專利名稱：一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著艦船航行速度的提升，傳統(tǒng)水下推進(jìn)裝置的性能逐步降低，已成為了制約高性能艦船快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的水下推進(jìn)系統(tǒng)主要以燃?xì)廨啓C(jī)為主，燃?xì)廨啓C(jī)在工作時，燃燒室內(nèi)進(jìn)行的是等壓燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈳訙u輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪通過減速器帶動螺旋槳向外輸出可用功。采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動力裝置的主要問題在于(1)燃燒室內(nèi)進(jìn)行的是等壓燃燒， 燃燒熱效率不高，一般燃?xì)廨啓C(jī)的熱循環(huán)效率為27%; ( 螺旋槳轉(zhuǎn)動使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向后的運動產(chǎn)生推力，水流的運動方向與螺旋槳軸成一定傾角，水流的速度可以分解為一個向后的軸向速度和垂直于軸線的周向速度，而周向速度不能產(chǎn)生軸向的反推力，使得螺旋槳對水的做功并不能完全轉(zhuǎn)化為有效推力；(3)當(dāng)槳葉前部低壓區(qū)的壓力低于當(dāng)?shù)厮娘柡驼羝麎簳r，水會氣化成空泡，導(dǎo)致了推進(jìn)效率的降低，同時也易對螺旋槳產(chǎn)生破壞，為了減小空化效應(yīng)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速一般較低，影響了螺旋槳推力的提高，從而進(jìn)一步限制了艦船航速的挺高。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了解決現(xiàn)有水下推進(jìn)系統(tǒng)的熱循環(huán)效率不高，功率有限的問題，本發(fā)明提出了一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)利用爆震燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓邏喝細(xì)馀c摻混腔內(nèi)的水混合形成氣液兩相混合物，混合物在噴管內(nèi)進(jìn)一步加速，在加速的過程中氣泡不斷膨脹對水做功，水在噴管出口速度大于入口速度，從而產(chǎn)生推力。技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于包括爆震管、氣泡發(fā)生管、擴(kuò)壓器、摻混腔和噴管；爆震管為一端封閉的彎折管狀結(jié)構(gòu)，封閉端安裝有點火器、燃料進(jìn)口、氧化劑及隔離劑進(jìn)口，爆震管每次點火產(chǎn)生的燃燒波傳至爆震管出口時已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩?；氣泡發(fā)生管入口與爆震管出口通過連接法蘭同軸固定連接，在氣泡發(fā)生管管壁上沿軸向均勻開有若干排壁面通孔，同一排的壁面通孔沿管壁周向均勻分布，且同一排的壁面通孔孔徑相同；擴(kuò)壓器、摻混腔和噴管依次密封固定連接，摻混腔為空心薄壁圓柱結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器和噴管為空心薄壁圓臺結(jié)構(gòu)，摻混腔與氣泡發(fā)生管通過支承肋板同軸固定，氣泡發(fā)生管的首排壁面通孔處于擴(kuò)壓器進(jìn)口后方，氣泡發(fā)生管出口處于噴管出口之前。所述一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于氣泡發(fā)生管壁面通孔直徑為Imm IOmm,壁面通孔總面積不超過氣泡發(fā)生管管壁面積的5 %，從氣泡發(fā)生管入口到出口，壁面通孔孔徑分段逐漸增大。
所述一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于擴(kuò)壓器進(jìn)口內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的 2.5 3倍，擴(kuò)張角為10° 50°，摻混腔內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的5 10倍，噴管出口內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的2. 5 3倍，收斂角5° 30°。有益效果本發(fā)明提出的一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，通過發(fā)動機(jī)內(nèi)的爆震燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，一方面，高壓燃?xì)馔ㄟ^壁面通孔與摻混腔內(nèi)的水摻混形成氣泡，氣泡膨脹對水做功，使水在摻混腔內(nèi)不斷加速產(chǎn)生推力，另一方面，高壓燃?xì)馔ㄟ^氣泡生成管出口排出，對噴管內(nèi)的水產(chǎn)生噴射作用，產(chǎn)生推力。