一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机的制作方法

1.本发明属于发动机领域，具体涉及一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机。

背景技术：

2.目前得以应用的航母弹射技术有蒸汽弹射和电磁弹射技术，均以弹射动力来命名，弹射动力(发动机)作为航母的关键设备主要是满足功率输出与瞬时性、整体刚强度要求。能检索到的相关弹射发动机技术均存在相当大的问题，首先是瞬时输出能量的级别不满足弹射需求、其次是发动机动力的平稳性或可调节性无法匹配(如蒸汽弹射技术中用高压蒸汽为动力)、再次是弹射动力能够响应的工作频率不能满足导致弹射效率降低。
3.现役航母分别利用蒸汽压力与电磁力进行弹射，即蒸汽弹射技术与电磁弹射技术，两者的动力形式均为物理能量，电磁弹射技术虽然克服了蒸汽弹射动力输出和稳定性与控制问题，但电磁弹射存在电能瞬间转换效率与弹射频率匹配问题，以及电磁干扰、发热降温、全天候工作要求等等。而蒸汽弹射是利用高温高压水蒸汽为动力，存在温度高约375℃度左右，蒸汽压力受航母主锅炉的压力影响较大，存在高温隔热以及高温对容器材料强度降低等问题。更为关键的是对蒸汽弹射技术的平稳性无物理理论支撑(通过伯努利方程：和克拉珀龙方程：pv＝nrt，推导出蒸汽弹射的动力是受体积与速度的影响)。这也是现役蒸汽弹射存在的最大问题即弹射动力平衡性相当差，以及能量密度低的问题，再有是水蒸汽受环境温度影响较大，因汽缸、活塞等均为合金钢材料，在极寒天气条件下，系统预热所需时间更长，甚至会导致蒸汽弹射的输出不足而失败。
4.无论是蒸汽还是电磁两者在待机状态的能量消耗是十分惊人的，再有是两者均严重依赖航母锅炉提供动力，连续多次弹射会严重影响航母的动力输出用于自身航速以及其它功能的动力要求。以小鹰号航母为例每分钟一次连续弹射8架次，则锅炉压力降低20％，航母动力降低32％，速度下降8节。一个飞行编队是12架次，可想蒸汽弹射一个编队对自身的动力影响。而电磁弹射重型战机单次弹射耗电量约50kw
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h，而船用大型发电机组为20mw，约9秒的发电量才能满足一次弹射起飞，相当多的电量要分配给航母的其它功能单元，增加发电机组对航母的空间与重量都是相当大的负荷，可见电磁弹射同样存在供给矛盾。
5.基于二氧化碳的特性已经有当多的机构在进行研究，重点是解决激发液态二氧化碳汽化的稳定性与效率方面尚需突破。
6.无论电磁还是蒸汽弹射技术受自身系统条件限制，一旦定型其拓展能力相当有限甚至为零，且不具有容错补偿能力。即最大输出功率无可能增加，电磁弹射技术中的系统电压调增几乎不可能，蒸汽压力罐的压力增加即锅炉压力增加等。而容错能力则是如电磁弹射中的某个定子线圈一旦发生故障会造成弹射动力输出不足，蒸汽弹射则会因漏气而导致
动力输出不足。

