專利名稱：一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，具體為一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管。
背景技術(shù)：
脈沖爆震發(fā)動機(jī)是一種利用間歇式或脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)的新概念 發(fā)動機(jī)。爆震波以每秒2000米左右的速度在可燃?xì)庵袀鞑?，能產(chǎn)生極高的增壓比(15-55 倍)和燃?xì)鉁囟?大于2800K)。當(dāng)高溫、高壓、高速燃?xì)鈴拿}沖爆震發(fā)動機(jī)排出時就會產(chǎn)生 推力。由于爆震波傳播速度極快，其后的燃燒過程接近等容燃燒過程。熱循環(huán)效率比傳統(tǒng) 的火箭發(fā)動機(jī)高18% -20% ；不需要復(fù)雜的渦輪泵，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕；單位燃料消耗率低； 推力調(diào)節(jié)比大，響應(yīng)快，調(diào)節(jié)過程簡單可靠；工作范圍寬。使用自由來流或機(jī)載氧化劑，能分 別以吸氣式發(fā)動機(jī)或火箭發(fā)動機(jī)方式工作。火箭式脈沖爆震發(fā)動機(jī)由于自帶氧化劑，工作 環(huán)境易于控制，一般認(rèn)為它的實(shí)際應(yīng)用會優(yōu)先于吸氣式脈沖爆震發(fā)動機(jī)。脈沖爆震發(fā)動機(jī)內(nèi)部的爆震波的形成一般有兩種方式一種是采用低能量點(diǎn)火， 然后通過爆燃向爆震轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生爆震波，這是間接起爆方法；另一種是采用高能量點(diǎn)火， 在很短的時間和距離內(nèi)直接形成爆震波，這種方式也被稱為直接起爆方法。直接起爆方法 需要的點(diǎn)火能量很大，點(diǎn)火裝置復(fù)雜且笨重，這會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、重量增加、性 能下降。直接起爆方法在發(fā)動機(jī)實(shí)用中不切實(shí)際，因此實(shí)用中往往采用間接起爆的方法來 產(chǎn)生爆震波，并采用增強(qiáng)爆震裝置如Shchelkin螺旋、孔板等。由于爆燃向爆震轉(zhuǎn)變過程需 要一定的時間和距離，轉(zhuǎn)變距離往往很長，這就導(dǎo)致脈沖爆震發(fā)動機(jī)的長度和橫截面直徑 之比(簡稱長徑比)較大?？紤]到發(fā)動機(jī)容積的限制，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用液態(tài)燃料。由于脈沖爆震發(fā)動 機(jī)的非定常特性，其在高頻條件下工作時每個循環(huán)中的填充時間很短，而且發(fā)動機(jī)的長徑 比較大，液態(tài)燃料的噴射距離要遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)的長度，這就導(dǎo)致液態(tài)燃料在發(fā)動機(jī)內(nèi)部的 分布是前端富集，后端不足，這對可燃混合物的完全燃燒是不利的，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的耗油率居 高不下，會影響脈沖爆震發(fā)動機(jī)性能的提高。另外因?yàn)榘l(fā)動機(jī)長度增加會帶來燃料填充時 間和排氣時間增加，單個循環(huán)時間增加，所以發(fā)動機(jī)工作頻率的提高受到限制，發(fā)動機(jī)長度 過長對于頻率的提高是不利的。因此，縮短采用液態(tài)燃料的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的長度在實(shí)際 應(yīng)用中是很有意義的，這將直接改善發(fā)動機(jī)內(nèi)部可燃混合物的填充狀態(tài)，改善發(fā)動機(jī)的燃 燒特性，降低燃油消耗率，提高發(fā)動機(jī)工作頻率上限，發(fā)揮出脈沖爆震發(fā)動機(jī)的理論優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了克服現(xiàn)有技術(shù)中脈沖爆震發(fā)動機(jī)爆震管長度較長，液態(tài)燃料難以在霧化良好 的前提下均勻地填充較長的發(fā)動機(jī)爆震管，富油問題難以解決，發(fā)動機(jī)效率低下的問題，本 發(fā)明提出了一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，能有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。
