阅读说明：本技术 脉冲驱动装置 (Pulse driving device ) 是由 H.鲁格 T.皮特汉斯 M.苏特 于 2018-11-05 设计创作，主要内容包括：一种用于重复产生爆炸、特别用于驱动飞行器的装置。其包括：燃烧室(21)；至少一个供给管线,用于将可流动爆炸性材料或在混合时形成爆炸性材料的组分供给到燃烧室(21)；用于定向排出通过点燃所述燃烧室(21)中的爆炸性材料而产生的气体压力的排出装置；用于部分或完全关闭排出装置的可移动喷嘴调节元件(26)；致动元件(25),其构造成在排出装置打开之后并且在爆炸气体通过排出装置流出期间进一步打开排出装置。在此,所述排出装置具有用于排出气体压力的多个部分喷嘴(40),并且所述部分喷嘴(40)的位置可以通过所述致动元件(25)来设置。(A device for the repeated generation of explosions, in particular for driving an aircraft. It includes: a combustion chamber (21); at least one supply line for supplying flowable explosive material or components which form explosive material when mixed to the combustion chamber (21); -discharge means for the directed discharge of the gas pressure generated by the ignition of the explosive material in the combustion chamber (21); a movable nozzle adjustment element (26) for partially or fully closing the discharge means; an actuating element (25) configured to further open the evacuation device after it is opened and during the outflow of the explosive gas through the evacuation device. The discharge device has a plurality of partial nozzles (40) for discharging the gas pressure, and the position of the partial nozzles (40) can be set by means of the actuating element (25).)

脉冲驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于重复产生***以用于能量转换、例如用于特别是在飞行器中产生推力的装置和方法。

背景技术

推进发动机、所谓的脉冲爆震发动机（PDE）是公知的，关于该发动机，利用在恒定容积下的等容燃烧（即，通过***）的温度和压力增加，而不是在恒定压力下的连续燃烧。与其中所产生的压力以直接的方式驱动活塞的内燃发动机不同，期望使流出的燃烧气体的动能最大化。因此，***所产生的燃烧气体将加速到最大速度以用于产生最大推力，并将应用于推进目的。用于发电的Holzwarth涡轮机以及通过***产生处于高频的推力的脉冲喷气发动机已经成为公知的。

在欧洲专利申请EP 2319036A2 （以及同样地US 2011/180020A1）中描述了一种用于通过***产生压力脉冲的方法。在此，氧化剂和可燃物的混合物在由阀关闭的容器中被点燃，并且产生***。在点火之前不久打开阀，并且***的压力波可以经由出口开口被引导到其指定位置。也称为***发生器（EG）的该装置现今被应用于清洁被污染的蒸汽锅炉。

在欧洲专利申请EP 3146270A1 （以及同样在US 2017/082069A1）中公开了一种脉冲爆震驱动装置，所述脉冲爆震驱动装置包括致动装置，该致动装置在***气体通过出口喷嘴流出的情况下调节喷嘴入口面积和喷嘴出口面积之间的面积比，所述比至少近似地遵循理想的面积比，以用于根据***空间中的压力产生***气体的最大出口速度。

