阅读说明：本技术 双涵道脉冲爆震发动机及具有其的飞行器 (Double-duct pulse detonation engine and aircraft with same ) 是由 张坤 陈亚农 徐友良 谭云杰 王亮 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双涵道脉冲爆震发动机及具有其的飞行器,包括：发动机外壳,发动机外壳内设有进气道、外涵道及尾喷道,外涵道内设有内涵道和爆震燃烧室,进气道的进气端与大气连通。外涵道的进气端和内涵道的进气端分别与进气道的排气端连通,爆震燃烧室的进气端与内涵道的排气端连通,以使空气流进入爆震燃烧室内参与爆震燃烧,外涵道用于将空气流引流至爆震燃烧室的外周壁处以冷却爆震燃烧室。尾喷道的进气端与外涵道的排气端连通,爆震燃烧室的排气端伸入尾喷道内,以在爆震燃烧室排气端喷出的燃气流的引射效应下,使外涵道内冷却爆震燃烧室后形成的加热气流与燃气流加速掺混形成混合气流,并由尾喷道的排气端加速喷出。(The invention discloses a double-duct pulse detonation engine and an aircraft with the same, wherein the double-duct pulse detonation engine comprises: the engine shell is internally provided with an air inlet channel, an outer duct and a tail spraying channel, the outer duct is internally provided with an inner duct and a detonation combustion chamber, and the air inlet end of the air inlet channel is communicated with the atmosphere. The air inlet end of the outer duct and the air inlet end of the inner duct are communicated with the air outlet end of the air inlet channel respectively, the air inlet end of the detonation combustion chamber is communicated with the air outlet end of the inner duct, so that air flow enters the detonation combustion chamber to participate in detonation combustion, and the outer duct is used for guiding the air flow to the outer peripheral wall of the detonation combustion chamber to cool the detonation combustion chamber. The air inlet end of the tail spraying channel is communicated with the exhaust end of the outer channel, the exhaust end of the detonation combustion chamber extends into the tail spraying channel, and under the injection effect of fuel gas flow sprayed from the exhaust end of the detonation combustion chamber, heating air flow and fuel gas flow which are formed after the detonation combustion chamber is cooled in the outer channel are mixed in an accelerating mode to form mixed air flow, and the mixed air flow is sprayed out from the exhaust end of the tail spraying channel in an accelerating mode.)

双涵道脉冲爆震发动机及具有其的飞行器

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种双涵道脉冲爆震发动机。此外，本发明还涉及一种包括上述双涵道脉冲爆震发动机的飞行器。

背景技术

脉冲爆震发动机是一种新型高性能发动机，可用于航空航天类飞行器的动力装置，目前，脉冲爆震发动机处于研究探索试验阶段。脉冲爆震发动机具有更高的热循环效率(等压发动机的等压热力循环效率为27％，等容发动机的等容热力循环效率为47％，脉冲爆震发动机的脉冲爆震热力循环效率为48％，脉冲爆震发动机(PDE)循环、等容循环、等压循环理想热力循环温熵变化对比如附图图1所示)。相对于传统涡轮发动机，脉冲爆震发动机结构简单、质量轻、推重比大(超过20)、单位燃油消耗率低、工作范围宽(飞行马赫数Ma＝0～10，飞行高度0～50Km)，因其具有以上诱人优势，脉冲爆震发动机拥有广阔的商用、军用和空间技术等潜在应用价值。

现阶段推进器对脉冲爆震技术的应用多为单涵道结构发动机，即“纯”脉冲爆震发动机，单个爆震管或多爆震管周向并排，其结构如附图图2所示，仅依靠高速脉冲爆震波来实现推力，该型发动机控制、点火(能量需求大)、燃油供应等所需能源须外部提供。此外，脉冲爆震发动机技术还被用作与燃气涡轮发动机组合，替换燃气涡轮发动机核心机或燃烧室，其结构如附图图3所示，高速脉冲燃气推动涡轮做功，为压气机提供动力或对外功率输出，该型发动机控制、点火、燃油供应等所需能源可以实现自给自足。

