专利名称：一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机领域，具体为一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管。
背景技术：
脉冲爆震发动机是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生推力的非稳态的新概念 发动机。爆震波以每秒2000米左右的速度在可燃气中传播，能产生极高的增压比(15-55 倍)和燃气温度(大于2800K)。当高温、高压、高速燃气从脉冲爆震发动机排出时就会产生 推力。由于爆震波传播速度极快，其后的燃烧过程接近等容燃烧过程。热循环效率比传统 的火箭发动机高18% -20% ；不需要复杂的涡轮泵，结构简单，重量轻；单位燃料消耗率低； 推力调节比大，响应快，调节过程简单可靠；工作范围宽。使用自由来流或机载氧化剂，能分 别以吸气式发动机或火箭发动机方式工作。火箭式脉冲爆震发动机由于自带氧化剂，工作 环境易于控制，一般认为它的实际应用会优先于吸气式脉冲爆震发动机。脉冲爆震发动机内部的爆震波的形成一般有两种方式一种是采用低能量点火， 然后通过爆燃向爆震转变过程产生爆震波，这是间接起爆方法；另一种是采用高能量点火， 在很短的时间和距离内直接形成爆震波，这种方式也被称为直接起爆方法。直接起爆方法 需要的点火能量很大，点火装置复杂且笨重，这会导致发动机的结构更复杂、重量增加、性 能下降。直接起爆方法在发动机实用中不切实际，因此实用中往往采用间接起爆的方法来 产生爆震波，并采用增强爆震装置如Shchelkin螺旋、孔板等。由于爆燃向爆震转变过程需 要一定的时间和距离，转变距离往往很长，这就导致脉冲爆震发动机的长度和横截面直径 之比(简称长径比)较大。考虑到发动机容积的限制，在实际应用中往往采用液态燃料。由于脉冲爆震发动 机的非定常特性，其在高频条件下工作时每个循环中的填充时间很短，而且发动机的长径 比较大，液态燃料的喷射距离要远小于发动机的长度，这就导致液态燃料在发动机内部的 分布是前端富集，后端不足，这对可燃混合物的完全燃烧是不利的，导致发动机的耗油率居 高不下，会影响脉冲爆震发动机性能的提高。另外因为发动机长度增加会带来燃料填充时 间和排气时间增加，单个循环时间增加，所以发动机工作频率的提高受到限制，发动机长度 过长对于频率的提高是不利的。因此，缩短采用液态燃料的脉冲爆震发动机的长度在实际 应用中是很有意义的，这将直接改善发动机内部可燃混合物的填充状态，改善发动机的燃 烧特性，降低燃油消耗率，提高发动机工作频率上限，发挥出脉冲爆震发动机的理论优势。
发明内容
要解决的技术问题为了克服现有技术中脉冲爆震发动机爆震管长度较长，液态燃料难以在雾化良好 的前提下均勻地填充较长的发动机爆震管，富油问题难以解决，发动机效率低下的问题，本 发明提出了一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，能有效地解决现有技术中的问题。
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技术方案本发明的技术方案为所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，在爆震管封闭端连接有第一 氧化剂导管，第一燃料导管和隔离气导管，其特征在于在爆震管中段装有中心锥体，中心 锥体为圆锥结构，中心锥体通过第二氧化剂导管和第二燃料导管与爆震管固定连接，中心 锥体的中心轴线与爆震管中心轴线共线，中心锥体的底面直径小于爆震管的内径；在爆震 管封闭端与中心锥体之间的爆震管侧壁上装有点火器。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于中 心锥体底面中心位置开有盲孔，盲孔内端与插入中心锥体的第二燃料导管相连通；中心锥 体底面还开有环形凹槽，凹槽与插入中心锥体的第二氧化剂导管相连通；中心锥体底面中 心盲孔深度大于凹槽深度。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于中 心锥体底面直径为爆震管内径的0. 8 0. 9倍。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于中 心锥体长度为爆震管内径的1. 5 2倍。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于中 心锥体的锥顶点距离爆震管封闭端的距离为爆震管内径的2 2. 5倍。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于中 心锥体的底面距离爆震管外端口的距离为爆震管内径的7 12倍。