本發(fā)明具有以下有益效果其一、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，其熱循環(huán)效率可高達(dá)49 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)等壓燃燒的熱循環(huán)效率 27% ；其二、本發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、沒有旋轉(zhuǎn)部件以及中間的傳動環(huán)節(jié)，不受空泡現(xiàn)象的限制； 其三、高壓氣體從氣泡生成管出口排出而對水的做功即為有效做功，沒有因周向速度而產(chǎn)生的能量損失；其四、與單純的噴氣排水產(chǎn)生推力的發(fā)動機(jī)相比，本發(fā)動機(jī)利用氣泡膨脹對水做功，能產(chǎn)生額外的推力。


圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 氣泡發(fā)生管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3:擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 摻混腔A-A截面示意圖；圖5:噴管結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 電磁閥和點火器的控制時序圖；其中1、燃料電磁閥；2、點火器；3、氧化劑電磁閥；4、隔離氣電磁閥；5、爆震管； 6、Shchelkin螺旋；7、連接法蘭；8、壁面通孔；9、氣泡發(fā)生管；10、擴(kuò)壓器；11、摻混腔；12、 噴管；13、支承肋板。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例描述本發(fā)明參照附圖1，該實施例所述的水下氣液兩相發(fā)動機(jī)包括爆震管5、氣泡發(fā)生管9、擴(kuò)壓器10、摻混腔11和噴管12。本實施例中，爆震管5采用的是“L”型管狀結(jié)構(gòu)，其中封閉端為豎直方向，高溫燃?xì)夂捅鸩ǖ某隹诙藶樗椒较?。在爆震管封閉端端面上安裝有點火器2，封閉端側(cè)面上開有燃料進(jìn)口和氧化劑及隔離劑進(jìn)口，通過燃料電磁閥1、氧化劑電磁閥3和隔離氣電磁閥4 進(jìn)行控制。本實施例中，爆震管5內(nèi)徑為30mm，豎直部分的軸向長度為100mm，水平部分的軸向長度為700mm，為了在爆震管內(nèi)快速形成爆震波，確保實現(xiàn)爆震管每次點火產(chǎn)生的燃燒波傳至爆震管出口時已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩ǖ哪康模诒鸸?內(nèi)壁焊有焊接有一段Sichelkin 螺旋6作為爆震增強裝置，Shchelkin螺旋6軸向長為360mm，螺距30mm。采用的燃料為航空煤油供給壓力為0. 5MPa ；氧化劑為壓縮氧氣，供給壓力為1. 5MPa ；隔離氣為壓縮氮氣， 供給壓力為1. 5MPa ；點火器2為防水火花塞，點火能量為50mJ。發(fā)動機(jī)內(nèi)燃料和氧化劑的供給壓力均大于摻混腔11內(nèi)水壓，航空煤油/氧氣混合物的當(dāng)量比約為1. 0。氣泡發(fā)生管9的入口與爆震管5的出口通過連接法蘭7同軸固定連接，氣泡生成管9的內(nèi)徑為30mm，與爆震管5內(nèi)徑相同，氣泡生成管9的軸向長度為500mm。在氣泡發(fā)生管9管壁上沿軸向均勻開有12排壁面通孔8，同一排的壁面通孔沿管壁周向均勻分布， 且同一排的壁面通孔孔徑相同，以最接近氣泡發(fā)生管入口的那一排壁面通孔為第一排壁面通孔，前三排壁面通孔內(nèi)徑為1mm，第四至六排壁面通孔內(nèi)徑為3mm，第七至九排壁面通孔內(nèi)徑為5mm，最后三排壁面通孔內(nèi)徑為7mm。相鄰兩排壁面通孔之間的軸向間距相等，均為 30mmo擴(kuò)壓器10、摻混腔11和噴管12依次密封焊接固定，摻混腔為空心薄壁圓柱結(jié)構(gòu)， 擴(kuò)壓器和噴管為空心薄壁圓臺結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器的進(jìn)口內(nèi)徑為90mm，擴(kuò)張角為10°，摻混腔內(nèi)徑為150mm，軸向長度450mm，噴管出口內(nèi)徑為90mm，收斂角為5°。摻混腔11與氣泡發(fā)生管9通過均勻分布的3段支承肋板13同軸固定連接，且3段支承肋板13的軸向截面面積和小于氣泡發(fā)生管9軸向截面面積的5%，盡可能減小對水的阻擋作用。氣泡發(fā)生管與摻混腔固定連接后，氣泡發(fā)生管的首排壁面通孔處于擴(kuò)壓器進(jìn)口后方，氣泡發(fā)生管的出口處于噴管出口之前。