现有“纯”脉冲爆震发动机存在以下缺点：

1)工作时间过长或频率过高时，将会面临着爆震燃烧管过热问题(爆震燃烧温度可达2000℃)，此问题未得到有效解决，制约燃烧管使用寿命；

2)脉冲爆震发动机燃烧管热能得不到有效利用，任由其自由耗散，严重影响其循环热效率或推力的进一步提高；

3)脉冲爆震控制系统、点火系统、燃油系统等所需能源不能实现自足，必须由外部能源装置提供能源。

脉冲爆震发动机与燃气涡轮发动机组合形式发动机存在以下缺点：

1)该种形式发动机处于初步设想阶段，距离现实存在较长距离；

2)目前技术水平，爆震燃烧须经历爆燃向爆震转变过程(DDT)，长度较传统燃烧室长许多；

3)脉冲爆震燃气温度高于传统燃气涡轮发动机，如此高温使现有材料技术、冷却技术难以实现或实现成本过高；

4)由于燃气的脉动非定常流动，使涡轮在高温下同时承受巨大脉动载荷，该技术难题现阶段无法解决。

发明内容

本发明提供了一种双涵道脉冲爆震发动机及具有其的飞行器，以解决现有“纯”脉冲爆震发动机存在的爆震燃烧管易过热、燃烧管热能不能得到有效利用的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种双涵道脉冲爆震发动机，包括：发动机外壳，发动机外壳内设有沿其轴向依次布设的进气道、外涵道及尾喷道，外涵道内设有沿其轴向依次布设的内涵道和爆震燃烧室，进气道的进气端与大气连通，以供空气流进入；外涵道的进气端和内涵道的进气端分别与进气道的排气端连通，以使空气流分别进入外涵道和内涵道，爆震燃烧室的进气端与内涵道的排气端连通，以使空气流进入爆震燃烧室内参与爆震燃烧，外涵道用于将空气流引流至爆震燃烧室的外周壁处以冷却爆震燃烧室；尾喷道的进气端与外涵道的排气端连通，爆震燃烧室的排气端伸入尾喷道内，以在爆震燃烧室排气端喷出的燃气流的引射效应下，使外涵道内冷却爆震燃烧室后形成的加热气流与燃气流加速掺混形成混合气流，并由尾喷道的排气端加速喷出。

进一步地，外涵道的排气端为沿气流流动方向逐渐收敛的收敛通道，以使空气流沿爆震燃烧室的轴向逐渐贴紧爆震燃烧室的外壁以冷却爆震燃烧室；尾喷道为与外涵道的排气端平滑过渡连接、且沿气流流动方向逐渐扩张的扩张通道，以使冷却爆震燃烧室后形成的加热气流加速喷入尾喷道内。

进一步地，双涵道脉冲爆震发动机还包括外涵机匣、引流机匣及尾喷管，外涵机匣、引流机匣及尾喷管均呈空心筒状；外涵机匣沿发动机外壳的轴向布设于发动机外壳内，且外涵机匣进气端的内通道构成进气道；引流机匣和尾喷管沿外涵机匣的轴向依次布设于外涵机匣内，且引流机匣的进气端与外涵机匣的内周壁贴紧固定，并引流机匣由其进气端至排气端方向逐渐向内收敛，尾喷管的进气端与引流机匣的排气端固定，且尾喷管由其进气端至排气端方向逐渐向外扩张。

进一步地，双涵道脉冲爆震发动机还包括呈空心筒状的内涵机匣，内涵机匣沿外涵机匣的轴向同轴布设于外涵机匣内，且内涵机匣的进气端位于外涵机匣内，内涵机匣的排气端穿过引流机匣后伸入尾喷管内；内涵机匣与外涵机匣和引流机匣之间的间隔空间构成外涵道，尾喷管的内通道构成尾喷道；内涵机匣内通道沿气流流动方向的前段形成内涵道，内涵机匣内通道沿气流流动方向的后段形成爆震燃烧室。

