脉冲喷注装置、液体燃料供应系统及超燃冲压发动机

摘要

本发明公开了一种脉冲喷注装置、液体燃料供应系统及超燃冲压发动机。脉冲喷注装置包括阀座、与阀座固定连接的阀体、设置在阀体内部的阀芯和用于控制阀芯动作的控制装置；阀座上设置有供液体燃料输入的进液口；阀体上沿阀体的轴线方向依次设置有第一空腔、阀体通孔、喷嘴通孔以及用于输出液体燃料的出液口，第一空腔、阀体通孔、喷嘴通孔和出液口沿轴线方向依次连通；阀芯在第一空腔内沿轴线方向相对于阀体可滑动地布置，控制装置控制阀芯沿轴线方向周期性动作，进而控制进液口与出液口周期性连通，使液体燃料由出液口输出生成脉冲喷注。本发明的脉冲喷注装置能最大限度地降低水击的影响，减小脉冲过程中的迟滞现象，提高了脉冲频率。

说明书

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机领域，特别地，涉及一种脉冲喷注装置。此外，本发明还涉及一种包括上述脉冲喷注装置的液体燃料供应系统，以及包括上述液体燃料供应系统的超燃冲压发动机。

背景技术

当前高超声速飞行器是各国军事竞争的制高点之一，超燃冲压发动机作为高超声速飞行器的主要动力装置，已成为各国研究的热点问题。

目前超燃冲压发动机中大多采用液体燃料横向喷入超声速来流空气的喷注方案，流向距离上液体离开喷注壁面最远的距离被定义为该流向位置上的穿透深度。在超燃冲压发动机研究中，液体燃料在超声速来流中的穿透深度对发动机的燃烧与推力性能具有重要影响，是衡量气液混合效果的重要指标。为了提高射流穿透深度，可以采用增加液体的喷注速度，提高液体的喷注压降的方式，但是这会增加液体燃料的质量流率，从而导致发动机处于富燃状态。目前射流穿透深度已经成为限制超然冲压发动机尺寸的关键因素，亟需一种可行的喷注方案可以在一定的燃料质量流率下提高射流穿透深度，改善气液掺混效率。

现有的超燃冲压发动机采用的燃料喷注技术包括被动式掺混增强和主动式掺混增强。被动式掺混增强技术，主要有支板，物理斜坡，气动斜坡，塔式结构等，都不可避免的引入额外的表面积，从而增加了气动阻力，并带来了严重的热防护问题。主动式掺混增强技术包括采用阀门和喷嘴结构等，当阀门突然开启或者关闭时，管路中将会出现压强波动的水击效应，在脉冲过程中产生迟滞现象；在公开发表的文献中，已经提出了通过脉冲喷注液体燃料提高射流穿透深度，但其脉冲频率很低(1Hz)，由于超燃冲压发动机中燃料的驻留时间极短需要更高的脉冲频率，因此现有技术中的装置不能获得工程实际应用。

发明内容

本发明提供了一种脉冲喷注装置、液体燃料供应系统及超燃冲压发动机，以解决现有的主动式掺混增强技术中存在水击引起的压力波动、开关阀响应时间长导致脉冲过程中产生迟滞现象以及脉冲频率低不适于工程实际应用的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种脉冲喷注装置，用于提高超燃冲压发动机中液体燃料穿透深度，包括阀座、与阀座固定连接的阀体、设置在阀体内部的阀芯和用于控制阀芯动作的控制装置；阀座上设置有供液体燃料输入的进液口；阀体上沿阀体的轴线方向依次设置有第一空腔、阀体通孔、喷嘴通孔以及用于输出液体燃料的出液口，第一空腔、阀体通孔、喷嘴通孔和出液口沿轴线方向依次连通；阀芯在第一空腔内沿轴线方向相对于阀体可滑动地布置，控制装置控制阀芯沿轴线方向周期性动作，进而控制进液口与出液口周期性连通，使液体燃料由出液口输出生成脉冲喷注；