所述一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管的优选方案，其特征在于点 火器距离爆震管封闭端的距离为爆震管内径的1 1. 8倍。有益效果本发明通过在爆震管内部设置中心锥体，中心锥体与爆震管之间的点火段内部近 似未两端封闭的容腔。点火段内的可燃混合物经点火后，进行近似等容反应，而后产生的高 温高压产物传播至中心锥体后端的爆震形成段内去点燃其中的可燃混合物。点火段起的作 用相当于用小能量源点燃喷射进入的少量可燃混合物，将点火能量放大之后，再去点燃爆 震管主体即爆震形成段中的可燃混合物。由于点火段传播过来的燃烧产物温度压力均较 高，点火能量较大，能迅速点燃爆震形成段内的可燃混合物并快速形成爆震波，从而大大缩 短了爆燃向爆震转变距离，缩短脉冲爆震发动机爆震管的长度，改善液态燃料的填充条件， 降低耗油率，提高发动机性能。
图1 本发明的结构示意图；图2 中心锥体的结构示意图；图3 外部电磁阀的控制信号时序图；图4 三个压力传感器的压力信号图；其中1、第一氧化剂导管；2、第一燃料导管；3、隔离气导管；4、第一出气孔；5、第 一出油孔；6、点火段；7、点火器；8、中心锥体；9、第二氧化剂导管；10、第二燃料导管；11、 第二出油孔；12、第二出气孔；13、爆震形成段。
具体实施例方式下面结合实施例具体描述本发明。实施例1 参照附图1所示，所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，在爆震 管封闭端连接有第一氧化剂导管1，第一燃料导管2和隔离气导管3。第一燃料导管2连接 在封闭端中心，第一氧化剂导管1和隔离气导管3相对连接在封闭端的侧壁上，第一燃料导 管2伸入爆震管内形成第一出油孔5，第一出油孔5与爆震管内壁之间有环形的第一出气 孔4。在爆震管中段装有中心锥体8，中心锥体8为圆锥结构，其中心轴线与爆震管中心轴 线共线，底面直径小于爆震管内径。中心锥体8通过第二氧化剂导管9和第二燃料导管10 与爆震管固定连接，中心锥体8底面中心位置开有盲孔，盲孔内端与插入中心锥体的第二 燃料导管10相连通，从而盲孔外端形成第二出油口 11 ；中心锥体8底面还开有环形凹槽， 凹槽与插入中心锥体的第二氧化剂导管9相连通，从而凹槽形成第二出气口 12 ；并且中心 锥体底面中心盲孔深度大于凹槽深度。此外在爆震管封闭端与中心锥体8之间的爆震管侧 壁上还装有点火器7。第一出油孔5及第一出气孔4与中心锥体8之间为点火段6，第二出 油口 11及第二出气口 12与爆震管外端口之间为爆震形成段13.在本实施例中，采用的燃料为航空煤油，氧化剂为压缩氧气，隔离气为压缩氮气， 采用汽车火花塞作为点火器，点火能量为50mJ。其中爆震管内径为30mm，全长380mm，中心 锥体8长度为60mm，是爆震管内径的2倍，底面直径为26mm，是爆震管内径的0. 87倍，中心 锥体8的锥顶点距离爆震管封闭端的距离为60mm，是爆震管内径的2倍，中心锥体8的底面 距离爆震管外端口的距离为260mm，是爆震管内径的8. 67倍，点火器7距离爆震管封闭端的 距离为50mm，是爆震管内径的1. 67倍。在各个燃料、氧化剂和隔离气导管上都装有电磁阀控制燃料、氧化剂和隔离气通 断，电磁阀以及火花塞的工作时序如附图3所示，电磁阀的控制频率为5Hz，在一个控制周 期内，首先第一燃料进口电磁阀、第一氧化剂进口电磁阀打开，小部分煤油和氧气进入发动 机点火段，占空比为0. 3，相位为0°，同时第二燃料进口电磁阀、第二氧化剂进口电磁阀打 开，大部分煤油和氧气喷射入爆震形成段内，占空比为0. 3，相位为0° ；而后点火器7点火， 占空比为0.01，相位为110° ；点火后，点火段6内的可燃混合物被点燃，由于点火段6近 似两端封闭，其内部近似进行等容反应，生成高温高压的燃烧产物，该燃烧产物经由中心锥 体8与爆震管内壁之间的空隙流入爆震形成段13并引燃其中的可燃混合物，由于产物温度 压力很高，点火能量很大，爆震形成段13内能很迅速地形成爆震波，爆震波向爆震管外端 传播排出爆震管，从而产生推力。待排气进行到一定程度后，隔离氮气电磁阀打开，隔离氮 气向发动机内喷射以吹除点火段6及爆震形成段13内的高温产物，防止下一个循环开始 填充入爆震管的可燃混合物发生过早点火。第一隔离氮气电磁阀的占空比为0. 3，相位为 251°。到此爆震管的一个工作循环结束。以上过程循环往复，则爆震管可以周期性地产生 爆震波，从而产生间歇式的推力。本实施例中，压缩氧气和煤油的供给压力分别为1. 5MPa和0. 5MPa,隔离氮气供 给压力为1.5MPa。液态煤油/氧气混合物的当量比约为1.0。环境压力和环境温度分别 为1. 01325 X 105pa和288. 2K。在该实验条件下，由爆震通用计算软件CEA程序(Chemical
