高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置及方法与流程

本发明属于高超声速技术领域，尤其是一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置及其喷注方法和设计方法。

背景技术：

碳氢燃料超燃冲压发动机作为高超声速巡航飞行器的动力装置，在飞行马赫数7以下具有低成本、长航程等特点。但来流速度很快的超燃冲压发动机内部，液体碳氢燃料的驻留时间仅在毫秒级别，而在这较短的毫秒级时间内需要完成燃料液滴破碎、雾化和蒸发过程，这些过程则关系到点火和火焰稳定等关键问题。因此，在高超声速风洞试验领域，采用风洞等地面试验设备在发动机试验的燃料注入阶段，为了提高试验中注入燃料掺混和雾化等效果，需要对燃料喷注方式采用可靠且重复性好的主动控制方法，因此研究一种脉冲喷射装置来作为有效的燃料喷注与掺混技术，从而实现液体燃料在高速来流条件下的高效掺混显得尤为重要。

目前超燃冲压发动机主要采用的掺混增强方式为被动增强掺混，大致分为三种：斜坡、凹腔和塔式结构等。但存在局限性，主要包括：(1)在宏观上能实现大尺度的湍流，但其在微观上不足以实现燃料的高度掺混；(2)燃料与来流的混合过程较长，而燃烧室不可能无限加长，难以满足要求；(3)燃烧释热增强所产生的压力增大的影响难以控制。因此能够主动控制增强掺混的技术成为热门的研究方向，但目前国内外鲜有相关方向的公开发表文章，smith.lesliea.等用co2进行了模拟实验。实验中喷注器以高频脉冲的方式向风洞及剪切层内喷注co2。喷注器的设计变量包括频率(1-10khz)和脉冲宽度。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置及其喷注方法和设计方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置，包括：纵向主体外壳1，与纵向主体外壳1垂直交叉的横向主体外壳2，横向主体外壳2内部同心设置轴心6，轴心6右端和传动连接杆7左端铰接，传动连接杆7右端铰接于从动转盘9上的高速轴承8上，从动转盘9在电机带动下转动，传动连接杆7带动轴心6在横向主体外壳2内部作直线往复运动，纵向主体外壳2内部设有燃料通道3，燃料通道3的两端分别为燃料入口4和燃料出口5，轴心上设有多个横向排布的喷注孔10，当轴心左右移动到其上的某个喷注孔的前沿11与燃料通道开始重合时燃料通道3连通，燃料从燃料入口4进入并从燃料出口5喷出，直至所述喷住孔后沿12完全脱离与燃料通道的重合时，燃料通道被轴心封闭，一个脉冲过程结束，直至下一个喷住孔与燃料通道重合。

作为优选方式，脉冲频率为f，电机转速为n，喷住孔数为m，三者满足关系式：脉冲频率f＝电机转速n×2×(喷注孔数m-1)，脉冲频率是指单位时间内脉冲的数量。

作为优选方式，从动转盘转动时，轴心通过传动连接杆获得水平方向分速度vx为：

vx＝ω*r*cosθ…………………⑴

喷注孔长度分布范围sx满足关系式：

公式中：vx为轴心获得的水平方向分速度；ω为从动转盘转动的角速度，其值为2π/n；n为电机转速，θ为从动转盘边缘的高速轴承中心点和从动转盘中心点连接线与x方向的夹角，以x轴正向为起始位置；sk为喷注孔沿x方向的长度或者x方向两相邻喷注孔之间的间距，其中s1为第一个喷住孔的长度，s3为第二个喷住孔的长度，s5为第三个喷住孔的长度……，s2k-1为第k个喷住孔的长度；s2为第一个喷住孔和第二个喷住孔之间的距离，s4为第二个喷住孔喷住孔和第三个喷住孔之间的距离，s6为第三个喷住孔和第四个喷住孔之间的距离……，s2k为第k个喷住孔和第k+1个喷住孔之间的距离；k为计算所得量，由脉冲频率和电机转速共同确定，k的取值范围为k∈[1，kmax]∩n+，kmax＝(脉冲频率f/电机转速n)+1；n+为正整数集；∩为取交集，其中积分上下限θk和θk+1为kmax所确定的量，θk和θk+1夹角为π/(kmax-1)。

