一种水下高速推进发动机
阅读说明：本技术 一种水下高速推进发动机 (Underwater high-speed propulsion engine ) 是由 商旭升 李江红 李涛 彭耿 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水下高速推进发动机,包括爆震管,所述的爆震管的一端连接第一防回火网,第一防回火网连接燃料电磁阀,爆震管的另一端连接发动机斜管体,发动机斜管体的侧壁上设置有可控进水口、压力探针、第二防回火网,压力探针连接信号处理系统,信号处理系统连接舵机,舵机连接可控进水口；第二防回火网分别连接隔离气电磁阀和氧化剂电磁阀；爆震管的侧壁上还连接有点火器；爆震管内部设有爆震增强装置。其有点是：脉冲爆震火箭发动机作为水下动力装置时,无需螺旋桨的转化做功,采用喷射式推进,发动机对水的做功即为有效做功,没有因为周向速度而引起的能量损失,由于没有使用螺旋桨,不会产生空泡现象,减少了发动机的故障发生率。(The invention discloses an underwater high-speed propulsion engine which comprises a detonation pipe, wherein one end of the detonation pipe is connected with a first anti-backfire net, the first anti-backfire net is connected with a fuel electromagnetic valve, the other end of the detonation pipe is connected with an engine inclined pipe body, a controllable water inlet, a pressure probe and a second anti-backfire net are arranged on the side wall of the engine inclined pipe body, the pressure probe is connected with a signal processing system, the signal processing system is connected with a steering engine, and the steering engine is connected with the controllable water inlet; the second anti-backfire net is respectively connected with the isolation gas electromagnetic valve and the oxidant electromagnetic valve; the side wall of the detonation tube is also connected with an igniter; the detonation tube is internally provided with a detonation enhancement device. The advantages are that: when the pulse detonation rocket engine is used as an underwater power device, the jet propulsion is adopted without the conversion work of a propeller, the work of the engine on water is effective work, the energy loss caused by the circumferential speed is avoided, the cavitation phenomenon is avoided due to the fact that the propeller is not used, and the fault occurrence rate of the engine is reduced.)