进一步地，双涵道脉冲爆震发动机还包括用于将外涵道内的空气流导流至爆震燃烧室外周壁处的第一导流筒和第二导流筒，第一导流筒和第二导流筒均呈空心筒状；第一导流筒环设于内涵机匣外，且位于外涵机匣内；第二导流筒环设于第一导流筒外，且第二导流筒的进气端位于外涵机匣内，第二导流筒的排气端沿轴向伸入引流机匣内。

进一步地，第一导流筒和第二导流筒均沿进气端至排气端方向逐渐向内收敛，且引流机匣的轴向长度大于第二导流筒的轴向长度，第二导流筒的轴向长度大于第一导流筒的轴向长度；沿气流流动方向，第二导流筒的进气端位于第一导流筒进气端的后方，引流机匣的进流端位于第二导流筒进气端的后方。

进一步地，引流机匣和尾喷管与外涵机匣之间的间隔空间形成第一安装腔，外涵机匣与发动机外壳之间的间隔空间形成第二安装腔；双涵道脉冲爆震发动机还包括用于将加热气流所含的能量转换为电能并存储的发电系统，发电系统包括设置于引流机匣内的发电涡轮、设置于第一安装腔内的电磁发电设备、及设置于第二安装腔内的储电器；发电涡轮与电磁发电设备相连，发电涡轮用于在冷却爆震燃烧室后形成的加热气流的作用下旋转做功，电磁发电设备用于将发电涡轮的旋转功转换为电能；储电器与电磁发电设备相连，设置于第二安装腔内的附件系统与储电器相连，储电器用于存储电能并供给附件系统动作所需电能。

进一步地，附件系统包括与储电器相连的控制器和燃油泵、及与燃油泵相连的油箱和供油管；燃油泵和控制器相连；供油管绕设于尾喷管的外周壁上，且供油管的进油端与燃油泵相连，供油管的出油端与设置于爆震燃烧室内的喷油嘴连通。

进一步地，附件系统还包括设置于第二安装腔内的脉冲点火器、及设置于爆震燃烧室内的火花塞；脉冲点火器分别与控制器和储电器相连；火花塞与脉冲点火器相连。

根据本发明的另一方面，还提供了一种飞行器，包含如上述中任一项的双涵道脉冲爆震发动机。

本发明具有以下有益效果：

本发明的双涵道脉冲爆震发动机中，通过在内涵道和爆震燃烧室外增加外涵道，以形成位于发动机外壳内的双涵道脉冲爆震结构，且外涵道的进气端与进气道连通，外涵道的结构设置用于将进气道内的部分空气流引流至爆震燃烧室的外周壁处，以使温度较低的空气流冷却爆震燃烧室，进而解决“纯”脉冲爆震发动机存在的“燃烧管长时间及高频率工作状态下容易过热”的技术问题，进而提高爆震燃烧室，即燃烧管的使用寿命；另外，外涵道的排气端与尾喷道的进气端连通，而爆震燃烧室的排气端伸入尾喷道中，故而在爆震燃烧室排气端喷出的燃气流的引射效应下，外涵道内冷却爆震燃烧室后形成的加热气流与燃气流加速掺混形成混合气流，并由尾喷道的排气端加速喷出，进而解决“燃烧管过热能量自由耗散浪费”的技术问题，提高发动机的循环热效率，同时也提高发动机的推力，且本发明的双涵道脉冲爆震发动机的整体结构简单；

本发明的飞行器可解决“纯”脉冲爆震发动机存在的“燃烧管长时间及高频率工作状态下容易过热”的技术问题，进而提高爆震燃烧室，即燃烧管的使用寿命；另外，本发明的飞行器还可解决“燃烧管过热能量自由耗散浪费”的技术问题，提高飞行器的循环热效率，且本发明的飞行器的整体结构简单。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是理想PDE循环、等容循环、等压循环温熵变化对比图；