作为优选方式，满足式(1)和式(2)时，所述装置产生均匀脉冲，均匀脉冲是指：每个脉冲的燃料通路连通时间和封闭时间相同。

作为优选方式，所述喷住孔为方孔、圆孔、椭圆孔其中一种。

作为优选方式，脉冲频率为400hz，电机转速50转/秒，所述喷住孔为五个方形孔，方形孔宽度与燃料入口直径相等，喷住孔在x方向分布于中轴线上范围为l＝90mm，其中l＝2r，r为从动转盘的半径，计算得到第一方形孔长度s1＝3.59mm、第二方形孔长度s3＝8.33mm、第三方形孔长度s5＝28.96mm、第四方形孔长度s7＝8.33mm以及第五方形孔长度s9＝3.59mm；方形孔的距离满足关系式：第一与第二孔的间距为s2＝7.42mm、第二与第三孔的间距为s4＝11.18mm、第三和第四的间距为s4＝11.18mm、第四和第五的间距为s8＝7.42mm。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种用于高超声速来流条件下燃料脉冲喷注的方法，其特征在于：使用所述脉冲喷射装置，从动转盘在电机带动下转动，传动连接杆带动轴心在横向主体外壳内部作直线往复运动，纵向主体外壳内部设有燃料通道，燃料通道的两端分别为燃料入口和燃料出口，轴心上设有多个横向排布的喷注孔，当轴心左右移动到其上的某个喷注孔的前沿与燃料通道开始重合时燃料通路连通，燃料从燃料入口进入并从燃料出口喷出，直至所述喷住孔后沿完全脱离与燃料通道的重合时，燃料通道被轴心封闭，一个脉冲过程结束，直至下一个喷住孔与燃料通道重合；经轴心来回不断移动形成通断周期间隔，连续喷注的燃料形成压力高低间隔的周期变化，使得燃料产生脉冲喷注的形式。

作为优选方式，电机转速恒定，脉冲为均匀分布时，通过减少喷注孔数量来增大脉冲宽度；脉冲宽度是指每一个脉冲从燃料通路形成到燃料通路关闭的时间；非均匀分布的脉冲则通过改变喷注孔沿x方向的长度来调节，每个喷注孔沿x方向的长度越大脉宽越大；通过增大燃料入口、燃料出口的孔径来增大流量。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置的设计方法，用于设计所述喷射装置，包括如下步骤：

(1)确定喷注孔数目m

根据实际需要确定脉冲频率f，电机转速n恒定，喷住孔为方孔，根据关系式：脉冲频率f＝电机转速n×2×(喷注孔数m-1)，计算得到喷注孔数目m；其中脉冲频率是指单位时间内脉冲的数量；

(2)计算得到喷注孔沿x方向的长度或者两相邻喷注孔之间间距sk

从动转盘转动时，轴心通过传动连接杆获得水平方向分速度vx为：

vx＝ω*r*cosθ…………………⑴

喷注孔长度分布范围sx满足关系式：

公式中：vx为轴心获得的水平方向分速度；ω为从动转盘转动的角速度，其值为2π/n；n为电机转速，θ为从动转盘边缘的高速轴承中心点和从动转盘中心点连接线与x方向的夹角，以x轴正向为起始位置；sk为喷注孔沿x方向的长度或者x方向两相邻喷注孔之间的间距，其中s1为第一个喷住孔的长度，s3为第二个喷住孔的长度，s5为第三个喷住孔的长度……，s2k-1为第k个喷住孔的长度；s2为第一个喷住孔和第二个喷住孔之间的距离，s4为第二个喷住孔喷住孔和第三个喷住孔之间的距离，s6为第三个喷住孔和第四个喷住孔之间的距离……，s2k为第k个喷住孔和第k+1个喷住孔之间的距离；k为计算所得量，由脉冲频率和电机转速共同确定，k的取值范围为k∈[1，kmax]∩n+，kmax＝(脉冲频率f/电机转速n)+1；n+为正整数集；∩为取交集，其中积分上下限θk和θk+1为kmax所确定的量，θk和θk+1夹角为π/(kmax-1)。

