CN203962199U - 一种高频脉冲爆震燃烧动力装置 - Google Patents

Abstract

一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，包括从左至右依次相连的脉冲爆震燃烧室、尾喷管和多级串联增推结构；其中，脉冲爆震燃烧室包括从左至右依次相连的燃烧室头部端盖、燃烧室点火段、燃烧室起爆段和燃烧室爆震段，燃烧室爆震段的右端与尾喷管相连；燃烧室头部端盖上设有主喷嘴，主喷嘴上设有主喷嘴空气管路和主喷嘴燃料管路；燃烧室点火段的周向上设有火花塞；燃烧室起爆段和燃烧室爆震段的周向沿轴向方向上等间距设有若干辅助喷嘴，辅助喷嘴上设有辅助喷嘴空气管路和辅助喷嘴燃料管路。本实用新型可减小燃烧室的填充时间，提高发动机的工作频率，增加发动机单位时间所产生的推力；此外，在尾喷管设计了多级串联增推结构，进一步提高发动机的推力。

Description

一种高频脉冲爆震燃烧动力装置

【技术领域】

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种高频脉冲爆震燃烧动力装置。

【背景技术】

爆震燃烧是燃烧的另一种方式，其与缓燃燃烧过程不同，爆震燃烧过程非常迅速，可产生超声速燃烧波，即爆震波。爆震波的传播是通过冲击波对可爆震混合物逐层强烈冲击压缩作用使其发生高速化学反应来实现的，因此可以认为爆震波是耦合化学反应的强激波。爆震燃烧的传播速度远远大于缓燃燃烧的传播速度，一般在10³m/s量级。与缓燃燃烧相比，爆震燃烧具有自增压、火焰传播速度快、燃烧效率高、污染物排放低等优点，将爆震燃烧替代传统动力装置中的等压燃烧，开发基于爆震循环的新型动力装置可提高现有能源的利用效率。

脉冲爆震发动机是一种利用间歇性爆震燃烧产生高温、高压燃气来产生推力的新概念推进装置。按照是否自带氧化剂，脉冲爆震发动机分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。爆震燃烧的起爆方式分为直接起爆和间接起爆两种，前者需要巨大的点火能量，后者则通过爆燃向爆震转变逐渐形成爆震波，即先采用较小的点火能量形成爆燃波，然后通过火焰与压缩波在爆震室内的相互作用最终形成爆震波，这段从爆燃向爆震转变的距离称为DDT，DDT的长短主要由燃烧室大小和燃料特性等参数决定。考虑到实用性，脉冲爆震发动机一般采用间接起爆的方式获得爆震波，这使燃烧室的长度必须大于DDT，为了保证燃烧室燃料大部分是以爆震燃烧释热，一般设计燃烧室长度为DDT距离的4至5倍。而传统吸气式和火箭式脉冲爆震发动机的进气方式都采用从脉冲爆震燃烧室头部进气的方式，这在某种程度上影响了燃烧室的填充时间，致使发动机工作频率随燃烧室长度的增加而减小。同时由于脉冲爆震发动机工作频率不高，与传统一直处于填充、燃烧状态的等压燃烧室相比，传统脉冲爆震发动机燃烧室在单位时间内填充的燃料较小，致使脉冲爆震发动机单位时间内产生的推力较低，这阻止了脉冲爆震发动机的应用步伐。

综述分析可看出，虽然爆震燃烧与传统等压燃烧相比具有优势，但脉冲爆震发动机仍存在以下主要问题：1)脉冲爆震发动机工作频率低，易受燃烧室长度限制；2)脉冲爆震发动机单位时间产生的推力较小。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于解决传统脉冲爆震发动机工作频率低、频率受燃烧室长度限制、发动机单位时间产生的推力小等问题，提供了一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其能缩短脉冲爆震燃烧室的填充时间，增加发动机单位时间内产生的推力，同时可解决发动机工作频率受限于燃烧室长度的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，包括从左至右依次相连的脉冲爆震燃烧室、尾喷管和多级串联增推结构；其中，

脉冲爆震燃烧室包括从左至右依次相连的燃烧室头部端盖、燃烧室点火段、燃烧室起爆段和燃烧室爆震段，燃烧室爆震段的右端与尾喷管相连；燃烧室头部端盖上设有主喷嘴，主喷嘴上设有主喷嘴空气管路和主喷嘴燃料管路；燃烧室点火段的周向上设有火花塞；燃烧室起爆段和燃烧室爆震段的周向沿轴向方向上等间距设有若干辅助喷嘴，辅助喷嘴上设有辅助喷嘴空气管路和辅助喷嘴燃料管路。

