一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机的制作方法

本发明涉及爆震推进等领域，具体为一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机。

背景技术：

脉冲爆震发动机(pulsedetonationengine，简称pde)是一种利用脉冲爆震波产生的周期性冲量的非定常推进系统。由于爆震燃烧过程接近于等容燃烧过程，使得脉冲爆震发动机拥有比采用等压燃烧的常规发动机更高的热循环效率，同时，脉冲爆震发动机的结构比较简单，无需压气机等转动部件，就能实现未燃气体的增压，拥有较高的推重比。因此，基于上述优点，脉冲爆震发动机得到了越来越多的重视。

虽然脉冲爆震发动机具有广阔的应用前景，但在实际应用过程中还存在一些制约因素，如脉冲爆震发动机的壁面冷却问题，它不同于常规涡轮喷气发动机——壁面温度只要小于壁面材料的耐温上限即可，当管壁温度大于燃料的自燃温度时，脉冲爆震发动机内喷注的燃料将会发生自燃现象，此时爆震失效，如采用航空煤油作为燃料，当管壁温度大于500℃时，燃料就会在发动机内自燃，无法形成爆震波。当前，脉冲爆震发动机壁面冷却方式主要有水冷和利用发动机携带的液态燃料进行再生冷却两种，但这两种方法均存在不足之处：采用水冷的脉冲爆震发动机需要携带大量的冷却剂，且加热后的冷却剂只能通过其他途径将热量释放到空气中，造成了热量的浪费，同时降低了发动机的推重比；采用再生冷却的脉冲爆震发动机在低频和短时工作时具有一定的优势，但当频率提高或长时间工作时，ddt段(deflagrationtodetonationtransition)的热量将释放得更多，用于再生冷却的燃料吸热量增加，从而造成爆震管入口段处的燃料温度上升，点火感应期下降，一旦下降到小于燃料和氧化剂的接触时间，将发生自燃现象，此时爆震失效，此外，当发动机管壁温度较高时，用于再生冷却的燃油会在管壁处积碳，进而影响冷却效果，甚至堵塞供油管路，致使发动机无法正常工作。

因此，针对上述壁面冷却方式存在的问题，设计一种既能对脉冲爆震发动机的壁面进行有效冷却，同时能够合理地利用壁面产生的废热的装置就显得尤为重要，本发明提出了一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机，恰能满足要求，对脉冲爆震发动机的实际应用具有重要的意义。

技术实现要素：

要解决的技术问题

针对当前脉冲爆震发动机壁面冷却方式无法有效地对爆震管进行冷却且无法合理地利用爆震管产生的废热，本发明提出了一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机，通过斯特林循环的热气缸将爆震管产生的废热进行吸收，然后将热量输送至冷气缸中并预热油箱中的燃料，同时气缸活塞带动转轮转动，转轮可对外输出轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式脉冲爆震发动机的压气机或火箭式脉冲爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等。本发明可以用于爆震推进等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机，包括爆震管系统、斯特林循环模块和供油系统。

所述爆震管系统为脉冲爆震发动机的主体结构，整体为圆柱形，采用超高强度钢制成，具有抗拉强度高，韧性好的特点，保证脉冲爆震发动机长时间安全稳定工作；该系统主要分为爆震管混合点火段、爆震管ddt段和尾喷管段。

所述爆震管混合点火段的作用是将燃料和氧化剂进行混合并点火，在该段前侧分别设有燃油进口、氧化剂进口和火花塞；所述爆震管ddt段是爆震波的产生部位，该段燃料燃烧剧烈，热量产生最多，因此是脉冲爆震发动机壁面冷却的核心位置；在ddt段内部安装有爆震增强装置，用来缩短ddt过程的时间；并在外部安装有爆震管集热腔，用来吸收爆震管壁面积累的废热，该腔体整体为一圆柱形壳体，内壁处设有30-50个长方形导热片，尾端与热气缸连接；尾喷管段是一扩张型尾喷管，并可以根据实际情况换为其它形式的尾喷管。