(3)通过上述计算方法得到的装置产生均匀脉冲，此时每个脉冲的燃料通路连通时间和封闭时间相同，每个脉冲周期从喷注通道喷出的燃料流量相同。

本发明的有益效果为：第一，与连续喷注相比较,脉冲喷注的优点是可以缩短由喷流引起的激波的作用时间，从而降低总压损失,在无喷状态时可以使空气流动到喷口附近,增大下次喷射时燃料和空气的接触面积,以起到增强混合的效果；第二，对于连续式喷注而言，射流与主流之间会形成较稳定的剪切层，其削弱了主流中氧气和射流中燃料的进一步混合，而脉冲喷注可以有效的消除射流和主流之间形成的剪切层，增加燃料与空气的接触面积，从而增强混合效果；第三，由于在无喷状态下切断了燃料注入，导致燃料当量比降低，因此可以在喷孔直径不变的情况下采用提高喷注压力的方式来弥补，不仅避免了高压下燃料当量比过高导致的富油熄火现象出现，而且喷孔直径一定的情况下喷注压力越高则液态碳氢燃料的破碎和雾化效果越好，进一步达到增强混合效果的目的。综上所述，脉冲喷注方法可以有效的增加燃料与空气的接触面积，同时提升液态谈氢燃料的破碎和雾化效果，从而增强燃料与空气的混合，促进发动机的起动点火，提高发动机的燃烧效率。可以说燃料脉冲喷注在增强超燃冲压发动机液态碳氢燃料混合效率过程中具有较大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种机械传动式调频脉冲喷射装置装置简图；

图2是本发明的初始位置剖面图；

图3是本发明的运动中间位置剖面图；

图4是本发明的喷住孔的结构示意图；

图5是本发明燃料喷注压力随时间的变化过程对比图，(a)为使用本发明装置得到的喷注压力，(b)为现有技术中不使用本装置的喷注压力。

1为纵向主体外壳，2为横向主体外壳，3为燃料通道，4为燃料入口，5为燃料出口，6为轴心，7为传动连接杆，8为高速轴承，9为从动转盘，10为喷住孔，11为前沿，12为后沿，13为支撑连接架。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明的目的是提供一种能控制液体燃料喷注方式的机械传动式高频脉冲喷注装置，它能有效提高液体碳氢燃料注入时的掺混效果。本发明需要复现的燃料喷注时压力脉冲变化情况如图1所示，该图为喷注总压1.5mpa条件下燃料电磁阀下游压力随时间变化过程图，搭载于来流为ma＝2.0的方截面发动机试验模型上。

对比例

目前在高超声速试验领域，产生脉冲的方式通常使用控制喷注燃料阀门开闭的方式形成脉冲。高频电磁阀响应时间最短可达0.4ms，形成脉冲频率可达2500hz，但因其不能用于液态碳氢燃料，并且承受喷注压力较低因此不适用于本领域。常规气动阀或电磁阀能够适用于上述条件，但其所能达到的最高频率较低，通常在100hz以下。因此，本发明一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置可以有效弥补前两者的不足，可以用于燃料喷注压力较高的条件下，同时产生较高的脉冲频率(0.1-10khz)。

实施例1

一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置，包括：纵向主体外壳1，与纵向主体外壳1垂直交叉的横向主体外壳2，横向主体外壳2内部同心设置轴心6，轴心6右端和传动连接杆7左端铰接，传动连接杆7右端铰接于从动转盘9上的高速轴承8上，从动转盘9在电机带动下转动，传动连接杆7带动轴心6在横向主体外壳2内部作直线往复运动，纵向主体外壳2内部设有燃料通道3，燃料通道3的两端分别为燃料入口4和燃料出口5，轴心上设有多个横向排布的喷注孔10，当轴心左右移动到其上的某个喷注孔的前沿11与燃料通道开始重合时燃料通道3连通，燃料从燃料入口4进入并从燃料出口5喷出，直至所述喷住孔后沿12完全脱离与燃料通道的重合时，燃料通道被轴心封闭，一个脉冲过程结束，直至下一个喷住孔与燃料通道重合。前沿与后沿和轴心的运动方向有关，顺着运动方向喷住孔上靠近燃料通道的一端为前沿，远离燃料通道的一端为后沿。

