[发明专利]一种侧排气的脉冲爆震发动机有效

专利信息
申请号: 201611266604.6 申请日: 2016-12-31
公开(公告)号: CN106640421B 公开(公告)日: 2018-03-06
发明(设计)人: 李春洲 申请(专利权)人: 上海洲跃生物科技有限公司
主分类号: F02K7/02 分类号: F02K7/02;F02K7/06
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 201306 上海市浦*** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 排气 脉冲 发动机
【说明书】:

技术领域

发明涉及航空发动机技术领域,具体涉及一种侧排气的脉冲爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是以爆震波为主推力的一种新概念发动机,发动机工作时, 燃料在发动机的爆震室里以剧烈的爆震方式燃烧,极短时间内产生很高的温度和压力(压力可高达100个大气压,温度可达2000℃),同时产生的爆震波(属冲击波)以超音速传播(数千米/秒)作用于发动机的推力壁上产生推力,高温高压的燃烧产物高速喷出发动机时产生额外的推力;因爆震燃烧为间歇性脉冲式燃烧,所以该发动机是一种非定常推进系统。相对于传统推进系统,PDE具有一系列独特的优点, 由于爆震波能在极短时间内将爆炸混合物的压力和温度升高到非常高的程度,因此省去了传统发动机用来增压的部件(如压气机),使发动机的结构变得非常简单,零部件数量大大减少,因此脉冲爆震发动机尺寸小,重量轻, 另外PDE的燃烧过程近似为等容燃烧,热效率最高可达49%,远高于传统发动机的热效率(27%)。PDE的这些特点使其在航空、航天领域有着广泛的应用前景,据估计,PDE的推重比可达20,马赫数范围0~10(吸气式为0~ 5),飞行高度范围0~50km,推力范围0.5kg~50000kg。PDE没有容易损坏的旋转部件,因此结构更简单、维护更容易。它可作为导弹、靶机、诱饵机、无人驾驶飞机、无人战斗机的动力,也可用于载人飞机的动力装置,实现高速洲际航行;将来还可能用于太空飞行器推进,作为登月飞行器、星际旅游飞行器或入轨飞行器的动力,将给空间运输带来一次革命;近年来其在民用领域的应用,也引起了重视,如用于高效率发电等。可以预见,爆震发动机一旦技术成熟,必将对航空航天及能源领域产生革命性的影响。

按照PDE爆震管的数目,PDE可分为单管/多管PDE,按照燃料形式可分为气相/液相燃料PDE,按照氧化剂的来源可分为自吸气式/火箭式PDE;按照进气方式可分为无阀式(气动式)与有阀式(如旋转阀)PDE。根据应用方式,PDE可分为纯PDE(pure PDE)、组合循环PDE(combined PDE),混合PDE(hybrid PDE)三大类。纯PDE主要由爆震管、进气道、尾喷管组成;混合PDE是由PDE与涡喷或涡扇发动机相结合,如在外涵道或加力段使用PDE;组合PDE是由PDE与传统发动机如冲压发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置组合而成,在不同的速度范围内,运行不同的工作循环;其共同点在于,燃料与空气混合物均以爆震的方式燃烧,这种剧烈的反应过程产生高温高压气体,循环频率达到一定程度后(约100赫兹),便可提供近似连续的推力。

燃料与空气的混合物快速而可靠的起爆,是PDE正常工作的重要前提,起爆方式有两种,一种是直接起爆,一种是间接起爆,即由爆燃发展到爆震(DDT);前一种方式需要极高的点火能量,对点火设备的要求很高,不具备实用性,故一般采用后一种方式;所以,燃料空气混合物的起爆问题就集中在如何快速实现爆燃向爆震的转化上。

空气来流与燃料的良好掺混是DDT前必须完成的动作,目前PDE的进气道均设在发动机的最前端,空气从前端流入爆震室,与喷入的燃料充分掺混后形成燃料空气混合物,然后经过DDT在主爆室起爆,为防止爆震波或燃烧产物进入进气道导致进气异常,PDE通常需要在进气道与爆震室之间设置一个隔离区;按照隔离方式,将PDE分为机械阀式PDE和气动阀式PDE;机械阀在起爆、爆震传播及排气过程中,阀门关闭,进气时阀门打开;机械阀的问题在于阀门关闭时会给进气道造成很大的迎风面,空气来流的滞止会产生很大的阻力损失;目前比较成熟的机械阀为旋转阀,需要专门的电力驱动,而且旋转阀的密封很困难,磨损严重,另外旋转阀只局限于多管PDE场合;气动阀则利用空气动力学原理,实现正向流阻小,反向流阻大的功能,形成近似于封闭的效果,有利于形成爆震波,但现有的气动阀型式尚无法达到完全封闭的效果,仍有少量的燃烧产物从进气道反向流出进气道形成负推力,同时,气动阀的存在不可避免地影响到推力壁的设计,使其不能处于最佳的工作状态。此外,为了缩短DDT距离,目前PDE均采用一些强化起爆的措施,如采用Shchelkin螺旋、金属环、孔板、中心体等;这些措施虽然有利于燃料掺混及缩短DDT距离,但同时也影响了正向爆震波的传播,造成很大的推力损失,这是不容忽视的问题。

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