发明内容

本发明的一个可能的目的是提供一种开始提到的类型的装置和方法，其实现了在***的情况下所释放的能量到燃烧气体的动能的改进的转换。

该目的通过具有相应独立专利权利要求的特征的装置和方法来实现。

该装置用于重复产生***，并用于将化学能转换成所述***的流出排气的动能，特别是用于产生推进飞行器的推力。其包括：

•作为***空间的燃烧室，

•至少一个供给管道，用于将可流动***性材料或在混合时形成***性材料的组分供给到燃烧室；

•用于定向排出通过点燃***性材料而在燃烧室中产生的气体压力的排出装置，

•作为用于部分或完全关闭排出装置的关闭元件的可移动喷嘴调节元件；

•致动元件，其设计成在排出装置的打开之后并且在***气体通过排出装置的流出期间进一步（连续）打开排出装置。

在此，排出装置包括用于排出气体压力的多个部分喷嘴，并且部分喷嘴的位置可以通过致动元件被调节。

部分喷嘴均对应于排出装置的单独开口。原则上，单独开口是可单独闭合的，但是在实施例中，单独开口可以共同地被激活和共同地被闭合。

在致动元件的相同的行程的情况下，与仅使用具有仅一个喷嘴开口的一个喷嘴相比，在使用多个单独的小的部分喷嘴时可以释放更大的截面面积。这意味着，在仅有一个大的喷嘴的情况下，为了释放相同的截面面积，需要明显地进一步打开致动元件。这意味着，为了实现每单位时间的截面面积的相同的增加，致动元件的速度必须更高。在实践中，致动元件的最大速度是关键的、限制性的变量。因此，如果致动元件的必要速度保持尽可能小并且在此释放的面积保持尽可能最大，则是有利的。

因此，在实施例中，喷嘴、特别是缩放式喷嘴由部分喷嘴的总和实现，并且该喷嘴确保在喷嘴端部（喷嘴出口区域）和喷嘴颈部（喷嘴入口区域）之间的最佳理想面积比在整个流出时间期间总是至少近似地被调节。由此，装置的排气（燃烧后的气体）的流出速度或其动能可以理想地至少近似地最大化。流出速度优选地超过声速。如果装置或运载工具直接由排气驱动/推进，则根据流出速度产生影响推进的推力。在此，根据内部压力，通过排出装置的相应开口宽度，推力可以最大化。如果涡轮机由排气驱动，那么排气的动能的仅仅一部分用于该驱动。根据该涡轮机的设计和设置/调节，涡轮机的出口处的动能的剩余部分可以直接用于驱动/推进该装置或运载工具。

总体上，通过该装置可以实现将化学能转化为机械能或功的高效率。化学能定义为以化合物形式储存在能量载体中并且在化学反应的情况下可以被释放的能量形式。

与欧洲专利申请EP 3146270A1（或US 2017/082069A1）的已知脉冲爆震驱动装置相反，所有喷嘴的整体截面面积改变的速度可以增大。

在实施例中，每个部分喷嘴包括部分阀座和部分阀体，并且部分喷嘴入口面积由部分阀体相对于部分阀座的位置确定。在此，喷嘴调节元件确定部分阀体相对于部分阀座的位置。

在此，部分喷嘴可以可通过相应的部分阀体朝向相应的部分阀座的运动而关闭。部分喷嘴入口面积的总和形成总喷嘴入口面积，并且部分喷嘴出口面积的总和形成总喷嘴出口面积。

在实施例中，部分阀体是阀体的每个部分。因此，阀体的运动引起部分阀体彼此的运动，特别是部分阀体朝向部分阀座或远离部分阀座的运动。在实施例中，部分阀座均形成在共同的阀座本体上。

在实施例中，部分喷嘴的开口包括彼此同心地布置的环形开口。

在实施例中，部分阀的开口均包括单独的圆形开口。开口可以全部具有相同的尺寸或相同的直径，或者可以具有不同的直径。在实施例中，部分阀的开口均包括单独的线性开口。

在实施例中，部分喷嘴均包括呈调节阀针形式的部分阀体，并且部分喷嘴的部分喷嘴入口面积由调节阀针相对于部分阀座的位置确定。

在实施例中，调节阀针均具有朝向阀尖端渐缩的外部轮廓，特别是至少近似锥形的外部轮廓。

在实施例中，部分阀座和部分阀体形成相应的部分喷嘴的缩放部分（convergent-divergent part）。

将可流动的***性物质或可流动的***性混合物引入燃烧室中，所述可流动的***性物质或可流动的***性混合物通过混合优选本身是非***性的组分形成。可流动物质和/或物质混合物例如是气态、流体、粉末状、尘状或粉状或这些组分物质的混合物。通常，一种组分是可燃物，并且另一组分是氧化剂。例如，混合物由两种加压气体组成。在此和下文中，物质和混合物的所有变型和可能的组合被简称为“可流动***性材料”，而不应将其理解为对单一物质或特定混合物的限制。