技术领域
本发明属于发动机领域，具体涉及一种水下高速推进发动机，它以喷水的方式产生动力的射流来进行推进。
背景技术
人类对爆震燃烧的研究可追溯到20世纪40年代，到80年代中期，脉冲爆震发动机(pulsed detonation engine简称PDE)进入到了实质性发展阶段，90年代，PDE进入到了全面发展时期。目前，美国政府机构、军方、私营公司和大学的20多家单位参与了PDE的研究。加拿大、法国、以色列、日本、俄罗斯、瑞典也纷纷投入经费和制定计划开展PDE的研究。脉冲爆震火箭发动机是利用爆震波产生周期性冲量的非定常推进系统，发动机内燃烧产生的爆震波以2000m/s左右的速度在可燃气中传播，能产生极高的增压比(15～55倍)和燃气温度(大于2800K)。当高温、高压、高速燃气从爆震管喷出时将产生推力，从而推动飞行器向前运动。理论计算表明，这种发动机性能明显高于带加力的涡扇发动机，当发动机外涵以100赫兹的频率工作时，发动机的推力、耗油率和单位推力都比带加力燃烧室的改善一倍。
目前，NASA的PDRE取得了很大进展，由Adroit、NASA、空军参与的这一计划的目的是发展可用于入轨飞行器、星际飞行器和登月飞行器用低成本、轻重量的推进系统。一个小尺寸的PDRE已设计完成，从2000年4月开始进行部件试验。目前已完成了概念验证试验，高频反复爆震获得成功，同时达到了真空起动能力。2007年研制出了试验用发动机，2010年进行了挂飞试验。俄罗斯在PDE基础研究领域进行了大量研究，1998年9月，在俄罗斯举办了爆震试验与计算国际讨论会，就起爆、爆震波结构和传播、爆震现象应用以及先进燃料的爆震性等问题进行了讨论，会上俄专家发表了大量文章。2000年，法国和加拿大也分别开始了用于低成本的导弹、无人机或无人战斗机的液体燃料PDE的研究。法国计划用几年时间开始全尺寸的PDE试验，预计研制这种PDE的费用不超过800万～1000万欧元。
自2002年开始，西北工业大学首先开始PDE研究工作,开始研究是以液态航空煤油为燃料的脉冲爆震火箭发动机，采用电磁阀控制油气供给。2004年，选用煤油为燃料、氧气为氧化剂，在PDRE(脉冲爆震火箭发动机)模型试验装置上进行了爆震燃烧试验研究。
目前，国内外针对脉冲爆震发动机的研究均以其为航空航天动力装置为应用目的，尚无公开文献涉及到将PDE用于水下动力装置的研究。
如图1所示的常规水下热动力装置，工作时燃料和氧化剂经过泵增压后注入燃烧室内进行等压燃烧，产生高温高压燃气，在涡轮中作绝热膨胀，焓与压力均下降，涡轮通过减压器带动螺旋桨向外输出可用功，废气经排气管排出。螺旋桨是最常见的推进器。在螺旋桨的拨动下，水流被加速推向后方，但是水流的运动方向与螺旋桨轴成一定倾角。因此，水流的速度可以分解为一个向后的轴向速度和垂直于轴线的周向速度，而周向速度不能产生轴向的反推力，即螺旋桨对水的做功并不能完全转化为有效推力。此外，当螺旋桨的转速较高时，容易发生空泡现象，可能使螺旋桨的推进效率显著下降。因此必须通过减速器降低螺旋桨的转速，这样必然限制了螺旋桨的功率，不利于提高航行器的航速。
采用传统水下动力装置的主要缺陷是：
(1)燃烧室内进行的是等压燃烧，燃烧热效率不高，一般燃气轮机的热循环效率为27％；
(2)螺旋桨转动使水流产生旋转向后的运动产生推力，水流的运动方向与螺旋桨轴成一定倾角，水流的速度可以分解为一个向后的轴向速度和垂直于轴线的周向速度，而周向速度不能产生轴向的反推力，使得螺旋桨对水的做功并不能完全转化为有效推力；
(3)当桨叶前部低压区的压力低于当地水的饱和蒸汽压时，水会汽化成空泡，导致了推进效率的降低，同时也易对螺旋桨产生破坏。为了减小空化效应，螺旋桨的转速一般较低，影响了螺旋桨推力的提高，从而进一步限制了舰船航速的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下高速推进发动机，它以喷水的方式产生动力的射流来产生推进。
