一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法及喷管技术

本发明专利技术提出了一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法及喷管，在脉冲爆轰发动机尾部喷管扩张段壁面向喷管内部沿轴向方向等间距引入不少于两组环形射流，距离喷管喉部最近的一组射流需要布置在过膨胀现象出现位置之前，每组环形射流沿周向均匀布置，射流沿与喷管中心轴线垂直的径向方向进入喷管。按照本发明专利技术的方法在传统拉伐尔喷管扩张段壁面进行结构上的改进，在特定位置引入与中心主流马赫数相差很大的小股环形亚音速射流，在主流外侧形成新的控制面，使主流实际膨胀比更接近最佳值，有效提高了发动机的推力系数。同时由于引入的射流为环形射流，能达到喷管出口气流仍成轴对称型的效果，发动机推力沿喷管轴线方向。

Method and nozzle for improving thrust coefficient of pulse detonation engine

The present invention provides a method for increasing the pulse detonation detonation engine thrust coefficient and nozzle in pulse detonation engine tail nozzle is greater for nozzle spacing along the axial direction inside the introduction of not less than two groups of annular jet distance, a group of jet nozzle throat most need is arranged in front of over expansion phenomenon, each ring jet arranged uniformly along the circumference, along with jet nozzle axis perpendicular to the radial direction into the nozzle. Improves the structure of the traditional Laval nozzle expansion is greater in the method of the invention, the introduction and the difference between the number of shares of Maher center mainstream small annular subsonic jet in the specific position, the formation of a new control surface in the mainstream outside of the mainstream, the actual expansion ratio is closer to the optimal value, effectively improve the thrust coefficient of engine the. At the same time, because the jet is annular jet, it can achieve the effect of axial symmetry at the nozzle outlet, and the thrust of the engine is in the direction of the nozzle axis.