在恒定容积下的等容燃烧的情况下，与在恒定压力下的燃烧的情况相比，实现了更高的燃烧温度。在***燃烧的情况下，附加地实现巨大的压力增加。例如，在空气和天然气在恒定容积下的化学计量燃烧的情况下，可以实现压力增加到7.5倍，即在10巴的混合物的初始压力的情况下，***空间中的峰值压力是大约75巴。在这种具有等容燃烧的应用中，目的是产生以最大速度离开***空间的气体射流。

在实施例中，所述装置被提供用于与被提供在环境压力和二十倍环境压力之间、例如在六倍和十二倍环境压力之间的初始压力一起使用。

在实施例中，燃烧室具有可变的容积。

由此，可以使燃烧室的容积相对于最大容积减小。在燃烧室容积减小的情况下，燃烧后的混合物与最大容积相比更快地流出。缩短的流出持续时间导致推力在较短的持续时间内存在。因此，装置在几个脉冲上的平均推力减小。减小的容积同时导致每脉冲以及还在时间平均上更少量的***混合物。

在实施例中，该装置包括可移位地布置的分隔壁，该分隔壁形成燃烧室的界限。

由此，燃烧室容积的变化可以以机械上简单的方式实现。

在实施例中，分隔壁形成燃烧室的与排出装置相对的界限。特别地，致动元件可以被引导穿过分隔壁。

由此，燃烧室的容积的变化可以以节省空间的方式实现，并且燃烧室的旋转对称形状可以独立于分隔壁的位置而被保持。

在实施例中，致动元件包括驱动装置，用于驱动排出装置的打开运动，特别是通过借助于辅助***装置实现的驱动装置，在辅助***装置中，辅助***产生有助于打开运动的力。

在最初提到的EP 2319036A2中描述了关于这种辅助***装置的驱动的细节。特别地，根据实施例，可以通过也称为延迟管道的管道，使辅助***装置中的***与***空间中的***同步。

通过流出的***气体反作用于致动元件，可以产生有助于打开运动的另一个力或力分量。

在实施例中，致动元件被构造成暂时完全关闭排出装置。因此，可以在点火之前将***空间中的压力增加到环境压力以上。

在实施例中，该装置包括用于压缩***性材料的组分中的至少一种或可流动***性材料的压缩装置。

由此，在点火之前，***性材料的压力可以相对于环境压力增加。由***产生的压力是点火之前该压力的函数，并且因此也相应地增加。因此，由该装置产生的推力也能够增加。

在实施例中，压缩装置是连续操作的压缩机，特别是旋转压缩机，例如涡轮压缩机。

压缩机可以是旋转压缩机，特别是涡轮压缩机。

在实施例中，压缩机由涡轮机驱动，并且涡轮机布置成由来自涡轮机燃烧室的排气射流驱动，其中涡轮机燃烧室不同于燃烧室。

换句话说，压缩机、涡轮机和涡轮机燃烧室在此是燃气涡轮机的部件。使用燃气涡轮机以便操作压缩机。涡轮机或涡轮机燃烧室可以利用与燃烧室相同的可燃物操作。因此，***性材料可以是与燃烧室中相同的混合物，但是具有不同的混合比。

在实施例中，压缩机由涡轮机驱动，并且涡轮机布置成由燃烧室的排气驱动。

因此，与具有单独的燃气涡轮机的拓扑结构相反，在此PE的排气流被用于压缩机的驱动。这简化了所述装置，并且由于与常规燃气涡轮机相比PE的通常更好的效率，增加了所述装置的总效率。

在实施例中，所述装置包括用于将机械功输送到机械消耗装置的输出。

在实施例中，该装置包括用于将机械功输送到流体机械（flow machine）的输出。这可以是用于推进运载工具、特别是飞行器的推进器。

在实施例中，该装置包括用于将机械功输送到发电机的输出。因此，机械功被转换成电能。

在实施例中，该装置包括呈空气入口形式的压缩装置，用于在装置相对于环境空气的超音速的情况下压缩流入的空气。

这种压缩装置可以替代地或附加地存在于压缩机中。因此，特别地，在飞行器的情况下，在达到超音速时，压缩机中的压缩可以由空气入口中的压缩代替。

在实施例中，排出装置被构造成在***气体通过排出装置流出的情况下调节排出装置的总喷嘴入口面积与总喷嘴出口面积之间的面积比，所述比至少大致遵循理想面积比，以根据燃烧室中的压力产生***气体的最大出口速度。