所述斯特林循环模块，由驱动系统和换热系统组成。其中，换热系统包括冷气缸、冷气缸散热片、冷热气体交换导管和热气缸。驱动系统包括冷气缸活塞、冷气缸传动杆、热气缸活塞、热气缸传动杆和转轮。所述热气缸安装在爆震管ddt段旁边，一侧与爆震管集热腔连接，另一侧与冷热气体交换导管连接；所述冷气缸安装在油箱内部，并与冷热气体交换导管连接。各连接处采用焊接的方式，以保证密封性。所述冷气缸散热片均匀分布在冷气缸的圆柱形外壁上，共有30-50个长方形散热片，等间距布置，以保证气缸内气体快速降温。所述冷/热气缸活塞分别安装在冷/热气缸中，并在背离气缸方向分别安装有冷/热气缸传动杆。所述冷/热气缸传动杆一侧与气缸活塞铰接，另一侧与转轮铰接。当爆震管集热腔内工质氦气受热膨胀时，受热工质传送到热气缸并驱动热气缸的活塞及其热气缸传动杆做直线伸缩运动，然后受热工质继续沿着冷热气体交换导管传送至冷气缸中，由于冷气缸外壁处的燃油温度较低，致使冷气缸内工质受冷压缩，并驱动冷气缸的活塞及其冷气缸传动杆做直线伸缩运动，冷气缸传动杆和热气缸传动杆共同驱动转轮转动，转轮可对外输出轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式脉冲爆震发动机的压气机或火箭式脉冲爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等，冷却后的气体沿冷热气体交换导管流回热气缸，然后进入爆震管集热腔继续受热膨胀，从而完成斯特林循环。

所述供油系统包括，油箱、供油管路、电磁阀和流量计。所述油箱类似于小型航空发动机油箱，上面设有油箱注油孔和油箱出油孔，区别在于，在油箱靠近爆震管的一侧开孔，将冷气缸放置其中，并在对侧开有小孔，用以安装冷热气体交换导管，最后焊接密封，保证油箱的密闭性。所述供油管路为常规燃油供给线路，沿途设有电磁阀、流量计等相关控制和测量部件。

有益效果：

采用本发明提供的一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机，通过斯特林循环的热气缸将爆震管产生的废热进行及时吸收，然后将热量输送至冷气缸中并预热油箱中的燃料，同时气缸活塞带动转轮转动，转轮可对外输出轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式脉冲爆震发动机的压气机或火箭式脉冲爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等。采用本发明可以有效地对爆震管进行冷却，保证爆震管长时间可靠工作，提高脉冲爆震发动机的工作寿命，并能依靠转轮对外输出轴功，本发明可以用于爆震推进等领域。

附图说明

图1为本发明基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机(局部冷却)结构示意图；

图2为爆震管系统和热气缸的剖面图；

图3为油箱和冷气缸的剖面图；

图4为本发明基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机(整体冷却)结构示意图；

其中，1为油箱注油孔，2为冷气缸，3为冷气缸散热片，4为气缸传动杆，5为转轮，6为燃油进口，7为冷热气体交换导管，8为热气缸活塞，9为热气缸，10为油箱，11为冷气缸活塞，12为油箱出油孔，13为流量计，14为电磁阀，15为爆震管混合点火段，16为火花塞，17为氧化剂进口，18为爆震管集热腔，19为爆震管ddt段，20为爆震增强装置，21为导热片，22为尾喷管段，23为扩张型尾喷管，4-1为冷气缸传动杆，4-2为热气缸传动杆，7-1为冷热气体交换导管①，7-2为冷热气体交换导管②，7-3为冷热气体交换导管③，7-4为冷热气体交换导管④，7-5为冷热气体交换导管⑤，14-1为电磁阀①，14-2为电磁阀②，14-3为电磁阀③，14-4为电磁阀④，14-5为电磁阀⑤，18-1为爆震管集热腔①，18-2为爆震管集热腔②，18-3为爆震管集热腔③。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1，通常，脉冲爆震发动机的工作过程为，燃油从油箱10的油箱出油孔12依次经过流量计13、电磁阀14-1和燃油进口6供给至爆震管混合点火段15，氧化剂从氧化剂进口17供给至爆震管混合点火段15，然后氧化剂和燃油在爆震管混合点火段15相互掺混，再通过火花塞16点火形成缓燃波，缓燃波沿着爆震管轴向方向向尾喷管段22传播，并在爆震管ddt段19逐渐加速并形成爆震波，爆震波继续向前传播，最后在扩张型尾喷管23处排出，同时产生推力。在这一过程中，爆震管ddt段19的燃烧最为剧烈，也是热量产生最多的地方，如果不加以冷却，管壁积累的废热会造成爆震管的烧蚀，进而影响发动机整体的安全性。