本发明的技术方案如下：一种水下高速推进发动机，包括
爆震管，所述的爆震管的一端连接第一防回火网，防回火网连接燃料电磁阀，爆震管的另一端连接发动机斜管体，发动机斜管体的侧壁上设置有可控进水口，发动机斜管体的侧壁上还设置有压力探针，压力探针连接信号处理系统，信号处理系统连接舵机，舵机连接可控进水口；
爆震管的一端的侧壁上连接有第二防回火网，第二防回火网分别连接隔离气电磁阀和氧化剂电磁阀；
爆震管的一端的侧壁上还连接有点火器；
爆震管内部设有爆震增强装置。
所述的爆震管的另一端通过法兰连接空心的发动机斜管体。
所述的爆震增强装置为螺旋状结构。
所述的可控进水口上设有闭合装置。
当压力探针测得压力大于信号处理系统的压力设定值时，信号处理系统控制舵机驱动闭合装置闭合可控进水口。
当压力探针测得压力不大于信号处理系统的压力设定值时，信号处理系统控制舵机驱动闭合装置打开可控进水口。
本发明的有益效果在于：本发明借鉴脉冲爆震火箭发动机产生爆震的原理，将其作为水下动力，其作为水下动力装置具有以下优点：
(1)由于爆震波传播速度极快，其后的燃烧过程接近等容燃烧过程，其热循环效率可高达49％，远远高于常规燃气轮机等压燃烧的热循环效率的27％；
(2)脉冲爆震火箭发动机作为水下动力装置时，无需螺旋桨的转化做功，采用喷射式推进，发动机对水的做功即为有效做功，没有因为周向速度而引起的能量损失，由于没有使用螺旋桨，因此也不会产生空泡现象，减少了发动机的故障发生率；
(3)由于发动机产生的高温高压燃气，可以使发动机出口附近的水迅速汽化形成蒸汽，其密度远大于常规的燃气，其对工作频率的要求大大降低，缓解了阀门对发动机技术的制约。
附图说明
图1为常规水下热动力装置示意图；
图2为水下脉动射流发动机工作过程示意图；
图3为脉冲爆震火箭发动机工作循环过程；
图4为本发明所提供的一种水下高速推进发动机示意图。
图中：1燃料电磁阀，2防回火网，3氧化剂电磁阀，4隔离气电磁阀，5点火器，6爆震增强装置，7爆震管，8压力探针，9发动机斜管体，10可控进水口，11舵机，12信号处理系统，13法兰，14第二防回火网。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种水下高速推进发动机的基本原理是：利用爆震燃烧产生高温、高压、高速燃烧产物驱动填充在爆震管后端的水从发动机出口加速流出而获得反推力。其一个工作周期可分为四个步骤：新鲜反应物的填充过程，点火以及爆震波的形成过程，爆震波(高温高压燃烧产物)将射流排出过程，余气的排出过程。在更实际的循环过程中，为了防止新鲜反应物与高温余气接触而立即燃烧，在填充新鲜反应物前，需要填充少量惰性气体防止过早点火。
如图2、图3所示，一种水下高速推进发动机的工作过程为：
(1)可燃混合物的填充过程，如图2中的填充过程(1)所示，和图3中的填充可爆混合物(1)所示。此时爆震室前端阀门打开，可燃混合物由此流入爆震管内直至混合物充满爆震管为止，此后爆震室前端阀门关闭，爆震室前端可以起到充当承力壁的作用。
(2)点火过程，如图2中的起爆(2)，图3中的点火(2)所示。通过点火装置向爆震管内的可燃混合物注入一定的能量，点火位置对发动机整个工作过程有重要影响。点火节奏必须与可燃混合物的填充时间匹配，否则会造成燃料浪费或者导致爆震波强度降低。
(3)爆震波的起爆、形成及传播过程，如图2中的爆震波传播(3)，图3中的通过DDT过程形成爆震波(3)所示。被点着的可燃混合物开始以爆燃形式燃烧，待从封闭端反射回来的一系列压缩波赶上向开口端传播的压缩波后，经不断加强而形成稳定的C-J爆震波。由于封闭端的法向速度为零，所以爆震波后紧跟着一束膨胀波。，爆震室内充满了高温、高压燃气，并以很快速度向外排出，此时在管口不断产生膨胀波向管内传播。爆震波在爆震管内传播直至与尾喷管中水碰撞为止；