【技术实现步骤摘要】
一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法及喷管
本专利技术属于发动机尾喷管
，具体涉及一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法及适用该方法的非定常环形射流控制喷管。
技术介绍
基于空气动力学的定常喷管设计研究已相对成熟，但针对非定常流的喷管设计却至今未有突破性进展。随着脉冲爆轰发动机(PulseDetonationEngine，简称PDE)、脉动发动机等非定常发动机的研究与应用，非定常流中的喷管设计成为研究者需要突破的重要技术，研究者需要通过喷管将非定常发动机燃烧室内产生的热能充分地转化为增加发动机推力的动力能。而此类发动机不同于常规发动机，其燃烧室和喷管内流场不稳定，具有非定常性、周期性，因此常规定常喷管的设计理念在这里不再适用，固定尺寸的喷管无法长期工作在最佳膨胀状态下。脉冲爆轰发动机以脉冲式爆轰波为基础，爆轰波能产生极高的燃气压力和燃气温度，以每秒几千米的速度向未燃混合物传播，爆轰燃烧过程接近等容过程。根据热力学理论知基于等容燃烧的发动机Humphrey循环比基于等压燃烧的发动机Brayton循环具有更高的热循环效率。脉冲爆轰发动机燃烧理论上的优势如何转化为推进性能上的优势至今仍困扰着众多学者，要将高温高压爆轰燃气的热能转化为发动机的推进性能，途径之一就是在其尾部安装合适的喷管。而PDE的温度和压力大跨度特性和非定常特性一直制约着其非定常喷管的设计，至今学者对该发动机喷管的设计还未得出一致的结论，PDE喷管的最佳构型与燃料、填充率、频率、高度、飞行马赫数等工作参数紧密相关。根据相关研究，PDE若采用固定结构喷管，甚至会出现同一类喷管在发动机不同工作状态下对PDE推进性能的影响完全相反的现象。为此开发一种能适应脉冲爆轰发动机的变喷管具有重要的实际意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种通过环形射流控制喷管动边界来提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法以及基于该方法的适合脉冲爆轰发动机工作特性的非定常环形射流控制喷管。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法，具体为在脉冲爆轰发动机尾部喷管的扩张段壁面向喷管内部沿喷管轴向方向等间距引入不少于两组与中心流体马赫数差别很大的小股亚音速环形射流，距离喷管喉部最近的一组射流布置在过膨胀现象出现位置之前，即到喷管喉部的距离应小于喉部直径的0.2倍，每组环形射流沿喷管周向均匀布置，射流沿与喷管中心轴线垂直的径向方向进入喷管，所述喷管的喉部面积为喷管喉部达到音速时的临界面积的80％-90％。环形射流对主流控制呈现轴对称型，在主流外侧形成新的控制面，通过环形射流控制喷管动边界，从而根据喷管入口气流的超音速和亚音速状态调节喷管内主流的实际型面和实际出口面积，能够使主流出口的推力合力方向平行于发动机中心轴，使主流实际膨胀比更接近最佳值，以此来提高发动机的推力系数。射流总压设置需要保证：在PDE排气后期喷管内出现过膨胀时，射流开始进入喷管扩张段。进一步的，本专利技术还提供了一种基于上述方法的非定常环形射流控制喷管结构，包括收敛段和扩张段，所述扩张段内外壁之间沿喷管轴向设置不少于两组将喷管内部与外部连通的环形射流通孔。详细如下：一，所述喷管加装在脉冲爆轰发动机尾部，喷管扩张段的型面可设计为钟形型面，以达到通过射流控制后的扩张段主流型面流畅的效果。喷管喉部面积取比发动机填充进程中最低总压时的最佳喉部面积略小的值，喷管最佳喉部面积即为喷管喉部达到音速时的临界面积值，一般喷管喉部面积取最低总压工况时临界面积的80％-90％，以保证在最低总压工况下该结构火箭式脉冲爆轰发动机(PDRE)喷管喉部为临界流动。一般喉部面积的计算方式如下：(1)测得发动机填充时喷管入口的马赫数。或者由填充时气流总压和静压推算喷管入口马赫数，三者关系式为：式中γ为气流的比热容比，p为填充气流静压，p*为填充气流总压，M即为喷管入口马赫数。(2)根据喷管入口马赫数和喷管入口面积推算临界喉部面积，三者关系式为式中Acr即为喷管临界喉部面积，A为喷管入口面积，M仍为喷管入口马赫数。二，在所述扩张段内外壁之间沿喷管轴向设置不少于两组将喷管内部与外部连通的环形射流通孔，所述射流通孔用于引入环形射流，所述射流通孔沿喷管轴线方向等间距设置，环形射流对主流控制呈现轴对称型，控制均匀，能够使主流出口的推力合力方向平行于发动机中心轴。具体射流需要布置在过膨胀出现位置之前，射流位置过于靠后会导致喷管中心轴线上出现亚音速流动小区域团。因此距离喷管喉部最近的第一股射流到喷管喉部的距离应小于喉部直径的0.2倍。射流总压设置需要保证：在PDE排气后期喷管内出现过膨胀时，射流开始进入喷管扩张段。射流总压增加至射流入射压力趋于稳定即可，不能过大，否则导致射流入射马赫数过大。环形射流通孔有以下两种设置方式：第一种，每组射流通孔由注流孔、环形通道和出流环孔组成，所述环形通道为扩张段管壁中的环形内腔，所述注流孔为将环形通道与喷管外部连通的圆柱孔，所述出流环孔为连通环形通道与扩张段内壁且沿周向均布的圆柱孔。进一步的，所述环形通道的截面形状为矩形或圆形，每个环形通道的截面积为该组射流通孔中出流环孔的总截面积的85％-110％。进一步的，所述注流孔与喷管的中心轴线垂直设置且注流孔的延长线不与出流环孔的外圆相交，每组射流通孔包括不少于三个沿周向均布的注流孔。进一步的，所述出流环孔沿喷管的径向方向设置，这样能保证环形射流入射角度采用90°入射角，效果更好。出流环孔的直径范围为0.001-0.002m，深度为0.001-0.003m，每组射流通孔中相邻出流环孔的距离为0.002-0.004m。进一步的，所述每个注流孔中对应插入射流供气管，所述射流供气管由与喷管中心轴线平行和与喷管中心轴线垂直的两段进气直管组成。第二种，每组射流通孔由周向均布的圆柱形通孔组成，每个圆柱形通孔沿喷管的径向设置，同样保证射流入射角度采用90°入射角，每个圆柱形通孔直径范围为0.001-0.002m，每组射流通孔中相邻圆柱形通孔的距离为0.002-0.004m。每个圆柱形通孔对应插入射流供气管，所述射流供气管由与喷管轴线平行和与喷管轴线垂直的两段进气直管组成。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术通过在传统拉伐尔喷管扩张段壁面特定位置引入与中心主流马赫数相差很大的小股环形亚音速射流，在主流外侧形成新的控制面，达到主流实际型面和出口面积可控的效果。同时由于引入的射流为环形射流，控制均匀，能达到喷管出口气流仍成轴对称型的效果，发动机推力方向沿喷管轴线，使主流实际膨胀比更接近最佳值，有效提高发动机的推力系数，便于推力控制。附图说明图1是本专利技术实施例一喷管的结构示意图。图2是本专利技术实施例一喷管扩张段的左视图。图3是图1中A-A面剖视图。图4是图1中B-B面剖视图。图5是图3中C-C面剖视图。图6是本专利技术实施例二喷管的结构示意图。图7是图6中D-D面剖视图。图8是图7中E-E面剖视图。图9是常规拉伐尔喷管在PDRE排气后期出现过膨胀现象时马赫数流场图。图10是本专利技术喷管改善过膨胀现象后的马赫数流场图。图中：1—收敛段；2—扩张段；3—喉部；4—注流孔；5—环形通道；6—出流环孔；7—圆柱形射流通孔。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法，其特征在于：在脉冲爆轰发动机尾部喷管扩张段壁面向喷管内部沿喷管轴向方向等间距引入不少于两组的环形射流，距离喷管喉部最近的一组射流需要布置在过膨胀现象出现位置之前；每组环形射流沿周向均匀布置，射流沿与喷管中心轴线垂直的径向方向进入喷管，环形射流对主流控制呈现轴对称型，在主流外侧形成新的控制面，能够使主流出口的推力合力方向平行于发动机中心轴，使主流实际膨胀比更接近最佳值，以此来提高发动机的推力系数。其中，射流总压设置需要保证：在脉冲爆轰发动机排气后期喷管内出现过膨胀时，射流开始进入喷管扩张段；喷管的喉部面积为喷管喉部达到音速时的临界面积的80％‑90％。