本实用新型进一步改进在于：尾喷管为收敛形喷管，收缩比为1.2至1.5，收敛角为6至10度。

本实用新型进一步改进在于：多级串联增推结构包括从左至右依次相连的一级增推器、二级增推器和三级增推器。

本实用新型进一步改进在于：一级增推器包括第一弧形进气端面和第一轴对称直喷管，二级增推器包括第二弧形进气端面和第二轴对称直喷管，三级增推器包括第三弧形进气端面和第三轴对称直喷管；若干多级串联增推结构连杆均匀设置在第一弧形进气端面的周向，若干多级串联增推结构支板的一端与对应的多级串联增推结构连杆相连，其另一端与脉冲爆震燃烧室尾部相连；若干第一级间增推器连杆均匀设置在第二弧形进气端面的周向，若干第一级间增推器支板的一端与对应的第一级间增推器连杆相连，其另一端与第一轴对称直喷管相连；若干第二级间增推器连杆均匀设置在第三弧形进气端面的周向，若干第二级间增推器支板的一端与对应的第二级间增推器连杆相连，其另一端与第二轴对称直喷管相连。

本实用新型进一步改进在于：多级串联增推结构支板与多级串联增推结构连杆的数量均为4个，第一级间增推器支板与第一级间增推器连杆的数量均为4个，第二级间增推器支板与第二级间增推器连杆的数量均为4个。

本实用新型进一步改进在于：燃烧室起爆段的内壁上设有第一螺旋形障碍物，燃烧室爆震段的内壁上设有第二螺旋形障碍物，且第一螺旋形障碍物的螺距小于第二螺旋形障碍物的螺距。

与现有技术相比，本实用新型一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其除在燃烧室头部设计有燃料喷嘴外，还在燃烧室起爆段和爆震段等间距设计了多个辅助燃料喷嘴，将燃烧室分成多个小区间，每个喷嘴负责一个区间的燃料供给，可减小燃烧室的填充时间，提高发动机的工作频率，增加发动机单位时间所产生的推力；此外，在脉冲爆震燃烧室尾部设计了多级串联增推结构，可进一步提高发动机的推力。

进一步地，因燃烧室内螺旋形障碍物爆震波强化结构采用变螺距设计，可在减小发动机燃烧室流阻的前提下缩短燃烧室爆燃向爆震转变的DDT距离。

【附图说明】

图1是本实用新型一种高频脉冲爆震燃烧动力装置的整体构成图；

图2是表示图1所示的动力装置的多级串联增推结构简图；

图3是图2的A-A向视图。

其中：1、主喷嘴空气管路；2、主喷嘴燃料管路；3、主喷嘴；4、燃烧室头部端盖；5、脉冲爆震燃烧室；6、火花塞；7、燃烧室点火段；8、辅助喷嘴燃料管路；9、辅助喷嘴空气管路；10、燃烧室起爆段；11、第一螺旋形障碍物；12、辅助喷嘴；13、第二螺旋形障碍物；14、燃烧室爆震段；15、多级串联增推结构支板；16、多级串联增推结构连杆；17、尾喷管；18、多级串联增推结构；19、燃气流路；20、第一弧形进气端面；21、第一轴对称直喷管；22、一级增推器；23、第一级间增推器支板；24、第一级间增推器连杆；25、第二弧形进气端面；26、第二轴对称直喷管；27、二级增推器；28、第二级间增推器支板；29、第二级间增推器连杆；30、第三弧形进气端面；31、第三轴对称直喷管；32、三级增推器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型具体实施例进行详细说明。

参见图1至图3，本实用新型一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，包括从左至右依次相连的脉冲爆震燃烧室5、尾喷管17和多级串联增推结构18。