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技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，在爆震管封閉端連接有第一 氧化劑導(dǎo)管，第一燃料導(dǎo)管和隔離氣導(dǎo)管，其特征在于在爆震管中段裝有中心錐體，中心 錐體為圓錐結(jié)構(gòu)，中心錐體通過第二氧化劑導(dǎo)管和第二燃料導(dǎo)管與爆震管固定連接，中心 錐體的中心軸線與爆震管中心軸線共線，中心錐體的底面直徑小于爆震管的內(nèi)徑；在爆震 管封閉端與中心錐體之間的爆震管側(cè)壁上裝有點(diǎn)火器。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于中 心錐體底面中心位置開有盲孔，盲孔內(nèi)端與插入中心錐體的第二燃料導(dǎo)管相連通；中心錐 體底面還開有環(huán)形凹槽，凹槽與插入中心錐體的第二氧化劑導(dǎo)管相連通；中心錐體底面中 心盲孔深度大于凹槽深度。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于中 心錐體底面直徑為爆震管內(nèi)徑的0. 8 0. 9倍。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于中 心錐體長度為爆震管內(nèi)徑的1. 5 2倍。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于中 心錐體的錐頂點(diǎn)距離爆震管封閉端的距離為爆震管內(nèi)徑的2 2. 5倍。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于中 心錐體的底面距離爆震管外端口的距離為爆震管內(nèi)徑的7 12倍。所述一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管的優(yōu)選方案，其特征在于點(diǎn) 火器距離爆震管封閉端的距離為爆震管內(nèi)徑的1 1. 8倍。有益效果本發(fā)明通過在爆震管內(nèi)部設(shè)置中心錐體，中心錐體與爆震管之間的點(diǎn)火段內(nèi)部近 似未兩端封閉的容腔。點(diǎn)火段內(nèi)的可燃混合物經(jīng)點(diǎn)火后，進(jìn)行近似等容反應(yīng)，而后產(chǎn)生的高 溫高壓產(chǎn)物傳播至中心錐體后端的爆震形成段內(nèi)去點(diǎn)燃其中的可燃混合物。點(diǎn)火段起的作 用相當(dāng)于用小能量源點(diǎn)燃噴射進(jìn)入的少量可燃混合物，將點(diǎn)火能量放大之后，再去點(diǎn)燃爆 震管主體即爆震形成段中的可燃混合物。由于點(diǎn)火段傳播過來的燃燒產(chǎn)物溫度壓力均較 高，點(diǎn)火能量較大，能迅速點(diǎn)燃爆震形成段內(nèi)的可燃混合物并快速形成爆震波，從而大大縮 短了爆燃向爆震轉(zhuǎn)變距離，縮短脈沖爆震發(fā)動機(jī)爆震管的長度，改善液態(tài)燃料的填充條件， 降低耗油率，提高發(fā)動機(jī)性能。


圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 中心錐體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 外部電磁閥的控制信號時序圖；圖4 三個壓力傳感器的壓力信號圖；其中1、第一氧化劑導(dǎo)管；2、第一燃料導(dǎo)管；3、隔離氣導(dǎo)管；4、第一出氣孔；5、第 一出油孔；6、點(diǎn)火段；7、點(diǎn)火器；8、中心錐體；9、第二氧化劑導(dǎo)管；10、第二燃料導(dǎo)管；11、 第二出油孔；12、第二出氣孔；13、爆震形成段。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例具體描述本發(fā)明。實(shí)施例1 參照附圖1所示，所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，在爆震 管封閉端連接有第一氧化劑導(dǎo)管1，第一燃料導(dǎo)管2和隔離氣導(dǎo)管3。第一燃料導(dǎo)管2連接 在封閉端中心，第一氧化劑導(dǎo)管1和隔離氣導(dǎo)管3相對連接在封閉端的側(cè)壁上，第一燃料導(dǎo) 管2伸入爆震管內(nèi)形成第一出油孔5，第一出油孔5與爆震管內(nèi)壁之間有環(huán)形的第一出氣 孔4。在爆震管中段裝有中心錐體8，中心錐體8為圓錐結(jié)構(gòu)，其中心軸線與爆震管中心軸 線共線，底面直徑小于爆震管內(nèi)徑。