[發明專利]一種渦輪組合脈沖爆震發動機

無效

• 申請號: 200910021781.1
• 申請日: 2009-04-01
• 公開（公告）號: CN101514656A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發明（設計）人: 邱華;嚴傳俊;范瑋;鄭龍席
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F02C3/04
• 分類號: F02C3/04;F02C3/05;F02C3/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及發動機技術領域，尤其是一種脈沖爆震發動機。

背景技術

爆震波的發現最早可以追溯到18世紀末，相比于爆燃波，爆震波的傳播速度可以達到幾千米每秒，同時產生極高的燃氣壓力(大于15至55個大氣壓)和燃氣溫度(大于2800K)，根據傳統CJ理論，CJ爆震點是熵增的最小點，這意味著以爆震燃燒為基礎的推進系統在熱循環效率上將非常具有優勢，因此自上世紀四十年代開始，各機構競相研究爆震發動機，在六十多年的探索研究階段，出現了各種類型的爆震發動機，當前該領域研究的熱點主要集中在基于脈沖爆震循環的脈沖爆震發動機。

對于純脈沖爆震發動機，其不含任何轉動部件，故結構簡單、重量輕，但與傳統沖壓發動機相同的是，其必須利用速度沖壓來實現空氣的流入，因此發動機無法地面啟動。為解決地面啟動問題，進一步提高脈沖爆震發動機推進性能，同時實現功率提取，渦輪轉動部件被引入到了脈沖爆震發動機中，即燃氣渦輪脈沖爆震組合發動機。對于這種組合發動機結構，最早于2002年John?hoke等人將汽車用渦輪增壓器接到爆震管出口，以爆震燃燒波驅動渦輪，并進而實現自吸氣；2005年美國GE公司提出了兩種專利方案，其共同特點是將爆震管與燃氣渦輪設計成一體，通過切向排氣驅動渦輪，由于爆震管長度由DDT距離決定，故其最大的缺點就是其渦輪尺寸很大；當前美國GE公司、辛辛那提大學及日本東京理工大學研究的焦點都是將軸流渦輪置于爆震管出口的組合發動機方案。

將渦輪轉動部件置于爆震室出口的初衷是以爆震燃燒取代現有燃氣渦輪發動機中的穩態燃燒方式，從而方便新技術的移植，但另一方面其帶來了新的問題：(1)由DDT距離決定的爆震管長度將長于現有發動機燃燒室，故渦輪與壓氣機間的軸間距將加長；(2)由于爆震室出口存在渦輪轉動部件，爆震燃燒對其做功的同時，相比于無渦輪部件情況，爆震工作循環也會受渦輪影響，隨著渦輪轉速的增大，爆震循環與渦輪工作的耦合作用加強，從而增大爆震循環控制的復雜性進而降低爆震室可工作頻率；(3)由于爆震燃燒過程的強烈非定常特性，使得渦輪進口最小壓力與最大壓力比至少差18倍，同時該壓力落差變化在幾個毫秒，當前的渦輪設計方法很難保證在這種高強度短時壓力脈沖作用下的功率提取效率，實際測量值都較低，以上這些都是渦輪轉動部件置于爆震室出口方案中必須解決的問題。

發明內容

為了克服現有技術功率提取部件與爆震工作循環的耦合影響，本發明提出了一種將渦輪置于爆震室頭部，利用回傳爆震驅動渦輪的渦輪組合脈沖爆震發動機，能夠實現地面啟動、降低發動機進氣阻力及實現發動機小型化。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：包括進氣裝置1、壓氣機、擴壓緩沖腔3、徑向渦輪4、導向器、導流機匣6、進氣閥7、點火系統8、多管爆震室9、噴管10、內流道11、發動機殼體12及內環壁14，沿發動機的氣流方向，進氣裝置1位于發動機殼體12最前端，壓氣機位于發動機殼體12內、進氣裝置1下游并與進氣裝置1同軸布置；壓氣機和徑向渦輪4通過公共軸相連，徑向渦輪4的渦輪盤在上游，葉片向下游；導流機匣6是壓氣機和徑向渦輪4間的平滑過渡殼體，將軸承潤滑系統、齒輪傳動系統封裝于壓氣機和徑向渦輪4之間；導向器與徑向渦輪4同軸，位于導流機匣6與徑向渦輪之間；進氣閥7位于導流機匣6和發動機殼體12內壁包圍形成的氣流流路內，并在壓氣機和徑向渦輪4位置之間；擴壓緩沖腔3開始于壓氣機下游，終止于進氣閥7上游，是由導流機匣6和發動機殼體12圍成的環形腔道，擴壓緩沖腔3出口截面積應大于壓氣機與發動機殼體12內壁形成的氣流流道的最小面積；多管爆震室9在進氣閥7下游，是燃料/空氣混合物的爆震燃燒區域，由多個獨立爆震管沿圓周管環形分布而構成，該環狀多管爆震室9的外環壁面為部分發動機殼體12，其內環壁面構成內環壁14，內環壁14與發動機殼體12的間距應大于采用的燃料/空氣混合物的1倍胞格尺寸，同時內環壁14下游端面與多管爆震室9下游端面在同一平面；環狀多管爆震室9從其上游端面開始在內環處開有環型空腔，導向器及徑向渦輪4包于該環形空腔內，徑向渦輪4葉片與內環壁14最小間距小于1mm，徑向渦輪4最大外緣直徑與內環壁14上游端面最大尺寸相同；徑向渦輪4下游為內流道11，內流道11由內環壁14所包圍形成，內環壁14上游插入導向器內，插入深度為0.2～0.6倍的導向器軸向長度；點火系統8為多管爆震室9的點火裝置，一個爆震管對應一個點火系統；多管爆震室9出口連接噴管10。

進氣裝置1與傳統發動機進氣道相同。

壓氣機為現有技術，可以采用離心式壓氣機2a，也可以是軸流壓氣機2b。