5Equilibrium and Applications)计算出的煤油/氧气气相爆震压力P。和速度V。分别为 4. 36MPa和2357. 5m/s。因为理论值未能考虑实际情况中的各种损失，所以实验中测得的爆 震波的压力要小于理论计算值，这是合理的。根据实验经验，测得压力为3. 2Mpa左右即可 认为爆震波已经形成。在爆震管的爆震形成段13上布置了 3个压力测点pi、p2、p3，分别距点火位置 100mm、160mm和220mm，测点上安装有压电晶体式压力传感器。图4中给出了 3个测点的压 力曲线图，从图中可以看出，在第一个压力测点Pl处就已经形成了爆震波，而且发动机可 以稳定地工作，该测点距离火花塞7的距离为100mm。而根据以往的实验数据，同样内径为 30mm的采用Shchelkin螺旋障碍物来增强爆燃向爆震转变的脉冲爆震发动机，在大约距离 点火位置400mm处形成爆震波。因此采用本发明提出的爆震管结构可以极大地缩短了爆震 波形成的距离，从而缩短爆震管的长度，使液态燃料容易在其内均勻分布，从而提高燃烧效 率，降低耗油率，提高发动机的性能。实施例2 本实施例中，爆震管结构与实施例1的区别在于中心锥体8长度为45mm，是爆震 管内径的1. 5倍，底面直径为27mm，是爆震管内径的0. 9倍，中心锥体8的锥顶点距离爆震 管封闭端的距离为75mm，是爆震管内径的2. 5倍，中心锥体8的底面距离爆震管外端口的距 离为260mm，是爆震管内径的8. 67倍，点火器7距离爆震管封闭端的距离为30mm，是爆震管 内径的1倍。将本实施例在脉冲爆震发动机上进行试验，采用与实施例1相同的控制输入时 序，在pl、p2、p3三个压力测点采集到了压力随时间的变化曲线，结果同样显示在第一个压 力测点Pl处就已经形成了爆震波，而且发动机可以稳定地工作。实施例2表明，该结构可以极大地缩短了爆震波形成的距离，缩短爆震管的长度， 使液态燃料容易在其内均勻分布，从而提高燃烧效率，降低耗油率，提高发动机的性能。
权利要求
一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，在爆震管封闭端连接有第一氧化剂导管(1)，第一燃料导管(2)和隔离气导管(3)，其特征在于在爆震管中段装有中心锥体(8)，中心锥体(8)为圆锥结构，中心锥体(8)通过第二氧化剂导管(9)和第二燃料导管(10)与爆震管固定连接，中心锥体(8)的中心轴线与爆震管中心轴线共线，中心锥体(8)的底面直径小于爆震管的内径；在爆震管封闭端与中心锥体(8)之间的爆震管侧壁上装有点火器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于中心锥体(8)底面中心位置开有盲孔，盲孔内端与插入中心锥体的第二燃料导管(10) 相连通；中心锥体(8)底面还开有环形凹槽，凹槽与插入中心锥体的第二氧化剂导管(9)相 连通；中心锥体底面中心盲孔深度大于凹槽深度。
3.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于中心锥体(8)底面直径为爆震管内径的0. 8 0. 9倍。
4.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于中心锥体⑶长度为爆震管内径的1.5 2倍。
5.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于中心锥体(8)的锥顶点距离爆震管封闭端的距离为爆震管内径的2 2. 5倍。
6.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于中心锥体(8)的底面距离爆震管外端口的距离为爆震管内径的7 12倍。
7.根据权利要求1所述的一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在 于点火器(7)距离爆震管封闭端的距离为爆震管内径的1 1. 8倍。
全文摘要
本发明提出了一种带有中心锥体的脉冲爆震发动机的爆震管，在爆震管中段装有中心锥体，中心锥体为圆锥结构，中心锥体通过第二氧化剂导管和第二燃料导管与爆震管固定连接，中心锥体的中心轴线与爆震管中心轴线共线，中心锥体的底面直径小于爆震管的内径。通过在爆震管内部设置中心锥体，中心锥体与爆震管之间的点火段内部近似未两端封闭的容腔。点火段相当于用小能量源点燃少量可燃混合物，将点火能量放大后，再点燃爆震管主体的可燃混合物。由于点火段传播的燃烧产物温度压力较高，可迅速点燃爆震形成段内的可燃混合物并快速形成爆震波，缩短了爆燃向爆震转变距离，改善液态燃料的填充条件，降低耗油率，提高发动机性能。
文档编号F02K9/60GK101975123SQ201010534660
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者严宇, 王可, 穆杨, 范玮 申请人:西北工业大学