本實施例中的水下氣液兩相發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作狀態(tài)測試時，環(huán)境壓力和環(huán)境溫度分別為 1. 01325X 105Pa*^8. 15K。通過爆震通用計算軟件CEA程序(Chemical Equilibrium and Applications)計算出的航空煤油/氧氣氣相爆震壓力4. 36MPa。測試中，發(fā)動機(jī)整體處于水下0. 5m深處，發(fā)動機(jī)內(nèi)燃料和氧化劑的供給壓力均大于水壓，3個電磁閥以及點火器的控制時序如圖6所示氧化劑電磁閥3和燃料電磁閥1的占空比為0. 3，相位為0 ；點火器的占空比為0.01，相位為108° ；隔離氣電磁閥4的占空比為0.3，相位為252°。通過在爆震管內(nèi)的爆震燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入氣泡生成管后，一部分高溫高壓燃?xì)馔ㄟ^氣泡生成管側(cè)面的壁面通孔進(jìn)入摻混腔與水摻混而形成氣液兩相混合物，氣液混合物在噴管內(nèi)進(jìn)一步加速，加速過程中氣泡在負(fù)的壓力梯度作用下膨脹，對水做功，增加其動量而產(chǎn)生推力；另一部分高溫高壓氣體通過氣泡生成管出口排出，高溫高壓氣體推動噴管內(nèi)的水向后運動，產(chǎn)生推力。
權(quán)利要求
1.一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于包括爆震管、氣泡發(fā)生管、擴(kuò)壓器、摻混腔和噴管；爆震管為一端封閉的彎折管狀結(jié)構(gòu)，封閉端安裝有點火器、燃料進(jìn)口、氧化劑及隔離劑進(jìn)口，爆震管每次點火產(chǎn)生的燃燒波傳至爆震管出口時已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩?；氣泡發(fā)生管入口與爆震管出口通過連接法蘭同軸固定連接，在氣泡發(fā)生管管壁上沿軸向均勻開有若干排壁面通孔，同一排的壁面通孔沿管壁周向均勻分布，且同一排的壁面通孔孔徑相同；擴(kuò)壓器、摻混腔和噴管依次密封固定連接，摻混腔為空心薄壁圓柱結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器和噴管為空心薄壁圓臺結(jié)構(gòu)，摻混腔與氣泡發(fā)生管通過支承肋板同軸固定，氣泡發(fā)生管的首排壁面通孔處于擴(kuò)壓器進(jìn)口后方，氣泡發(fā)生管出口處于噴管出口之前。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于氣泡發(fā)生管壁面通孔直徑為Imm 10mm，壁面通孔總面積不超過氣泡發(fā)生管管壁面積的5%，從氣泡發(fā)生管入口到出口，壁面通孔孔徑分段逐漸增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其特征在于擴(kuò)壓器進(jìn)口內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的2. 5 3倍，擴(kuò)張角為10° 50°，摻混腔內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的5 10 倍，噴管出口內(nèi)徑為爆震管內(nèi)徑的2. 5 3倍，收斂角5° 30°。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種水下氣液兩相發(fā)動機(jī)，其利用爆震燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓細(xì)馀c摻混腔內(nèi)水混合形成氣液兩相混合物，混合物在噴管內(nèi)進(jìn)一步加速，加速過程中氣泡不斷膨脹對水做功，水在噴管出口速度大于入口速度，從而產(chǎn)生推力。本發(fā)明有以下效果1、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，其熱循環(huán)效率可高達(dá)49％，遠(yuǎn)高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)等壓燃燒的熱循環(huán)效率27％；2、本發(fā)動機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)部件以及中間傳動環(huán)節(jié)，不受空泡現(xiàn)象限制；3、高壓氣體從氣泡生成管出口排出而對水的做功即為有效做功，沒有因周向速度而產(chǎn)生的能量損失；4、與單純噴氣排水產(chǎn)生推力的發(fā)動機(jī)相比，本發(fā)動機(jī)利用氣泡膨脹對水做功，能產(chǎn)生額外推力。
文檔編號F02K1/00GK102251880SQ20111014808
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者宋豪義, 李江紅, 范瑋, 陳巍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)