进一步地，脉冲喷注装置还包括弹性件，弹性件以一预压量设置在第一空腔中，弹性件的一端与阀体抵接，弹性件的另一端与阀芯抵接以朝向阀座推抵阀芯；

进一步地，控制装置包括线圈、线圈罩和控制器，线圈缠绕在阀体的外周上，线圈罩套设于缠绕有线圈的阀体外周且与阀体固定连接，控制器与线圈电气连接；

进一步地，阀体包括上阀体、下阀体和设置在上阀体和下阀体之间的隔磁环，线圈罩与上阀体固定连接，下阀体与阀座连接；

进一步地，阀座与阀体连接的一端端面设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有O型圈；

进一步地，阀芯靠近阀座的一端端部设置有凹槽，凹槽内设置有密封圈；

进一步地，阀体通孔与喷嘴通孔连接处设置有径向尺寸由阀体通孔向喷嘴通孔逐渐减小的倒角，倒角角度为30°-60°；

进一步地，阀体通孔的孔径为2-4mm，喷嘴通孔的孔径与出液口的孔径相等且均为0.3-0.5mm；

根据本发明的另一方面，还提供了一种液体燃料供应系统.，其包括增压系统、液体燃料储箱、油路系统和上述的脉冲喷注装置，增压系统包括依次连接的电源、电机和齿轮泵，液体燃料储箱用于向齿轮泵输送液体燃料，齿轮泵输出的液体燃料经油路系统输送至脉冲喷注装置；

根据本发明的另一方面，还提供了一种超燃冲压发动机，其包括上述液体燃料供应系统。

本发明具有以下有益效果：

本发明的脉冲喷注装置，在阀体上设置有喷嘴通孔以及用于输出液体燃料的出液口，喷嘴通孔直接与阀体通孔连通，省去了喷嘴与阀门之间的额外管路，有效减小了产生水击效应的冲击波在管路中的时间，最大限度地降低水击的影响，缩短了液体从阀门流动至喷嘴出口的时间，从而减小了脉冲过程中的迟滞现象，提高了液体燃料射流脉冲频率。

本发明的脉冲喷注装置，控制装置控制阀芯沿轴线方向周期性动作，进而控制进液口与出液口周期性连通，保持液体燃料的质量流量一定，通过控制装置控制脉冲喷注装置开启和关闭的工作时序，进而实现对脉冲喷注的脉冲频率和占空比的控制，通过对不同脉冲频率和占空比条件下混合和燃烧状态的标定，实现混合和燃烧的主动控制。

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是本发明优选实施例的脉冲喷注装置结构示意图；以及

图2是本发明优选实施例的图1的A处放大图；

图3是本发明优选实施例的液体燃料供应系统示意图；

图4是本发明实施例一中高速摄影获得的瞬态射流图像；

图5是本发明实施例一中脉冲喷注过程中射流喷前压力和下游四个位置穿透深度随时间的变化图；

图6是本发明实施例一中不同占空比条件下射流穿透深度曲线图。

图例说明：

1、阀座；2、阀体；21、上阀体；22、下阀体；23、隔磁环；3、阀芯；4、弹性件；5、线圈；6、线圈罩；7、O型圈；8、密封圈；10、脉冲喷注装置；11、第一空腔；12、阀体通孔；13、喷嘴通孔；201、电源；202、电机；203、齿轮泵；30、液体燃料储箱

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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种脉冲喷注装置，用于提高超燃冲压发动机中液体燃料穿透深度，脉冲喷注装置包括阀座1、与阀座1固定连接的阀体2、设置在阀体2内部的阀芯3和用于控制阀芯3动作的控制装置；阀座1上设置有供液体燃料输入的进液口；阀体2上沿阀体的轴线方向依次设置有第一空腔11、阀体通孔12、喷嘴通孔13以及用于输出液体燃料的出液口，第一空腔11、阀体通孔12、喷嘴通孔13和出液口沿轴线方向依次连通；阀芯3在第一空腔11内沿轴线方向相对于阀体2可滑动地布置，控制装置控制阀芯3沿轴线方向周期性动作，进而控制进液口与出液口周期性连通，使液体燃料由出液口输出生成脉冲喷注。

在液体管路供应系统中，当阀门突然开启或者关闭时，管路中将会出现压强波动的水击效应，这是由于开关阀引起的压力冲击在管路中传播引起的。本发明的脉冲喷注装置，在阀体上设置有喷嘴通孔13以及用于输出液体燃料的出液口，喷嘴通孔13直接与阀体通孔12连通，省去了喷嘴与阀之间的额外管路，有效减小了产生水击效应的冲击波在管路中的时间，最大限度地降低水击的影响，缩短了液体从阀流动至喷嘴出口的时间，从而减小了脉冲过程中的迟滞现象，提高了脉冲喷注装置所能提供的液体燃料射流脉冲频率。