图2是“纯”脉冲爆震发动机正视结构示意图；

图3是爆震燃烧代替传统燃烧的燃气涡轮发动机结构示意图；

图4是本发明优选实施例的双涵道脉冲爆震发动机工作原理简图。

图例说明

101、进气道；102、外涵道；103、尾喷道；104、内涵道；105、爆震燃烧室；106、第一安装腔；107、第二安装腔；20、外涵机匣；30、引流机匣；40、尾喷管；50、内涵机匣；60、第一导流筒；70、第二导流筒；81、发电涡轮；82、电磁发电设备；83、储电器；91、控制器；92、燃油泵；93、油箱；94、供油管；95、喷油嘴；96、脉冲点火器；97、火花塞；110、内机匣前支板；120、内机匣后支板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图4，本发明的优选实施例提供了一种双涵道脉冲爆震发动机，包括：发动机外壳，发动机外壳内设有沿其轴向依次布设的进气道101、外涵道102及尾喷道103，外涵道102内设有沿其轴向依次布设的内涵道104和爆震燃烧室105，进气道101的进气端与大气连通，以供空气流进入。外涵道102的进气端和内涵道104的进气端分别与进气道101的排气端连通，以使空气流分别进入外涵道102和内涵道104，爆震燃烧室105的进气端与内涵道104的排气端连通，以使空气流进入爆震燃烧室105内参与爆震燃烧，外涵道102用于将空气流引流至爆震燃烧室105的外周壁处以冷却爆震燃烧室105。尾喷道103的进气端与外涵道102的排气端连通，爆震燃烧室105的排气端伸入尾喷道103内，以在爆震燃烧室105排气端喷出的燃气流的引射效应下，使外涵道102内冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流与燃气流加速掺混形成混合气流，并由尾喷道103的排气端加速喷出。

本发明的双涵道脉冲爆震发动机中，通过在内涵道104和爆震燃烧室105外增加外涵道102，以形成位于发动机外壳内的双涵道脉冲爆震结构，且外涵道102的进气端与进气道101连通，外涵道102的结构设置用于将进气道101内的部分空气流引流至爆震燃烧室105的外周壁处，以使温度较低的空气流冷却爆震燃烧室105，进而解决“纯”脉冲爆震发动机存在的“燃烧管长时间及高频率工作状态下容易过热”的技术问题，进而提高爆震燃烧室105，即燃烧管的使用寿命；另外，外涵道102的排气端与尾喷道103的进气端连通，而爆震燃烧室105的排气端伸入尾喷道103中，故而在爆震燃烧室105排气端喷出的燃气流的引射效应下，外涵道102内冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流与燃气流加速掺混形成混合气流，并由尾喷道103的排气端加速喷出，进而解决“燃烧管过热能量自由耗散浪费”的技术问题，提高发动机的循环热效率，同时也提高发动机的推力，且本发明的双涵道脉冲爆震发动机的整体结构简单。

可选地，如图4所示，外涵道102的排气端为沿气流流动方向逐渐收敛的收敛通道，以使空气流沿爆震燃烧室105的轴向逐渐贴紧爆震燃烧室105的外壁以冷却爆震燃烧室105，进而增强爆震燃烧室105的冷却效果，进一步延长燃烧管的使用寿命。尾喷道103为与外涵道102的排气端平滑过渡连接、且沿气流流动方向逐渐扩张的扩张通道，以使冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流加速喷入尾喷道103内，增强发动机的推动动力，且尾喷道103的进气端与外涵道102的排气端过渡连接，有利于提高加热气流喷入尾喷道103的速度，并减少能量的损失。

可选地，如图4所示，双涵道脉冲爆震发动机还包括外涵机匣20、引流机匣30及尾喷管40，外涵机匣20、引流机匣30及尾喷管40均呈空心筒状。外涵机匣20沿发动机外壳的轴向布设于发动机外壳内，且外涵机匣20进气端的内通道构成进气道101。引流机匣30和尾喷管40沿外涵机匣20的轴向依次布设于外涵机匣20内，且引流机匣30的进气端与外涵机匣20的内周壁贴紧固定，以防空气流由引流机匣30和外涵机匣20之间的间隙处泄露，并引流机匣30由其进气端至排气端方向逐渐向内收敛，进而使空气流沿爆震燃烧室105的轴向逐渐贴紧爆震燃烧室105的外壁以冷却爆震燃烧室105，尾喷管40的进气端与引流机匣30的排气端固定，且尾喷管40由其进气端至排气端方向逐渐向外扩张，以使冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流加速喷入尾喷道103内。