本实施例中，脉冲频率为f，电机转速为n，喷住孔数为m，三者满足关系式：脉冲频率f＝电机转速n×2×(喷注孔数m-1)，脉冲频率是指单位时间内脉冲的数量。

从动转盘转动时，轴心通过传动连接杆获得水平方向分速度vx为：

vx＝ω*r*cosθ…………………⑴

喷注孔长度分布范围sx满足关系式：

公式中：vx为轴心获得的水平方向分速度；ω为从动转盘转动的角速度，其值为2π/n；n为电机转速，θ为从动转盘边缘的高速轴承中心点和从动转盘中心点连接线与x方向的夹角，以x轴正向为起始位置；sk为喷注孔沿x方向的长度或者x方向两相邻喷注孔之间的间距，其中s1为第一个喷住孔的长度，s3为第二个喷住孔的长度，s5为第三个喷住孔的长度……，s2k-1为第k个喷住孔的长度；s2为第一个喷住孔和第二个喷住孔之间的距离，s4为第二个喷住孔喷住孔和第三个喷住孔之间的距离，s6为第三个喷住孔和第四个喷住孔之间的距离……，s2k为第k个喷住孔和第k+1个喷住孔之间的距离；k为计算所得量，由脉冲频率和电机转速共同确定，k的取值范围为k∈[1，kmax]∩n+，kmax＝(脉冲频率f/电机转速n)+1；n+为正整数集；∩为取交集，其中积分上下限θk和θk+1为kmax所确定的量，θk和θk+1夹角为π/(kmax-1)。

满足式(1)和式(2)时，所述装置产生均匀脉冲，均匀脉冲是指：每个脉冲的燃料通路连通时间和封闭时间相同。

所述喷住孔为方孔、圆孔、椭圆孔其中一种。

实施例2

本实施例中，脉冲频率为400hz，电机转速50转/秒，所述喷住孔为五个方形孔，方形孔宽度与燃料入口直径相等，喷住孔在x方向分布于中轴线上范围为l＝90mm，其中l＝2r，r为从动转盘的半径，计算得到第一方形孔长度s1＝3.59mm、第二方形孔长度s3＝8.33mm、第三方形孔长度s5＝28.96mm、第四方形孔长度s7＝8.33mm以及第五方形孔长度s9＝3.59mm；方形孔的距离满足关系式：第一与第二孔的间距为s2＝7.42mm、第二与第三孔的间距为s4＝11.18mm、第三和第四的间距为s4＝11.18mm、第四和第五的间距为s8＝7.42mm。

上述尺寸按照下述方法计算得到：

脉冲频率为f，电机转速为n，喷住孔数为m，三者满足关系式：脉冲频率f＝电机转速n×2×(喷注孔数m-1)，脉冲频率是指单位时间内脉冲的数量。

从动转盘转动时，轴心通过传动连接杆获得水平方向分速度vx为：

vx＝ω*r*cosθ…………………⑴

喷注孔长度分布范围sx满足关系式：

公式中：vx为轴心获得的水平方向分速度；ω为从动转盘转动的角速度，其值为2π/n；n为电机转速，θ为从动转盘边缘的高速轴承中心点和从动转盘中心点连接线与x方向的夹角，以x轴正向为起始位置；sk为喷注孔沿x方向的长度或者x方向两相邻喷注孔之间的间距，其中s1为第一个喷住孔的长度，s3为第二个喷住孔的长度，s5为第三个喷住孔的长度……，s2k-1为第k个喷住孔的长度；s2为第一个喷住孔和第二个喷住孔之间的距离，s4为第二个喷住孔喷住孔和第三个喷住孔之间的距离，s6为第三个喷住孔和第四个喷住孔之间的距离……，s2k为第k个喷住孔和第k+1个喷住孔之间的距离；k为计算所得量，由脉冲频率和电机转速共同确定，k的取值范围为k∈[1，kmax]∩n+，kmax＝(脉冲频率f/电机转速n)+1；n+为正整数集；∩为取交集，其中积分上下限θk和θk+1为kmax所确定的量，θk和θk+1夹角为π/(kmax-1)。