脉冲喷注通过减小射流喷注时间可以在一定的质量流率下产生更大的瞬时喷注速度。占空比是指在脉冲喷注的一个脉冲周期内，阀门处于开启状态的时间与总时间之比。在一定质量流率条件下，占空比减小的情况下，喷注压降提高，射流穿透深度也相应提高。本发明的脉冲喷注装置，控制装置控制阀芯3沿轴线方向周期性动作，进而控制进液口与出液口周期性连通，保持液体燃料的质量流量一定，通过控制装置控制脉冲喷注装置开启和关闭的工作时序，进而实现对脉冲喷注的脉冲频率和占空比的控制，通过对不同脉冲频率和占空比条件下混合和燃烧状态的标定，实现混合和燃烧的主动控制。

可选地，脉冲喷注装置还包括弹性件4，弹性件4以一预压量设置在第一空腔11中，弹性件4的一端与阀体2抵接，弹性件4的另一端与阀芯3抵接以朝向阀座1推抵所述阀芯3。脉冲喷注装置未动作时，阀芯3受弹性件4的弹力作用推抵到阀座1上，进液口与出液口之间不流通，脉冲喷注装置动作时，控制装置对阀芯3施加与弹性件4弹力方向相反的作用力，且当作用力大于弹力时，阀芯3沿轴线方向滑动，进液口与出液口连通，液体燃料经进液口、阀芯3、阀体通孔12、喷嘴通孔13由出液口喷出。可选地，阀体2用于与阀芯3贴合的端面沿轴线方向向出液口方向凹陷形成第一弹性件安装槽，阀芯3用于与阀体2贴合的端面沿轴线方向向与出液口相反的方向凹陷形成第二弹性件安装槽，弹性件4的两端分别与第一弹性件安装槽的槽底和第二弹性件安装槽的槽底抵接。进一步可选地，弹性件4为弹簧。

可选地，控制装置包括线圈5、线圈罩6和控制器，线圈5缠绕在阀体2的外周上，线圈罩6套设于缠绕有线圈5的阀体2外周且与阀体2固定连接，控制器与线圈5电气连接。阀体2包括上阀体21、下阀体22和设置在上阀体21和下阀体22之间的隔磁环23，所述线圈罩6与上阀体21固定连接，下阀体22与所述阀座1连接。作为本实施例的进一步说明，隔磁环23分别与上阀体21、下阀体22通过焊接的方式固定连接。所述上阀体21的外周径向向外设置有第一环形凸起，第一环形凸起上设置有用于与线圈罩6连接的沿周向间隔布设的螺孔，线圈罩6上用于与上阀体21连接的一端径向向内设置有安装环，安装环上设置有与上阀体21上的螺孔相对应的安装孔，线圈罩6与上阀体21通过穿设于安装孔和螺纹孔中的螺钉连接。线圈罩6的侧面设置有引出孔，线圈5的导线通过引出孔引出后与控制器连接。下阀体22的一端与隔磁环23固定连接，另一端与阀座1连接，且在下阀体22用于与阀座1连接的一端径向向外设置有第二环形凸起，第二环形凸起上设置有沿周向间隔布设的通孔，通孔用于将脉冲喷注装置固定在工作台上，以缓解脉冲喷注装置工作时的冲击。进一步地，下阀体22上用于与阀座1连接的一端端面上沿轴线方向向出液口方向内凹设形成安装槽，安装槽与设置在阀体2上的第一空腔11连通，且安装槽与第一空腔11连接处形成台阶面，阀座1上用于与阀体2连接的一端端面与台阶面贴合，阀座1的外周壁与安装槽内环面相配合连接。可选地，下阀体22与阀座1采用过盈配合连接或螺纹连接。线圈5缠绕在第一环形凸起和第二环形凸起之间。进一步地，上阀体21、下阀体22、阀芯3和线圈罩6采用导磁材料制成；隔磁环23采用不能磁化的材料构成以隔断磁通，线圈5通电后，线圈5周围产生磁场，上阀体21、下阀体22、阀芯3和线圈罩6在磁场作用下被磁化，磁通流过形成闭合回路，阀芯3在磁力作用下，克服弹性件4的弹性力沿轴线方向向上运动至与上阀体21贴合，阀芯3开启。线圈5未通电时，阀芯3受弹性件4的弹力作用推抵在阀座1上，进液口与出液口之间不流通；线圈5通电时，阀芯3受到的磁力克服弹力作用使得阀芯3沿轴向向上运动，液体燃料由进液口经阀芯流至阀体通孔12，形成流体通路；线圈5断电时，阀芯3受到的磁力消失，阀芯3在弹力作用下沿轴向向下运动至与阀座1抵接，流体通路关闭。可选地，控制装置包括与阀芯3直接连接且用于驱动阀芯3沿轴向周期性往复的液压驱动装置。