进一步地，如图4所示，双涵道脉冲爆震发动机还包括呈空心筒状的内涵机匣50，内涵机匣50沿外涵机匣20的轴向同轴布设于外涵机匣20内，且内涵机匣50的进气端位于外涵机匣20内，内涵机匣50的排气端穿过引流机匣30后伸入尾喷管40内。由于内涵机匣50的排气端穿过引流机匣30后伸入尾喷管40内，而尾喷管40的进气端与引流机匣30的排气端固定，故而外涵道102的最小流道面积位于爆震燃烧室105排气端的前方，进而使加热气流在高温高压高速燃气流的引射效应下与燃气流加速掺混形成混合气流。内涵机匣50与外涵机匣20和引流机匣30之间的间隔空间构成外涵道102，尾喷管40的内通道构成尾喷道103。内涵机匣50内通道沿气流流动方向的前段形成内涵道104，内涵机匣50内通道沿气流流动方向的后段形成爆震燃烧室105。

优选地，如图4所示，双涵道脉冲爆震发动机还包括用于将外涵道102内的空气流导流至爆震燃烧室105外周壁处的第一导流筒60和第二导流筒70，第一导流筒60和第二导流筒70均呈空心筒状。第一导流筒60环设于内涵机匣50外，且位于外涵机匣20内，以用于对位于外涵道102内的内涵道104和爆震燃烧室105的外周壁进行冷却。第二导流筒70环设于第一导流筒60外，且第二导流筒70的进气端位于外涵机匣20内，第二导流筒70的排气端沿轴向伸入引流机匣30内，以用于对位于外涵道102内的爆震燃烧室105的外周壁进行冷却。第一导流筒60和第二导流筒70与引流机匣30配合作用，增强对爆震燃烧室105外周壁的冷却效果。

具体地，如图4所示，内涵机匣50的进气端通过内机匣前支板110与外涵机匣20的内环壁固定，内涵机匣50的排气端通过内机匣后支板120与尾喷管40的内周壁固定。第一导流筒60和第二导流筒70分别通过连接支板与外涵机匣20的内周壁固定。

优选地，如图4所示，第一导流筒60和第二导流筒70均沿进气端至排气端方向逐渐向内收敛，以提高对内涵机匣50外周壁的冷却效果，且引流机匣30的轴向长度大于第二导流筒70的轴向长度，第二导流筒70的轴向长度大于第一导流筒60的轴向长度，保证内涵机匣50冷却效果的同时，便于第一导流筒60、第二导流筒70及引流机匣30三者在外涵机匣20内的合理布局，使发动机结构简单，布局紧凑、合理。沿气流流动方向，第二导流筒70的进气端位于第一导流筒60进气端的后方，引流机匣30的进流端位于第二导流筒70进气端的后方，保证内涵机匣50冷却效果的同时，缩短发动机沿轴向的轴向长度。

优选地，如图4所示，尾喷管40为可使加热气流和燃气流快速掺混的混合式尾喷管，进而可利用燃气流的引射效应产生更大推力。

可选地，如图4所示，引流机匣30和尾喷管40与外涵机匣20之间的间隔空间形成第一安装腔106，外涵机匣20与发动机外壳之间的间隔空间形成第二安装腔107。双涵道脉冲爆震发动机还包括用于将加热气流所含的能量转换为电能并存储的发电系统，发电系统包括设置于引流机匣30内的发电涡轮81、设置于第一安装腔106内的电磁发电设备82、及设置于第二安装腔107内的储电器83。发电涡轮81与电磁发电设备82相连，发电涡轮81用于在冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流的作用下旋转做功，电磁发电设备82用于将发电涡轮81的旋转功转换为电能。储电器83与电磁发电设备82相连，设置于第二安装腔107内的附件系统与储电器83相连，储电器83用于存储电能并供给附件系统动作所需电能。通过设置发电系统，将冷却爆震燃烧室105后形成的加热气流中的能量转换为电能并存储，进而对发动机的附件系统提供所需动力能量，进而实现脉冲爆震发动机附件所需能量的自给自足，解决脉冲爆震发动机控制系统、点火系统、燃油系统等所需能源自给自足的问题，同时避免采用燃气后涡轮形式带来的涡轮叶片温度过高、涡轮载荷脉动等问题。