这可以通过喷嘴调节元件来实现，所述喷嘴调节元件被布置用于改变总喷嘴入口面积，该总喷嘴入口面积是部分喷嘴入口面积的总和。在此，致动元件可以被构造成控制喷嘴调节元件的移动，以用于至少近似地根据所提到的理想面积比来调节总喷嘴入口面积。

在实施例中，致动装置包括驱动装置，用于驱动喷嘴调节元件的打开运动，特别是通过借助于具有辅助燃烧室的辅助***装置实现的驱动装置，在辅助***装置中，辅助***产生有助于打开运动的力。

在实施例中，致动装置包括制动装置，用于延迟调节阀的打开运动，特别是通过由气体压缩弹簧或凸轮轴或气体压缩弹簧与凸轮轴的组合实现的制动装置。

在实施例中，喷嘴调节元件被构造成暂时完全关闭排出开口。

用于重复产生***和用于将化学能转换成***的流出排气的动能、特别是用于产生用于推进飞行器的推力的方法包括重复执行以下步骤：

•将可流动***性材料或混合时形成***性材料的组分供给到燃烧室中，其中，燃烧室的排出装置至少部分地通过可移动的喷嘴调节元件而关闭；并且相对于环境压力在燃烧室中产生过压；

•打开排出装置；

•点燃燃烧室中的***性材料；

•通过排出装置导出***气体：

•通过可移动喷嘴调节元件至少部分地关闭排出装置。

在此，

•为了打开排出装置和导出***气体，多个部分喷嘴彼此同步打开。

•为了至少部分地关闭排出装置，多个部分喷嘴至少部分地彼此同步地关闭。

在实施例中，以时间上重叠的方式执行部分步骤“打开排出装置”、“点燃燃烧室中的***性材料”和“借助于可移动喷嘴调节元件通过排出装置导出***气体”。

在实施例中，部分喷嘴均包括部分阀座和部分阀体，并且部分阀体通过喷嘴调节元件相对于部分阀座彼此同步地移动。

进一步优选的实施例将从从属专利权利要求中得到。在此，方法权利要求的特征在适当的情况下可以与装置权利要求组合，并且反之亦然。

附图说明

在下文中通过在附图中呈现的优选实施例示例更详细地解释本发明的主题。示意性地示出了：

图1示出了脉冲驱动机或脉冲发动机（PE）；

图2示出了PE的操作模式，其中所述PE的燃烧室的容积可变；

图3示出了具有可变频率的操作模式；

图4示出了通过使用具有单独的喷嘴开口的多个部分喷嘴来增加打开速度；

图5示出了均具有多个喷嘴开口的不同喷嘴本体；

图6示出了通过单独的燃气涡轮机进行增压的PE；

图7示出了通过由PE的排气驱动的涡轮机来增压的PE；

图8示出了具有由涡轮机驱动的推进器的PE；以及

图9示出了具有由涡轮机驱动的发电机的PE。

基本上，在附图中，相同或等同作用的部件设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于重复产生***的装置，在下文中也称为脉冲发动机或PE 15。燃烧室21或***空间可以经由填充装置填充有可流动***性材料，例如***性气体混合物。为此，填充装置包括用于供给氧化剂（例如空气）的燃烧室空气入口12，以及用于供给可燃物或燃料（例如氢气）的燃烧室可燃物入口14。由此形成的可流动***性材料可以被点火装置（例如被火花塞23）点燃并引发***。

燃烧室21的用于排气17的出口穿过喷嘴开口27。喷嘴开口27通过致动元件24的喷嘴调节元件26是可闭合的。在中性位置中，喷嘴开口27被致动元件25关闭，致动元件25在此通过空气弹簧24保持在该位置中。