其中，脉冲爆震燃烧室5包括从左至右依次相连的燃烧室头部端盖4、燃烧室点火段7、燃烧室起爆段10和燃烧室爆震段14，燃烧室爆震段14的右端与尾喷管17相连；燃烧室头部端盖4上设有主喷嘴3，主喷嘴3上设有主喷嘴空气管路1和主喷嘴燃料管路2；燃烧室点火段7的周向上设有火花塞6；燃烧室起爆段10和燃烧室爆震段14的周向沿轴向方向上等间距设有若干辅助喷嘴12，辅助喷嘴12上设有辅助喷嘴空气管路9和辅助喷嘴燃料管路8。这样主喷嘴3和辅助喷嘴12可同时对燃烧室进行填充，使得每个喷嘴仅需负责燃烧室一小段空间的燃料供给，可减小燃烧室填充时间，提高发动机工作频率。

进一步地，尾喷管17为收敛形喷管，收缩比为1.2至1.5，收敛角为6至10度。燃烧室起爆段10的内壁上设有第一螺旋形障碍物11，燃烧室爆震段14的内壁上设有第二螺旋形障碍物13，且第一螺旋形障碍物11的螺距小于第二螺旋形障碍物13的螺距。由于障碍物强化结构螺距越小，燃烧室内可燃混合气体湍流度越大，气流之间的热交换强度则越强烈，故可缩短爆燃向爆震的转变距离DDT，但螺距越小发动机内部流阻越大，因此采用变螺距设计后，可在降低发动机流阻的同时缩短DDT距离。

参见图2和图3，多级串联增推结构18包括从左至右依次相连的一级增推器22、二级增推器27和三级增推器32。其中，一级增推器22包括第一弧形进气端面20和第一轴对称直喷管21，二级增推器27包括第二弧形进气端面25和第二轴对称直喷管26，三级增推器32包括第三弧形进气端面30和第三轴对称直喷管31；4个多级串联增推结构连杆16均匀设置在第一弧形进气端面20的周向，4个多级串联增推结构支板15的一端与对应的多级串联增推结构连杆16相连，其另一端与脉冲爆震燃烧室5尾部相连；4个第一级间增推器连杆24均匀设置在第二弧形进气端面25的周向，4个第一级间增推器支板23的一端与对应的第一级间增推器连杆24相连，其另一端与第一轴对称直喷管21相连；4个第二级间增推器连杆29均匀设置在第三弧形进气端面30的周向，4个第二级间增推器支板28的一端与对应的第二级间增推器连杆29相连，其另一端与第二轴对称直喷管26相连。

高速脉冲爆震燃气从尾喷管17排出进入一级增推器22时，由于气流粘性力的作用，必然带动弧形进气端面20上游的空气吸入发动机，导致弧形进气端面20上游空气总压的动压增加，静压降低，而弧形进气端面20下游空气的静压不变，这必然在弧形进气端面20处由于压力差而产生附加的推力。其中，箭头方向为燃气流路19。

为了对本实用新型进一步了解，现结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，包括脉冲爆震燃烧室5、尾喷管17和多级串联增推结构18。脉冲爆震燃烧室5主要由燃烧室头部端盖4、燃烧室点火段7、燃烧室起爆段10和燃烧室爆震段14构成，本实施例中燃烧室直径为60mm，长1300mm；燃烧室头部端盖4位于本实施例的最前端，在其中心位置处安装有主喷嘴3；燃烧室点火段7位于燃烧室头部端盖4的下游，长300mm，在燃烧室点火段7轴向位置的正中间处安装有点火用火花塞6；燃烧室起爆段10位于燃烧室点火段7的下游，长400mm，在其内部布置有螺距为50mm、直径为8mm的第一螺旋形障碍物11；燃烧室爆震段14位于燃烧室点起爆段10的下游，长600mm，内部装有螺距为80mm、直径为8mm的第二螺旋形障碍物13；同时在燃烧室起爆段10和燃烧室爆震段14的轴向位置等间距设计了七个辅助喷嘴12，各辅助喷嘴12间的距离为120mm；尾喷管17位于燃烧室爆震段下游，收缩比为1.5，收敛角为6度；多级串联增推结构18与燃烧室同轴布置在尾喷管17下游，通过燃烧室爆震段14尾部周向均匀布置的四个多级串联增推结构支板15和多级串联增推结构连杆16与脉冲爆震燃烧室5构成一个整体。