优选地，如图4所示，发电涡轮81设置于外涵道102流道面积最小处，以尽可能提取加热气流的动能以转化为发电涡轮81的旋转轴功。

可选地，如图4所示，附件系统包括与储电器83相连的控制器91和燃油泵92、及与燃油泵92相连的油箱93和供油管。燃油泵92和控制器91相连。供油管94绕设于尾喷管40的外周壁上，且供油管的进油端与燃油泵92相连，供油管的出油端与设置于爆震燃烧室105内的喷油嘴95连通。供油管94绕设于尾喷管40的外周壁上，进而实现对其内输送燃油的预热，便于脉冲爆震燃烧频率的提高，解决脉冲爆震燃烧所需燃油预热的问题。具体地，供油管94呈螺旋状缠绕于尾喷管40的外周壁上，进而利用尾喷管40内的混合气体的温度预热燃油，供油管94螺旋状缠绕可增加热交换面积和时间，加热后的燃油更容易喷散，提高燃烧效率，进而提高整个发动机的效率。

可选地，如图4所示，附件系统还包括设置于第二安装腔107内的脉冲点火器96、及设置于爆震燃烧室105内的火花塞97。脉冲点火器96分别与控制器91和储电器83相连，储电器83为脉冲点火器96提供电能，故而脉冲点火器96无需外接电源。火花塞97与脉冲点火器96相连。本发明中，发电涡轮81利用外涵道气流做功产生电能并存储，并对附件系统进行供电，进而使发动机能够完全独立工作。

本发明的双涵道脉冲爆震发动机工作时，控制器91控制燃油泵92从油箱93中吸出燃油，并向爆震燃烧室105按可调频率供油，燃油通过供油管94在第一安装腔106中预热后，供向喷油嘴95以便组织爆震燃烧；控制器91控制脉冲点火器96按可调频率供电给火花塞97，火花塞97点燃爆震燃烧室105中的油气混合物；优选地，控制器91还连接有健康管理系统，健康管理系统通过各种传感器对发动机工作各参数、储电器83蓄电情况、油箱93油量等进行安全监测，并可进行故障诊断，传输以上数据至飞行器操作平台，以供飞行器协调控制；外涵道102内空气流由第一导流筒60和第二导流筒70引导气体吹向爆震燃烧室105外周壁进行冷却，经加热的加热气流通过引流机匣30的收敛流道加速通过发电涡轮81做功，做功后气体经爆震燃烧室105喷出的高温高压高速燃气流的引射效应加速掺混，喷入尾喷道103后与燃气流一起产生推力；发电涡轮81对电磁发电设备82做功产生电能，电能经处理后对储电器83充电，实现双涵道脉冲爆震发动机附件系统所需能量的自足；储电器83为控制器91、燃油泵92、脉冲点火器96及其他附件系统提供工作能量。

本发明的优选实施例提供了一种飞行器，包含如上述中任一项的双涵道脉冲爆震发动机。本发明的飞行器由于包含上述中任一项的双涵道脉冲爆震发动机，故而本发明的飞行器可解决“纯”脉冲爆震发动机存在的“燃烧管长时间及高频率工作状态下容易过热”的技术问题，进而提高爆震燃烧室105，即燃烧管的使用寿命；另外，本发明的飞行器还可解决“燃烧管过热能量自由耗散浪费”的技术问题，提高飞行器的循环热效率，且本发明的飞行器的整体结构简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。