可选地，阀座1上用于与阀体2连接的一端的端面设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有O型圈7。进一步地，在阀座1上用于与下阀体22贴合的端面上设有环形凹槽，环形凹槽内设置有O型圈7，以加强阀座1与阀体2之间的密封，防止液体燃料经阀座1与阀体2连接处流出。

可选地，阀芯3靠近阀座1的一端端部设置有凹槽，凹槽内设置有密封圈8。通过在阀芯3上靠近阀座1的一端设置密封圈8，可有效改善线圈5未通电或断电状态下，阀芯3与阀座1之间的密封性。进一步可选地，进液口与第一空腔11、阀体通孔12、喷嘴通孔13以及出液口同轴，也即进液口与阀芯3同轴，密封圈8的横断面尺寸大于进液口径向尺寸，使得密封圈8能够完全覆盖进液口，从而保证阀芯3对进液口处液体燃料的阻断作用。

参照图2，阀体通孔12与喷嘴通孔13连接处设置有径向尺寸由阀体通孔12向喷嘴通孔13逐渐减小的倒角，倒角角度为30°-60°。优选地，倒角角度为45°，由此可减小喷注过程中的射流波动，提高液体燃料射流稳定性。

可选地，阀体通孔12的孔径Dn为2-4mm，喷嘴通孔13的孔径D与出液口的孔径相等且均为0.3-0.5mm，喷嘴通孔13的长度l为5-10mm；可以理解地，可根据液体的喷注压力对喷嘴通孔13的孔径D和长度l进行选择。

参照图3，本发明的优选实施例提供了一种液体燃料供应系统，包括增压系统、液体燃料储箱30、油路系统和前述脉冲喷注装置10，增压系统包括依次连接的电源201、电机202和齿轮泵203，液体燃料储箱30用于向齿轮泵203输送液体燃料，齿轮泵203输出的液体燃料经油路系统输送至脉冲喷注装置10。

本发明还提供了一种采用上述液体燃料供应系统的超燃冲压发动机。

采用上述脉冲喷注装置在某高超声速冲压发动机技术重点实验室的冷试雾化实验台上进行试验。试验工况：超声速空气来流马赫数2.85，总压1.32MPa，总温300K，喷嘴通孔13直径0.5mm，阀体通孔12孔径4mm，液体工质为水，质量流率为10g/s，控制终端采用了辨率可达1ms的松下FP10SH型可编程逻辑制器，其输入输出单元为光耦隔离16路继电器，用以控制脉冲喷注装置的开启和关闭。采用高速摄影系统获取射流喷注的动态过程。

图4为实施例一中采用高速摄影系统获得的瞬态射流图像，定义空气来流方向为X，空气来流方向上不同位置为x，喷注方向为Y，穿透深度为h。

控制实施例一中脉冲喷注装置的占空比α不变，对脉冲喷注过程中射流喷前压力和下游四个位置穿透深度随时间的变化进行测试，参照图5，可见脉冲喷注的重复性较好且穿透深度对喷前压力变化的响应时间很短，脉冲频率达到200Hz，并且喷前压力在完全打开的阶段无明显的波动现象，压力曲线近似于方波，控制实施例一中脉冲喷注装置的占空比α分别为0.2、0.3、0.5、0.8和1，对某一瞬态空气来流方向上不同位置处的穿透深度进行测试，参照图6，可见随着占空比的减小，射流穿透深度逐渐提高。

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。