片10绕着转轴7转动，以改变收缩喷管8的出口面积。以上过程中，气动活塞4以微尺度爆震室3为轨道，实现短距离的周期滑动；气动活塞4应选择耐高温、耐摩擦、阻力小的材质。

弹性组件可以设置基础值，当爆震波压力超过基础值时，气动活塞4向右移动，收缩喷管8的出口面积面小，收缩比变大；当爆震波压力没有超过基础值时，气动活塞4不移动，收缩喷管8与常规尺度爆震室1一样内径，相当于无喷管的情形。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：包括常规尺度爆震室（1）、收缩喷管（8）和用于调节收缩喷管（8）出口面积的收缩喷管出口面积调节机构，所述收缩喷管（8）为圆台形结构，所述收缩喷管（8）的大端与常规尺度爆震室（1）的出口端铰接，所述收缩喷管出口面积调节机构位于常规尺度爆震室（1）外，所述收缩喷管出口面积调节机构连接在常规尺度爆震室（1）与收缩喷管（8）之间；

所述收缩喷管（8）包括内交接耳片（9）和外交接耳片（10），所述内交接耳片（9）和外交接耳片（10）的数量相等且均为多个，所述内交接耳片（9）设置在相邻两个外交接耳片（10）的内侧之间，所述内交接耳片（9）和外交接耳片（10）的大端均与常规尺度爆震室（1）的出口端铰接；

所述收缩喷管出口面积调节机构的数量与内交接耳片（9）的数量相等，每个所述收缩喷管出口面积调节机构对应一个内交接耳片（9），所述收缩喷管出口面积调节机构包括引流管（2）、微尺度爆震室（3）、气动活塞（4）、弹性组件和铰接杆（6），所述引流管（2）的一端与微尺度爆震室（3）的一端相连通，所述气动活塞（4）的一端伸入微尺度爆震室（3）的另一端内且能够沿着微尺度爆震室（3）的长度方向滑动，所述气动活塞（4）的另一端与所述弹性组件的一端连接且由弹性组件给气动活塞（4）提供回弹力，所述弹性组件的另一端与铰接杆（6）的一端铰接，所述铰接杆（6）的另一端与对应的内交接耳片（9）的外壁铰接；所述引流管（2）倾斜设置在常规尺度爆震室（1）的外壁上，所述引流管（2）的另一端与常规尺度爆震室（1）相连通；

所述弹性组件包括壳体（5-1）、安装杆（5-2）、弹簧（5-3）和固定座（5-4），所述固定座（5-4）安装在壳体（5-1）的底部，所述安装杆（5-2）延壳体（5-1）的中轴线安装在壳体（5-1）上，所述安装杆（5-2）的一端位于壳体（5-1）内，所述安装杆（5-2）的另一端位于壳体（5-1）外，所述弹簧（5-3）的一端与安装杆（5-2）连接，所述弹簧（5-3）的另一端与壳体（5-1）的内壁连接，所述弹簧（5-3）位于壳体（5-1）内，位于所述壳体（5-1）内的安装杆（5-2）的一端与气动活塞（4）的另一端连接，位于所述壳体（5-1）外的安装杆（5-2）的一端端部与铰接杆（6）的一端铰接，所述固定座（5-4）固定在常规尺度爆震室（1）的外壁上；

所述收缩喷管出口面积调节机构、内交接耳片（9）和内交接耳片（9）的数量均为四个，四个所述收缩喷管出口面积调节机构均匀布设在常规尺度爆震室（1）的外壁上。

2.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管（2）与常规尺度爆震室（1）的外壁之间的夹角为30°～45°。

3.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述内交接耳片（9）和外交接耳片（10）的大端均通过转轴（7）与常规尺度爆震室（1）的出口端铰接。

4.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管（2）的长度为1cm～2cm。

5.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管（2）和微尺度爆震室（3）的横截面形状均为圆形，所述引流管（2）和微尺度爆震室（3）的内径相等且最大内径为5mm。

6.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述引流管（2）的另一端与常规尺度爆震室（1）的缓燃向爆震转变段之后相连通。

7.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：所述内交接耳片（9）和外交接耳片（10）通过卡接板（11）相连接，所述卡接板（11）的形状为“几”字形，所述卡接板（11）的顶部固定在内交接耳片（9）上，所述卡接板（11）两侧的外交接耳片（10）与卡接板（11）相卡接。

8.按照权利要求1所述的一种自适应脉冲爆震发动机收缩喷管，其特征在于：位于所述壳体（5-1）外的安装杆（5-2）的一端端部通过铰链与铰接杆（6）的一端铰接，所述铰接杆（6）的另一端通过铰链与对应的内交接耳片（9）的外壁铰接。

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