中心錐體8通過第二氧化劑導(dǎo)管9和第二燃料導(dǎo)管10 與爆震管固定連接，中心錐體8底面中心位置開有盲孔，盲孔內(nèi)端與插入中心錐體的第二 燃料導(dǎo)管10相連通，從而盲孔外端形成第二出油口 11 ；中心錐體8底面還開有環(huán)形凹槽， 凹槽與插入中心錐體的第二氧化劑導(dǎo)管9相連通，從而凹槽形成第二出氣口 12 ；并且中心 錐體底面中心盲孔深度大于凹槽深度。此外在爆震管封閉端與中心錐體8之間的爆震管側(cè) 壁上還裝有點(diǎn)火器7。第一出油孔5及第一出氣孔4與中心錐體8之間為點(diǎn)火段6，第二出 油口 11及第二出氣口 12與爆震管外端口之間為爆震形成段13.在本實(shí)施例中，采用的燃料為航空煤油，氧化劑為壓縮氧氣，隔離氣為壓縮氮?dú)猓?采用汽車火花塞作為點(diǎn)火器，點(diǎn)火能量為50mJ。其中爆震管內(nèi)徑為30mm，全長380mm，中心 錐體8長度為60mm，是爆震管內(nèi)徑的2倍，底面直徑為26mm，是爆震管內(nèi)徑的0. 87倍，中心 錐體8的錐頂點(diǎn)距離爆震管封閉端的距離為60mm，是爆震管內(nèi)徑的2倍，中心錐體8的底面 距離爆震管外端口的距離為260mm，是爆震管內(nèi)徑的8. 67倍，點(diǎn)火器7距離爆震管封閉端的 距離為50mm，是爆震管內(nèi)徑的1. 67倍。在各個燃料、氧化劑和隔離氣導(dǎo)管上都裝有電磁閥控制燃料、氧化劑和隔離氣通 斷，電磁閥以及火花塞的工作時序如附圖3所示，電磁閥的控制頻率為5Hz，在一個控制周 期內(nèi)，首先第一燃料進(jìn)口電磁閥、第一氧化劑進(jìn)口電磁閥打開，小部分煤油和氧氣進(jìn)入發(fā)動 機(jī)點(diǎn)火段，占空比為0. 3，相位為0°，同時第二燃料進(jìn)口電磁閥、第二氧化劑進(jìn)口電磁閥打 開，大部分煤油和氧氣噴射入爆震形成段內(nèi)，占空比為0. 3，相位為0° ；而后點(diǎn)火器7點(diǎn)火， 占空比為0.01，相位為110° ；點(diǎn)火后，點(diǎn)火段6內(nèi)的可燃混合物被點(diǎn)燃，由于點(diǎn)火段6近 似兩端封閉，其內(nèi)部近似進(jìn)行等容反應(yīng)，生成高溫高壓的燃燒產(chǎn)物，該燃燒產(chǎn)物經(jīng)由中心錐 體8與爆震管內(nèi)壁之間的空隙流入爆震形成段13并引燃其中的可燃混合物，由于產(chǎn)物溫度 壓力很高，點(diǎn)火能量很大，爆震形成段13內(nèi)能很迅速地形成爆震波，爆震波向爆震管外端 傳播排出爆震管，從而產(chǎn)生推力。待排氣進(jìn)行到一定程度后，隔離氮?dú)怆姶砰y打開，隔離氮 氣向發(fā)動機(jī)內(nèi)噴射以吹除點(diǎn)火段6及爆震形成段13內(nèi)的高溫產(chǎn)物，防止下一個循環(huán)開始 填充入爆震管的可燃混合物發(fā)生過早點(diǎn)火。第一隔離氮?dú)怆姶砰y的占空比為0. 3，相位為 251°。到此爆震管的一個工作循環(huán)結(jié)束。以上過程循環(huán)往復(fù)，則爆震管可以周期性地產(chǎn)生 爆震波，從而產(chǎn)生間歇式的推力。本實(shí)施例中，壓縮氧氣和煤油的供給壓力分別為1. 5MPa和0. 5MPa,隔離氮?dú)夤?給壓力為1.5MPa。液態(tài)煤油/氧氣混合物的當(dāng)量比約為1.0。環(huán)境壓力和環(huán)境溫度分別 為1. 01325 X 105pa和288. 2K。在該實(shí)驗(yàn)條件下，由爆震通用計算軟件CEA程序(Chemical
5Equilibrium and Applications)計算出的煤油/氧氣氣相爆震壓力P。和速度V。分別為 4. 36MPa和2357. 5m/s。因?yàn)槔碚撝滴茨芸紤]實(shí)際情況中的各種損失，所以實(shí)驗(yàn)中測得的爆 震波的壓力要小于理論計算值，這是合理的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，測得壓力為3. 2Mpa左右即可 認(rèn)為爆震波已經(jīng)形成。在爆震管的爆震形成段13上布置了 3個壓力測點(diǎn)pi、p2、p3，分別距點(diǎn)火位置 100mm、160mm和220mm，測點(diǎn)上安裝有壓電晶體式壓力傳感器。圖4中給出了 3個測點(diǎn)的壓 力曲線圖，從圖中可以看出，在第一個壓力測點(diǎn)Pl處就已經(jīng)形成了爆震波，而且發(fā)動機(jī)可 以穩(wěn)定地工作，該測點(diǎn)距離火花塞7的距離為100mm。而根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同樣內(nèi)徑為 30mm的采用Shchelkin螺旋障礙物來增強(qiáng)爆燃向爆震轉(zhuǎn)變的脈沖爆震發(fā)動機(jī)，在大約距離 點(diǎn)火位置400mm處形成爆震波。因此采用本發(fā)明提出的爆震管結(jié)構(gòu)可以極大地縮短了爆震 波形成的距離，從而縮短爆震管的長度，使液態(tài)燃料容易在其內(nèi)均勻分布，從而提高燃燒效 率，降低耗油率，提高發(fā)動機(jī)的性能。