[发明专利]一种提高脉冲爆轰发动机推力系数的方法及喷管

说明书

技术领域

本发明属于发动机尾喷管技术领域，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。

背景技术

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(Pulse Detonation Engine，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。

发明内容

针对上述问题，本发明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。

实现本发明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，本发明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A_cr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。