如图5所示，该图为喷注压力2.5mpa条件下燃料电磁阀下游压力随时间变化过程图，搭载于来流条件为隔离段入口马赫数ma＝3.0，总温1600k，总压1.8mpa的直连式发动机试验模型上。

从图5可以看出，在本发明高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置作用下，燃料喷注出口压力形成了周期性的脉冲信号。

实施例3

本实施例提供一种用于高超声速来流条件下燃料脉冲喷注的方法，使用所述脉冲喷射装置，从动转盘在电机带动下转动，传动连接杆带动轴心在横向主体外壳内部作直线往复运动，纵向主体外壳内部设有燃料通道，燃料通道的两端分别为燃料入口和燃料出口，轴心上设有多个横向排布的喷注孔，当轴心左右移动到其上的某个喷注孔的前沿与燃料通道开始重合时燃料通路连通，燃料从燃料入口进入并从燃料出口喷出，直至所述喷住孔后沿完全脱离与燃料通道的重合时，燃料通道被轴心封闭，一个脉冲过程结束，直至下一个喷住孔与燃料通道重合；经轴心来回不断移动形成通断周期间隔，连续喷注的燃料形成压力高低间隔的周期变化，使得燃料产生脉冲喷注的形式。

电机转速恒定，脉冲为均匀分布时，通过减少喷注孔数量来增大脉冲宽度；脉冲宽度是指每一个脉冲从燃料通路形成到燃料通路关闭的时间；非均匀分布的脉冲则通过改变喷注孔沿x方向的长度来调节，每个喷注孔沿x方向的长度越大脉宽越大；通过增大燃料入口、燃料出口的孔径来增大流量。

实施例4

本实施例提供一种高超声速机械传动式调频脉冲喷射装置的设计方法，用于设计所述喷射装置，包括如下步骤：

(1)确定喷注孔数目m

根据实际需要确定脉冲频率f，电机转速n恒定，喷住孔为方孔，根据关系式：脉冲频率f＝电机转速n×2×(喷注孔数m-1)，计算得到喷注孔数目m；其中脉冲频率是指单位时间内脉冲的数量；

(2)计算得到喷注孔沿x方向的长度或者两相邻喷注孔之间间距sk

从动转盘转动时，轴心通过传动连接杆获得水平方向分速度vx为：

vx＝ω*r*cosθ…………………⑴

喷注孔长度分布范围sx满足关系式：

公式中：vx为轴心获得的水平方向分速度；ω为从动转盘转动的角速度，其值为2π/n；n为电机转速，θ为从动转盘边缘的高速轴承中心点和从动转盘中心点连接线与x方向的夹角，以x轴正向为起始位置；sk为喷注孔沿x方向的长度或者x方向两相邻喷注孔之间的间距，其中s1为第一个喷住孔的长度，s3为第二个喷住孔的长度，s5为第三个喷住孔的长度……，s2k-1为第k个喷住孔的长度；s2为第一个喷住孔和第二个喷住孔之间的距离，s4为第二个喷住孔喷住孔和第三个喷住孔之间的距离，s6为第三个喷住孔和第四个喷住孔之间的距离……，s2k为第k个喷住孔和第k+1个喷住孔之间的距离；k为计算所得量，由脉冲频率和电机转速共同确定，k的取值范围为k∈[1，kmax]∩n+，kmax＝(脉冲频率f/电机转速n)+1；n+为正整数集；∩为取交集，其中积分上下限θk和θk+1为kmax所确定的量，θk和θk+1夹角为π/(kmax-1)。

(3)通过上述计算方法得到的装置产生均匀脉冲，此时每个脉冲的燃料通路连通时间和封闭时间相同，每个脉冲周期从喷注通道喷出的燃料流量相同。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。