(4)爆震波射流过程：爆震管内爆震燃烧产生高温、高压的燃气(图3中的高温高压燃气膨胀(4)，燃气进一步排出(5))高速流动的燃气与填充在尾喷管中的水碰撞而产生射流作用(图2中的爆震波传播(3))，尾喷管中的水会被燃气席卷排出，发动机获得反推力；
(5)填充隔离气体过程，如图3中的喷注隔离气体，吹除高温燃气(6)所示。其目的是为了加速爆震产物的排出，缩短管内气体参数与外界气体参数平衡所需的时间，更重要的是为了防止新鲜的可燃混合物与管内剩余高温产物接触而过早燃烧。
(6)当爆震室内的压力低于可燃混合物的喷射压力时，以上循环过程重复进行。
(7)当爆震室内的压力低于可燃混合物的喷射压力时，以上循环过程重复进行。
如图4所示，一种水下高速推进发动机包括燃料电磁阀1，第一防回火网2，第二防回火网14，氧化剂电磁阀3，隔离气电磁阀4，点火器5，爆震增强装置6，爆震管7，压力探针8，发动机斜管体9，可控进水口10，舵机11，信号处理系统12和法兰13。
其中，管状的爆震管7的一端连接第一防回火网2，第一防回火网2连接燃料电磁阀1，爆震管7的另一端通过法兰13连接空心的发动机斜管体9，爆震管7的一端的侧壁上连接有第二防回火网14，第二防回火网14分别连接隔离气电磁阀4和氧化剂电磁阀3，爆震管7的一端的侧壁上还连接有点火器5，爆震管7内部安装有螺旋状的爆震增强装置6，发动机斜管体9的侧壁上设置有可控进水口10，发动机斜管体9的侧壁上还设置有压力探针8，压力探针8连接信号处理系统12，信号处理系统12连接舵机11，舵机11连接可控进水口10。
一种水下高速推进发动机的爆震管7尾端通过法兰13连接一段弯管状的发动机斜管体9，在发动机斜管体9的倾斜段管壁上还开有可控进水口10，在发动机斜管体9的直管段的管壁上安装压力探针8，闭合装置与压力探针8之间串联有信号处理系统12和舵机11，当压力探针8测得压力大于信号处理系统12的压力设定值时，信号处理系统12控制舵机11驱动可控进水口10，当压力探针8测得压力不大于信号处理系统12的压力设定值时，信号处理系统12控制舵机11打开可控进水口10。其一个循环内的工作过程为：燃料填充后，控制系统发出点火信号，爆震管内缓燃波发展为爆震波后进入爆震管后的发动机斜管体9，爆震波推动发动机斜管体9内的水流反向运动(此时因为压力探针8采集到压力信号大于设定的压力临界值，可控进水口处于关闭状态)，发动机获得反推力。随着发动机斜管体9内水流的排出和爆震波的减弱，压力探针8采集到较小的压力信号，可控进水口10打开，发动机斜管体9内重新填充水，爆震管7内填充可爆混合物，发动机进入下一个工作循环。
信号处理系统12可根据压力探针8测得的压力信号的大小来控制可控进水口10的开闭。
脉动射流发动机作为热动力系统的一种，其工作特点及工作原理决定了其作为水下高速航行体动力系统的巨大技术进步。
其一、脉动射流发动机基于等容燃烧，其热循环效率高达49％，而普通等压燃烧的热循环效率仅为27％，且没有压气机涡轮等旋转部件，结构简单，在相同的外形和尺寸下，相对于传统的热机水下高速航行体，可以装填更多体积的燃料，故而其航程更远，推力更大；
其二、脉动射流发动机用于水下水下高速航行体动力装置时，无需通过螺旋桨的转化做功，其产生的噪声是冲击噪声，噪声特征是一个宽频带噪声，相对于窄带噪声的螺旋桨噪声要小，从减少降低噪声的措施来看，射流产生的宽带噪声比螺旋桨产生的窄带噪声更容易消除，采用为微穿孔板或卸压孔就可以达到有效降噪的目的；
其三、脉动射流发动机产生爆震燃烧时，其峰值压力最大可达300个大压，其喷射式推进，对背压的变化不敏感，能工作的深度范围大，较常规的热动力系统具有非常大的优势。
此外，可以采取喷水控制加舵机控制的方法，可以更加有效的控制水下高速航行体的航行姿态。如果采用煤油作为燃料，燃料单位比冲大，航程远。如果采用液氢为燃料，其燃烧产物为水，可以极大的提高水下高速航行体的隐蔽性，但是采用液氢为燃料时，其燃料比冲较煤油要小，故其航程和推力较煤油也小。
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