[實用新型]一種提高脈沖爆轟發(fā)動機推力系數(shù)的非定常環(huán)形射流噴管

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720010586.9
• 申請日: 2017-01-05
• 公開（公告）號: CN207161224U
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王研艷;楊燕;張玲;王斌;翁春生
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: F02K1/28
• 分類號: F02K1/28
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 賈郡

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于發(fā)動機尾噴管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高脈沖爆轟發(fā)動機推力系數(shù)的非定常環(huán)形射流噴管。

背景技術(shù)

基于空氣動力學(xué)的定常噴管設(shè)計研究已相對成熟，但針對非定常流的噴管設(shè)計卻至今未有突破性進展。隨著脈沖爆轟發(fā)動機(Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)、脈動發(fā)動機等非定常發(fā)動機的研究與應(yīng)用，非定常流中的噴管設(shè)計成為研究者需要突破的重要技術(shù)，研究者需要通過噴管將非定常發(fā)動機燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱能充分地轉(zhuǎn)化為增加發(fā)動機推力的動力能。而此類發(fā)動機不同于常規(guī)發(fā)動機，其燃燒室和噴管內(nèi)流場不穩(wěn)定，具有非定常性、周期性，因此常規(guī)定常噴管的設(shè)計理念在這里不再適用，固定尺寸的噴管無法長期工作在最佳膨脹狀態(tài)下。

脈沖爆轟發(fā)動機以脈沖式爆轟波為基礎(chǔ)，爆轟波能產(chǎn)生極高的燃?xì)鈮毫腿細(xì)鉁囟龋悦棵霂浊椎乃俣认蛭慈蓟旌衔飩鞑ィZ燃燒過程接近等容過程。根據(jù)熱力學(xué)理論知基于等容燃燒的發(fā)動機Humphrey循環(huán)比基于等壓燃燒的發(fā)動機Brayton循環(huán)具有更高的熱循環(huán)效率。脈沖爆轟發(fā)動機燃燒理論上的優(yōu)勢如何轉(zhuǎn)化為推進性能上的優(yōu)勢至今仍困擾著眾多學(xué)者，要將高溫高壓爆轟燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為發(fā)動機的推進性能，途徑之一就是在其尾部安裝合適的噴管。而PDE的溫度和壓力大跨度特性和非定常特性一直制約著其非定常噴管的設(shè)計，至今學(xué)者對該發(fā)動機噴管的設(shè)計還未得出一致的結(jié)論，PDE噴管的最佳構(gòu)型與燃料、填充率、頻率、高度、飛行馬赫數(shù)等工作參數(shù)緊密相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，PDE若采用固定結(jié)構(gòu)噴管，甚至?xí)霈F(xiàn)同一類噴管在發(fā)動機不同工作狀態(tài)下對PDE推進性能的影響完全相反的現(xiàn)象。為此開發(fā)一種能適應(yīng)脈沖爆轟發(fā)動機的變噴管具有重要的實際意義。

實用新型內(nèi)容

針對上述問題，本實用新型的目的在于提供一種提高脈沖爆轟發(fā)動機推力系數(shù)的、適合脈沖爆轟發(fā)動機工作特性的非定常環(huán)形射流噴管。

實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為：

一種提高脈沖爆轟發(fā)動機推力系數(shù)的非定常環(huán)形射流噴管，包括收斂段和擴張段，所述擴張段內(nèi)外壁之間沿噴管軸向設(shè)置不少于兩組將噴管內(nèi)部與外部連通的環(huán)形射流通孔，通過射流通孔向噴管內(nèi)部引入環(huán)形射流。

詳細(xì)如下：

一，所述噴管加裝在脈沖爆轟發(fā)動機尾部，擴張段的型面可設(shè)計為鐘形型面，以達到通過射流控制后的擴張段主流型面流暢的效果。

噴管喉部面積取比發(fā)動機填充進程中最低總壓時的最佳喉部面積略小的值，噴管最佳喉部面積即為噴管喉部達到音速時的臨界面積值，一般噴管喉部面積取最低總壓工況時臨界面積的80％-90％，以保證在最低總壓工況下該結(jié)構(gòu)火箭式脈沖爆轟發(fā)動機(PDRE)噴管喉部為臨界流動。

一般喉部面積的計算方式如下：

(1)測得發(fā)動機填充時噴管入口的馬赫數(shù)。或者由填充時氣流總壓和靜壓推算噴管入口馬赫數(shù)，三者關(guān)系式為：

式中γ為氣流的比熱容比，p為填充氣流靜壓，p^*為填充氣流總壓，M即為噴管入口馬赫數(shù)。

(2)根據(jù)噴管入口馬赫數(shù)和噴管入口面積推算臨界喉部面積，三者關(guān)系式為

式中A_cr即為噴管臨界喉部面積，A為噴管入口面積，M仍為噴管入口馬赫數(shù)。

二，在所述擴張段內(nèi)外壁之間沿噴管軸向設(shè)置不少于兩組將噴管內(nèi)部與外部連通的射流通孔，所述射流通孔用于引入環(huán)形射流，所述射流通孔沿噴管軸線方向等間距設(shè)置，環(huán)形射流對主流控制呈現(xiàn)軸對稱型，控制均勻，能夠使主流出口的推力合力方向平行于發(fā)動機中心軸。具體射流需要布置在過膨脹出現(xiàn)位置之前，射流位置過于靠后會導(dǎo)致噴管中心軸線上出現(xiàn)亞音速流動小區(qū)域團。因此距離噴管喉部最近的第一股射流到噴管喉部的距離應(yīng)小于喉部直徑的0.2倍。射流總壓設(shè)置需要保證：在PDE排氣后期噴管內(nèi)出現(xiàn)過膨脹時，射流開始進入噴管擴張段。射流總壓增加至射流入射壓力趨于穩(wěn)定即可，不能過大，否則導(dǎo)致射流入射馬赫數(shù)過大。

射流通孔有以下兩種設(shè)置方式：

第一種，每組射流通孔由注流孔、環(huán)形通道和出流環(huán)孔組成，所述環(huán)形通道為擴張段管壁中的環(huán)形內(nèi)腔，所述注流孔為將環(huán)形通道與噴管外部連通的圓柱孔，所述出流環(huán)孔為連通環(huán)形通道與擴張段內(nèi)壁且沿周向均布的圓柱孔。

進一步的，所述環(huán)形通道的截面形狀為矩形或圓形，每個環(huán)形通道的截面積為該組射流通孔中出流環(huán)孔的總截面積的85％-110％。