在本发明中，通过在爆震管ddt段19外壁安装爆震管集热腔18，来及时吸收爆震管ddt段19的废热。吸收来的热量用来加热爆震管集热腔18内部的工质，由于爆震管集热腔18内安装有50个导热片21，所以能够增加传热速率。受热的工质流向热气缸9并在其内部进行膨胀，进而带动热气缸活塞8和热气缸传动杆4-2做直线伸缩运动。同时，受热工质沿着冷热气体交换导管7向冷气缸2移动，由于冷气缸2外侧为低温的燃油，所以受热工质在冷气缸2内放热并缩小体积，然后带动冷气缸活塞11和冷气缸传动杆4-1做直线伸缩运动。在这一过程中，由于热气缸传动杆4-2和冷气缸传动杆4-1轮流带动转轮5转动，转轮5可以对外输出轴功，同时，油箱10内的燃油受热缓慢升温，更利于燃油的雾化。冷气缸2内的气体冷却后，将沿冷热气体交换导管7流回热气缸9，然后进入爆震管集热腔18继续受热膨胀，从而完成斯特林循环。

本实施例主要用于脉冲爆震发动机的短时工作(工作时间小于10分钟)，可以对爆震管ddt段19进行有效冷却。

实施例2：

参见图4，在本实施例中，爆震管外部安装三个爆震管集热腔18，其中爆震管集热腔①18-1安装在爆震管ddt段19，爆震管集热腔②18-2安装在爆震管混合点火段15，爆震管集热腔③18-3安装在尾喷管段22，爆震管集热腔②18-2和爆震管集热腔③18-3之间用冷热气体交换导管⑤7-5连接，爆震管集热腔②18-2的前段与冷热气体交换导管④7-4连接，爆震管集热腔③18-3的后段与冷热气体交换导管③7-3连接，并在冷热气体交换导管④7-4和冷热气体交换导管②7-2的汇合处分别安装有电磁阀②14-2和电磁阀③14-3，在冷热气体交换导管③进入热气缸9处安装有电磁阀⑤14-5，在冷热气体交换导管②7-2进入热气缸9处安装有电磁阀④14-4，其余结构和实施例1相同。

在本实例中，斯特林循环的具体过程如下，吸热过程①：爆震管集热腔①18-1内工质吸收爆震管ddt段19的热量，并向热气缸9内移动；膨胀过程：受热工质在热气缸9内膨胀，并带动热气缸活塞8和热气缸传动杆4-2做直线伸缩运动，此时，电磁阀③14-3和电磁阀④14-4打开，电磁阀②14-2和电磁阀⑤14-5关闭，进而做功后的工质沿着冷热气体交换导管①7-1和冷热气体交换导管②7-2进入冷气缸2中；放热过程：工质在冷气缸2内放热并缩小体积，然后带动冷气缸活塞11和冷气缸传动杆4-1做直线伸缩运动，此时，电磁阀②14-2和电磁阀⑤14-5打开，电磁阀③14-3和电磁阀④14-4关闭，冷却工质沿冷热气体交换导管①7-1和冷热气体交换导管④7-4进入爆震管集热腔②18-2中；吸热过程②：冷却工质在爆震管集热腔②18-2内吸收爆震管混合点火段15的热量，然后沿冷热气体交换导管⑤进入爆震管集热腔③18-3并吸收尾喷管段22的热量，再沿冷热气体交换导管③7-3进入热气缸9，最后回到爆震管集热腔①18-1。从而完成斯特林循环。

本实施例主要用于脉冲爆震发动机的长时工作(工作时间大于10分钟)，可同时对爆震管混合点火段15、爆震管ddt段19和尾喷管段22进行冷却，若在一个循环中保持电磁阀②14-2和电磁阀⑤14-5常关，电磁阀③14-3和电磁阀④14-4常开，则为实施例1的工作过程，可以对爆震管ddt段19进行重点冷却。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。