[发明专利]一种涡轮组合脉冲爆震发动机

说明书

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其是一种脉冲爆震发动机。

背景技术

爆震波的发现最早可以追溯到18世纪末，相比于爆燃波，爆震波的传播速度可以达到几千米每秒，同时产生极高的燃气压力(大于15至55个大气压)和燃气温度(大于2800K)，根据传统CJ理论，CJ爆震点是熵增的最小点，这意味着以爆震燃烧为基础的推进系统在热循环效率上将非常具有优势，因此自上世纪四十年代开始，各机构竞相研究爆震发动机，在六十多年的探索研究阶段，出现了各种类型的爆震发动机，当前该领域研究的热点主要集中在基于脉冲爆震循环的脉冲爆震发动机。

对于纯脉冲爆震发动机，其不含任何转动部件，故结构简单、重量轻，但与传统冲压发动机相同的是，其必须利用速度冲压来实现空气的流入，因此发动机无法地面启动。为解决地面启动问题，进一步提高脉冲爆震发动机推进性能，同时实现功率提取，涡轮转动部件被引入到了脉冲爆震发动机中，即燃气涡轮脉冲爆震组合发动机。对于这种组合发动机结构，最早于2002年John hoke等人将汽车用涡轮增压器接到爆震管出口，以爆震燃烧波驱动涡轮，并进而实现自吸气；2005年美国GE公司提出了两种专利方案，其共同特点是将爆震管与燃气涡轮设计成一体，通过切向排气驱动涡轮，由于爆震管长度由DDT距离决定，故其最大的缺点就是其涡轮尺寸很大；当前美国GE公司、辛辛那提大学及日本东京理工大学研究的焦点都是将轴流涡轮置于爆震管出口的组合发动机方案。

将涡轮转动部件置于爆震室出口的初衷是以爆震燃烧取代现有燃气涡轮发动机中的稳态燃烧方式，从而方便新技术的移植，但另一方面其带来了新的问题：(1)由DDT距离决定的爆震管长度将长于现有发动机燃烧室，故涡轮与压气机间的轴间距将加长；(2)由于爆震室出口存在涡轮转动部件，爆震燃烧对其做功的同时，相比于无涡轮部件情况，爆震工作循环也会受涡轮影响，随着涡轮转速的增大，爆震循环与涡轮工作的耦合作用加强，从而增大爆震循环控制的复杂性进而降低爆震室可工作频率；(3)由于爆震燃烧过程的强烈非定常特性，使得涡轮进口最小压力与最大压力比至少差18倍，同时该压力落差变化在几个毫秒，当前的涡轮设计方法很难保证在这种高强度短时压力脉冲作用下的功率提取效率，实际测量值都较低，以上这些都是涡轮转动部件置于爆震室出口方案中必须解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术功率提取部件与爆震工作循环的耦合影响，本发明提出了一种将涡轮置于爆震室头部，利用回传爆震驱动涡轮的涡轮组合脉冲爆震发动机，能够实现地面启动、降低发动机进气阻力及实现发动机小型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括进气装置1、压气机、扩压缓冲腔3、径向涡轮4、导向器、导流机匣6、进气阀7、点火系统8、多管爆震室9、喷管10、内流道11、发动机壳体12及内环壁14，沿发动机的气流方向，进气装置1位于发动机壳体12最前端，压气机位于发动机壳体12内、进气装置1下游并与进气装置1同轴布置；压气机和径向涡轮4通过公共轴相连，径向涡轮4的涡轮盘在上游，叶片向下游；导流机匣6是压气机和径向涡轮4间的平滑过渡壳体，将轴承润滑系统、齿轮传动系统封装于压气机和径向涡轮4之间；导向器与径向涡轮4同轴，位于导流机匣6与径向涡轮之间；进气阀7位于导流机匣6和发动机壳体12内壁包围形成的气流流路内，并在压气机和径向涡轮4位置之间；扩压缓冲腔3开始于压气机下游，终止于进气阀7上游，是由导流机匣6和发动机壳体12围成的环形腔道，扩压缓冲腔3出口截面积应大于压气机与发动机壳体12内壁形成的气流流道的最小面积；多管爆震室9在进气阀7下游，是燃料/空气混合物的爆震燃烧区域，由多个独立爆震管沿圆周管环形分布而构成，该环状多管爆震室9的外环壁面为部分发动机壳体12，其内环壁面构成内环壁14，内环壁14与发动机壳体12的间距应大于采用的燃料/空气混合物的1倍胞格尺寸，同时内环壁14下游端面与多管爆震室9下游端面在同一平面；环状多管爆震室9从其上游端面开始在内环处开有环型空腔，导向器及径向涡轮4包于该环形空腔内，径向涡轮4叶片与内环壁14最小间距小于1mm，径向涡轮4最大外缘直径与内环壁14上游端面最大尺寸相同；径向涡轮4下游为内流道11，内流道11由内环壁14所包围形成，内环壁14上游插入导向器内，插入深度为0.2～0.6倍的导向器轴向长度；点火系统8为多管爆震室9的点火装置，一个爆震管对应一个点火系统；多管爆震室9出口连接喷管10。

进气装置1与传统发动机进气道相同。

压气机为现有技术，可以采用离心式压气机2a，也可以是轴流压气机2b。