在燃烧室21的填充期间，喷嘴调节元件26朝向喷嘴开口27密封燃烧室21。由此，可以产生具有过压的初始压力，利用该过压又可以产生更大的***压力。

辅助燃烧室22同样可经由具有辅助燃烧室空气入口11和具有辅助燃烧室可燃物入口13的另一填充装置填充有***性材料。致动元件25可借助于辅助燃烧室22中的***来克服空气弹簧24的压力而移动并且喷嘴开口27可以由此被打开。

在PE 15操作时，辅助燃烧室22和燃烧室21可以均填充有相同的***性材料。原则上，在两个燃烧室中也可以施加不同的材料或不同的混合物。首先，***性材料在辅助燃烧室22中通过所分配的火花塞23被点燃。由此，辅助燃烧室22中的压力升高并且致动元件25开始移动并且因此开始释放燃烧室21的喷嘴开口27。***性材料随后在燃烧室21中例如通过另一火花塞23被点燃。

因此，辅助燃烧室22和燃烧室21的火花塞23在彼此之后不久被点燃。两个点火时刻之间的延迟可以选择为使得排气17的排出速度或转换成排气17的动能的总能量被最大化。

在另一实施例中，燃烧室21中的材料经由同样填充有***性材料的管道或延迟管道通过来自辅助燃烧室22并被引导通过延迟管道的***被点燃。

燃烧室（燃烧室21和辅助燃烧室22）的填充可以分阶段地并按以下顺序进行，首先是氧化剂通过燃烧室空气入口12或辅助燃烧室空气入口11，然后是可燃物通过燃烧室可燃物入口14或辅助燃烧室可燃物入口3。因此，相应的燃烧室壁可以在填充期间用氧化剂冷却，而混合物不能在燃烧室壁上点燃。由此产生的冷却可能性允许循环频率最大化。因此，功率密度、因此每燃烧室容积的最大推力可以被最大化。

关于用于装置的操作的设计和方法方面的其它要素，参考最初提到的EP3146270A1，其内容因此被采纳到本申请中。

燃烧室21包括分隔壁28，其形成燃烧室21的整个壁的一部分。燃烧室21的容积可通过使分隔壁28移位而改变。分隔壁28可以通过示意性示出的调节装置281而移位，并且容积可以由此改变。在图1中，分隔壁28例如可在与致动元件25往复运动所沿的方向相同的方向上移动。

图2示出了在其燃烧室中具有可变容积的PE 15的操作模式，每个具有由PE 15产生的推力F的时间过程：在上部过程中具有较大的燃烧室容积，而在下部过程中具有较小的燃烧室容积，但具有恒定的脉冲周期tc。在燃烧室容积减小的情况下，燃烧后的混合物与较大的容积相比更快地流出。缩短的流出持续时间导致推力在较短的持续时间内占优势。因此PE 15的平均推力随时间减小。由于较低的容积，每个脉冲的可燃物和氧化剂的消耗及其时间平均值也减少。

图3示出了具有可变频率的PE 15的操作模式，在上部过程中具有较大的操作频率（或较小的脉冲周期tc 1），而在下部过程中具有较小的操作频率（或较大的脉冲周期tc2）。在此，仅仅是每单位时间的推力脉冲的数量被减少，而脉冲本身保持相同，即具有相同的量。由此，也降低了在时间平均中的推力和消耗。

在操作时，容积以及操作频率可以变化。由此，可以以不同的组合容积和操作频率实现相同的平均推力，并且优化操作。例如，混合物的化学计量可以随其变化。例如，可以通过调整操作频率，并且然后在恒定负载的情况下通过在由操作频率进行补偿的同时缓慢调整容积来实现快速负载变化。在优化的情况下，可以考虑到这样的事实，即，在通过操作频率进行推力调节的情况下，单独脉冲可以都是某种优化的时间过程或脉冲类型。关于热损失，就表面与容积的比率而言，与小容积相比，大容积是更有利的。在驱动排气涡轮机的情况下，在选择操作状态时存在附加的自由度：取决于排气涡轮机的效率如何表现为PE频率和PE容积的函数，如果PE容积可以在部分负载区域中减小，则可能是有利的。