實(shí)施例2 本實(shí)施例中，爆震管結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1的區(qū)別在于中心錐體8長度為45mm，是爆震 管內(nèi)徑的1. 5倍，底面直徑為27mm，是爆震管內(nèi)徑的0. 9倍，中心錐體8的錐頂點(diǎn)距離爆震 管封閉端的距離為75mm，是爆震管內(nèi)徑的2. 5倍，中心錐體8的底面距離爆震管外端口的距 離為260mm，是爆震管內(nèi)徑的8. 67倍，點(diǎn)火器7距離爆震管封閉端的距離為30mm，是爆震管 內(nèi)徑的1倍。將本實(shí)施例在脈沖爆震發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，采用與實(shí)施例1相同的控制輸入時 序，在pl、p2、p3三個壓力測點(diǎn)采集到了壓力隨時間的變化曲線，結(jié)果同樣顯示在第一個壓 力測點(diǎn)Pl處就已經(jīng)形成了爆震波，而且發(fā)動機(jī)可以穩(wěn)定地工作。實(shí)施例2表明，該結(jié)構(gòu)可以極大地縮短了爆震波形成的距離，縮短爆震管的長度， 使液態(tài)燃料容易在其內(nèi)均勻分布，從而提高燃燒效率，降低耗油率，提高發(fā)動機(jī)的性能。
權(quán)利要求
一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，在爆震管封閉端連接有第一氧化劑導(dǎo)管(1)，第一燃料導(dǎo)管(2)和隔離氣導(dǎo)管(3)，其特征在于在爆震管中段裝有中心錐體(8)，中心錐體(8)為圓錐結(jié)構(gòu)，中心錐體(8)通過第二氧化劑導(dǎo)管(9)和第二燃料導(dǎo)管(10)與爆震管固定連接，中心錐體(8)的中心軸線與爆震管中心軸線共線，中心錐體(8)的底面直徑小于爆震管的內(nèi)徑；在爆震管封閉端與中心錐體(8)之間的爆震管側(cè)壁上裝有點(diǎn)火器(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于中心錐體(8)底面中心位置開有盲孔，盲孔內(nèi)端與插入中心錐體的第二燃料導(dǎo)管(10) 相連通；中心錐體(8)底面還開有環(huán)形凹槽，凹槽與插入中心錐體的第二氧化劑導(dǎo)管(9)相 連通；中心錐體底面中心盲孔深度大于凹槽深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于中心錐體(8)底面直徑為爆震管內(nèi)徑的0. 8 0. 9倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于中心錐體⑶長度為爆震管內(nèi)徑的1.5 2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于中心錐體(8)的錐頂點(diǎn)距離爆震管封閉端的距離為爆震管內(nèi)徑的2 2. 5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于中心錐體(8)的底面距離爆震管外端口的距離為爆震管內(nèi)徑的7 12倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，其特征在 于點(diǎn)火器(7)距離爆震管封閉端的距離為爆震管內(nèi)徑的1 1. 8倍。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種帶有中心錐體的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的爆震管，在爆震管中段裝有中心錐體，中心錐體為圓錐結(jié)構(gòu)，中心錐體通過第二氧化劑導(dǎo)管和第二燃料導(dǎo)管與爆震管固定連接，中心錐體的中心軸線與爆震管中心軸線共線，中心錐體的底面直徑小于爆震管的內(nèi)徑。通過在爆震管內(nèi)部設(shè)置中心錐體，中心錐體與爆震管之間的點(diǎn)火段內(nèi)部近似未兩端封閉的容腔。點(diǎn)火段相當(dāng)于用小能量源點(diǎn)燃少量可燃混合物，將點(diǎn)火能量放大后，再點(diǎn)燃爆震管主體的可燃混合物。由于點(diǎn)火段傳播的燃燒產(chǎn)物溫度壓力較高，可迅速點(diǎn)燃爆震形成段內(nèi)的可燃混合物并快速形成爆震波，縮短了爆燃向爆震轉(zhuǎn)變距離，改善液態(tài)燃料的填充條件，降低耗油率，提高發(fā)動機(jī)性能。
文檔編號F02K9/60GK101975123SQ201010534660
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者嚴(yán)宇, 王可, 穆楊, 范瑋 申請人:西北工業(yè)大學(xué)