本实施例即可用于吸气式脉冲爆震发动机，也适用于火箭式脉冲爆震发动机。本实施例高频脉冲爆震燃烧动力装置的工作过程为：打开主喷嘴3和各辅助喷嘴12的空气及燃料管路，对脉冲爆震燃烧室5快速填充燃料，待燃料填充完成后，关闭主喷嘴3和各辅助喷嘴12的空气及燃料管路，同时由火花塞6点燃燃烧室内可燃混合气体，在燃烧室点火段7形成爆燃波，爆燃波经燃烧室起爆段10内小螺距螺旋形障碍物11强化后逐渐转变成爆震波，爆震波再经燃烧室爆震段14内第二螺旋形障碍物13进一步强化后从尾喷管17加速排出，在气流粘性力作用下，高速喷出的爆震燃气带动尾喷管17周围的空气吸入发动机，导致一级增推器22的弧形进气端面20处形成静压差，进而产生附加推力，高速燃气经一级增推器22后进一步带动二级增推器27和三级增推器32的弧形进气端面上游的空气进入发动机，并在各级增推结构的弧形进气端面处产生附加推力，最终燃气从三级增推器32的轴对称直喷管31处排出至大气，待爆震燃气完全排出发动机后，打开主喷嘴3和各辅助喷嘴12的主喷嘴空气管路1和辅助喷嘴空气管路9，在爆震室内填充吹熄隔离气体，然后再打开主喷嘴3和各辅助喷嘴12的主喷嘴燃料管路2和辅助喷嘴燃料管路8，开始新一轮脉冲爆震燃烧室的燃料填充，如此反复循环工作。因本实施例中共采用了8个燃料喷嘴，与传统仅采用燃烧室头部1个喷嘴的脉冲爆震发动机相比，本实施例发动机的工作频率至少可提高七倍。

Claims (6)

1.一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：包括从左至右依次相连的脉冲爆震燃烧室(5)、尾喷管(17)和多级串联增推结构(18)；其中，

脉冲爆震燃烧室(5)包括从左至右依次相连的燃烧室头部端盖(4)、燃烧室点火段(7)、燃烧室起爆段(10)和燃烧室爆震段(14)，燃烧室爆震段(14)的右端与尾喷管(17)相连；燃烧室头部端盖(4)上设有主喷嘴(3)，主喷嘴(3)上设有主喷嘴空气管路(1)和主喷嘴燃料管路(2)；燃烧室点火段(7)的周向上设有火花塞(6)；燃烧室起爆段(10)和燃烧室爆震段(14)的周向沿轴向方向上等间距设有若干辅助喷嘴(12)，辅助喷嘴(12)上设有辅助喷嘴空气管路(9)和辅助喷嘴燃料管路(8)。

2.根据权利要求1所述的一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：尾喷管(17)为收敛形喷管，收缩比为1.2至1.5，收敛角为6至10度。

3.根据权利要求1所述的一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：多级串联增推结构(18)包括从左至右依次相连的一级增推器(22)、二级增推器(27)和三级增推器(32)。

4.根据权利要求3所述的一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：一级增推器(22)包括第一弧形进气端面(20)和第一轴对称直喷管(21)，二级增推器(27)包括第二弧形进气端面(25)和第二轴对称直喷管(26)，三级增推器(32)包括第三弧形进气端面(30)和第三轴对称直喷管(31)；若干多级串联增推结构连杆(16)均匀设置在第一弧形进气端面(20)的周向，若干多级串联增推结构支板(15)的一端与对应的多级串联增推结构连杆(16)相连，其另一端与脉冲爆震燃烧室(5)尾部相连；若干第一级间增推器连杆(24)均匀设置在第二弧形进气端面(25)的周向，若干第一级间增推器支板(23)的一端与对应的第一级间增推器连杆(24)相连，其另一端与第一轴对称直喷管(21)相连；若干第二级间增推器连杆(29)均匀设置在第三弧形进气端面(30)的周向，若干第二级间增推器支板(28)的一端与对应的第二级间增推器连杆(29)相连，其另一端与第二轴对称直喷管(26)相连。

5.根据权利要求4所述的一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：多级串联增推结构支板(15)与多级串联增推结构连杆(16)的数量均为4个，第一级间增推器支板(23)与第一级间增推器连杆(24)的数量均为4个，第二级间增推器支板(28)与第二级间增推器连杆(29)的数量均为4个。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种高频脉冲爆震燃烧动力装置，其特征在于：燃烧室起爆段(10)的内壁上设有第一螺旋形障碍物(11)，燃烧室爆震段(14)的内壁上设有第二螺旋形障碍物(13)，且第一螺旋形障碍物(11)的螺距小于第二螺旋形障碍物(13)的螺距。