图4示出了通过使用具有单独的喷嘴开口的多个部分喷嘴来增加打开速度。在左侧示出了具有单独的喷嘴开口27的喷嘴，并且在右侧示出了具有多个部分喷嘴40的喷嘴。每个部分喷嘴40包括部分阀座41和部分阀体42。部分阀体42可以支承在部分阀座41上，并因此关闭所述部分喷嘴40，并且可以移动离开部分阀座41，以用于打开部分喷嘴40。部分阀体42可以通过致动元件25而被共同地移动，即同步地移动，例如通过使部分阀体42形成在同一本体上，或者全部以刚性方式彼此紧固在致动元件25上或紧固在共同的致动装置上。在使部分阀体42远离部分阀座41移动时，在阀体或致动元件25的相同行程的情况下，与仅使用一个喷嘴时相比，释放了更大的截面面积。因此，所有部分喷嘴40的总截面面积的时间变化大于使用仅一个单个喷嘴时的变化。因此，通过包括多个单独的部分喷嘴的喷嘴开口27，可以提高打开喷嘴开口27和释放更大截面面积的速度，而不必使致动元件25更快地移动。

多个部分喷嘴40或喷嘴开口27可以不同地成形。图5示出了不同的喷嘴本体30，每个喷嘴本体具有多个喷嘴开口27，这些喷嘴开口被布置成同心环、径向线性射流以及布置成具有不同直径的圆形开口。在其它实施例中，圆形开口都具有相同的直径（未示出）。

图6示出了通过单独的燃气涡轮机进行增压（charging）的PE 15。在此，燃料或可燃物从可燃物箱7经由燃料输送装置18并经由燃料入口阀（辅助燃烧室可燃物入口13和燃烧室可燃物入口14）输送到PE 15的燃烧室21和辅助燃烧室22。另一燃料输送装置18b经由涡轮机燃烧室供给阀10将燃料输送到连续（即非脉动）方式操作的涡轮机燃烧室6，并经由涡轮机4和轴3驱动压缩机2。该压缩机2由来自空气入口1的空气供给、压缩所述空气并经由空气入口阀（辅助燃烧室空气入口11和燃烧室空气入口12）将其引导到燃烧室21、22中。

压缩机2可以是径流式压缩机或轴流式压缩机，也可以是一级或多级的。涡轮机4和另一涡轮机4b可以是一级或多级的。

空气可以已经在空气入口1中通过冲压压力压缩被预压缩。流入空气16的马赫数越高，这种（预）压缩越大。由于在足够高的马赫数的情况下，空气已经在空气入口1中被充分压缩，所以压缩机2在这些马赫数下变得多余。在需要压缩机2的马赫数下，旁通阀8关闭并且压缩机入口阀9打开。如果由于流入空气16的高速度而不再使用压缩机，则压缩机入口阀9关闭，并且旁通阀8打开。由此，压缩机2被桥接。在这种情况下，压缩机出口阀19也关闭。

特别是飞行器的运载工具可以由PE 15的流出排气17或由通过其产生的推力来推进。

图7示出了通过另一涡轮机4b增压的PE 15，该涡轮机4b由PE 15的排气17经由共同轴3驱动。压缩机2也可以经由由来自PE 15的排气17驱动的涡轮机4b驱动，而不是由作为辅助组件的单独的燃气涡轮机驱动。在这种情况下，可以放弃另外的燃料输送装置18b以及涡轮机燃烧室6。

图8示出了PE 15，其中由PE 15的排气17驱动的另一涡轮机4b特别是经由减速器20驱动推进器或螺旋桨201。该推进器可以是有护罩的或无护罩的设计。与涡轮螺旋桨一样，该推进器用于推进运载工具，特别是飞行器。另一涡轮机4b的排气射流5同样可以有助于推进。

图9示出了PE 15，其中由PE 15的排气17驱动的另一涡轮机4b驱动发电机202。必要时，减速器20可以布置在轴3和发电机202之间。