【技术特征摘要】
1.一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法，其特征在于：在脉冲爆轰发动机尾部喷管扩张段壁面向喷管内部沿喷管轴向方向等间距引入不少于两组的环形射流，距离喷管喉部最近的一组射流需要布置在过膨胀现象出现位置之前；每组环形射流沿周向均匀布置，射流沿与喷管中心轴线垂直的径向方向进入喷管，环形射流对主流控制呈现轴对称型，在主流外侧形成新的控制面，能够使主流出口的推力合力方向平行于发动机中心轴，使主流实际膨胀比更接近最佳值，以此来提高发动机的推力系数。其中，射流总压设置需要保证：在脉冲爆轰发动机排气后期喷管内出现过膨胀时，射流开始进入喷管扩张段；喷管的喉部面积为喷管喉部达到音速时的临界面积的80％-90％。2.一种基于权利要求1所述方法的非定常环形射流控制喷管，其特征在于：包括收敛段(1)和扩张段(2)，所述扩张段(2)内外壁之间沿喷管轴向设置不少于两组将喷管内部与外部连通的环形射流通孔。3.根据权利要求2所述的一种非定常环形射流控制喷管，其特征在于：所述射流通孔沿喷管的轴向等间距设置，所述距离喷管喉部最近的一组射流通孔设置在过膨胀现象出现位置之前。4.根据权利要求2所述的一种非定常环形射流控制喷管，其特征在于：所述喷管扩张段(2)的型面为钟形，所述喷管的喉部面积为喷管喉部达到音速时的临界面积的80％-90％。5.根据权利要求2所述的一种非定常环形射流控制喷管，其特征在于：每组射流通孔由注流孔(4)、环形通道(5)和出流环孔(6)组成，所述环形通道(5)为扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：王研艳，杨燕，张玲，王斌，翁春生，
申请(专利权)人：南京工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32