技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种装置实现火药高速激发液态二氧化碳汽化而生产高速高压气体，是一种以化学能为主辅以物理相变的气体发生器(也或气体发动机)，通过火药点火方式以及热交换设计实现火药燃速的精准控制以及火药燃烧能量与液态二氧化碳热交换充分的目的，最终得到发动机的瞬发性、可控性与稳定性。
8.实现本发明目的的技术方案为：
9.一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，包括：
10.热交换室，作为火药燃气与液态二氧化碳的热交换单元，用于将液态二氧化碳转变为气态二氧化碳，并形成作为动力源的混合气体；
11.液态二氧化碳供给支管，呈多列设置在热交换室内，用于存储液态二氧化碳；液态二氧化碳供给支管上设有与火药单元装填室对应的二级阀门出口，该二级阀门出口上设有二级阀门，用于在火药燃气作用下打开二级阀门出口，实现液态二氧化碳从液态二氧化碳供给支管注入热交换室内；
12.火药单元装填室，每个火药单元装填室对应一个二级阀门出口，用于装填火药，通过点燃火药产生火药燃气实现二级阀门的打开。
13.与现有技术相比，本发明的显著优点为：
14.1、很好地解决了弹射动力的瞬发性，充分利用火药的化学反应速度与高能量的特点配合液态二氧化碳易存储、汽化热低和高能量密度的优点，实现了气体发动机对低温气体生产的高效率化，具有目前单一物理能量所无法比拟的优势；
15.2、可控性良好，现有技术对火药的控制已经相当成熟如民用方面烟花等，充分利用火药燃烧来解决液态二氧化碳的注入与流量控制，简化了控制复杂程度提高了自动化程度；
16.3、通过对火药动力单元分级多元化设计以及备用机制，可实现发动机输出动力的平稳性、容错与补偿机制；
17.4、液态二氧化碳的使用提高了火药内能与动能转化率又解决了火药燃烧造成的烧蚀问题，提供了低温气体动力。液态二氧化碳在工业爆破中已经广泛应用，主要是基于其汽化效率高优点；
18.5、输出压力高，鉴于液态二氧化碳临界条件因素，该技术的经济输出压力在5mpa～7mp之间，这样可直接利用液态二氧化碳的压力进行工作而无需外加动力。
19.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
20.图1为火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机总体结构图。
21.图2为图1中a_a剖视图。
22.图3为图1中b_b剖视图。
23.图4为火药单元装填室结构图。
24.图5为火药单元装填室仓盖剖面详图
25.图6为火药单元平面与剖面图。
26.图7为供给管和二级阀门结构图。
具体实施方式
27.结合图1-图7，本发明的一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，属于热交换形式的气体发生器，包括热交换室1、火药单元装填室2、点火引线3、旋转仓盖4、固定仓盖5、仓门开关马达6。
28.多个火药单元装填室2分布于热交换室1周围，形似玉米棒子，热交换室1类似玉米棒子的棒芯，火药单元装填室2类似玉米粒；
29.所述热交换室1内设有多列供给支管8，液态二氧化碳供给支管8通过支管支架10固定在热交换室1内。
30.每根液态二氧化碳供给支管8对应一列火药单元装填室2，每个液态二氧化碳供给支管8上设有多个二级阀门出口9，每个二级阀门出口9对应一个火药单元装填室2，以实现火药燃烧与液态二氧化碳的匹配性。
31.二级阀门出口9从径向贯穿液态二氧化碳供给支管8，正对火药单元装填室2的火药喷射口12的为二级阀门顶口11(即阀门的对应面)。
32.所述热交换室1一端设有液态二氧化碳注入口a，另一端为发动机喷口b。液态二氧化碳注入口a上设有液态二氧化碳转接器7(一口转多口)，通过液态二氧化碳转接器7将主管路通入的液态二氧化分别分配至多个液态二氧化碳供给支管8，主管道上设有一级阀门，作为向液态二氧化碳供给支管8充入液态二氧化碳的控制开关。
33.所述火药单元装填室2用于装填火药单元，火药单元装填室2成锥体结构，与热交换室相连的端部设有火药喷射口12，其装填口上设有固定仓盖5和旋转仓盖4，旋转仓盖4与固定仓盖5转动连接，且固定仓盖5上设有仓门开关马达6，用于通过齿轮驱动旋转仓盖4相对固定仓盖5转动，实现旋转仓盖4的打开和关闭，关闭后仓盖装填单元外避呈相互啮合状，固定仓盖5内侧设有两道密封圈13，用于火药单元装填室2与火药单元外壳41间的密封，防止高压气体泄漏。旋转仓盖4上设有点火引线3，用于同脉冲点火固定孔43上前置脉冲点火器46电连接，以发送高压脉冲信号，实现前置脉冲点火器46的点火，引燃锥形外壳41内的火药44。当火药单元内的火药44燃烧完成后，旋转仓盖4打开，在外部装填机构的作用下进行换装填，换装完成后，旋转仓盖4关闭。
34.所述火药单元用于装填火药44与脉冲点火器46，由锥形外壳41和惰性可燃封装材料45完成火药封装，底壳上设有脉冲点火器固定孔43，火药单元装药孔42置于火药喷射口12内。
35.所述二级阀门出口9内设有二级阀门，用于在火药燃气作用下打开二级阀门出口9，使得二氧化碳供给支管8内的液态二氧化碳进入热交换室1。所述二级阀门包括阀门固定件2-1，对应面2-2、背应面2-3、连接件2-4、销钉2-5、弹簧2-6；
36.所述连接件2-4上套有弹簧2-6，弹簧2-6设置在连接件2-4中间限位结构(凸起或轴肩)与阀门固定件2-1之间；所述阀门固定件2-1固定在液态二氧化碳供给管8内壁，中间有方孔穿过连接件2-4，用于约束阀门连接件2-4只能水平(径向)移动而不能转动，对应面2-2与背应面2-3为阀芯，其结构形式为圆管的圆形切面，分别固定在连接件2-4的两端，
37.对应面2-2位于二级阀门顶口11位置，正对火药喷射口12，销钉2-5固定在连接件2-4上，用于限定阀芯的位置，使得对应面2-2、背应面2-3与二氧化碳供给管8常态下处于齐平封闭常态。二级阀门的原理是当火药点燃后，燃气喷出推动对应面2-2，压缩弹簧2-6，这样对应面与背应面即阀芯与管壁发生错位产生缝隙，液态二氧化碳由孔隙处喷出进入热交换室1，并与火药燃气混合，混合气体经发动机喷口b进入气缸，推动活塞，实现牵引做功。火药燃烧快，喷射压力大，开口就大，液态二氧化碳注入速度也加快。当火药燃烧尽，会在弹簧2-6作用下，自动关闭。
38.可以通过单个火药单元装填室2、单列火药单元装填室2、多个火药单元装填室2、多列火药单元装填室2的点燃控制注入液态二氧化碳的量，实现对压力的控制。
39.液态二氧化碳在工业爆破中得以应用主要是汽化热低效率高，受热后体积瞬间膨胀约392倍，常温下汽化热才155.23kj/kg而水的汽化热是2.4mj/kg，氮气的液化温度条件是-146.9℃限制了其应用。液态二氧化碳的物理特性与优势是其在工业爆破中得以应用的关键。
40.液态二氧化碳温度、压力、密度与汽化热关系
[0041][0042][0043]
注：上表可知20℃时1m3液态二氧化碳汽化后体积膨胀392.28倍。
[0044]
本发明是一种气体发动机，是通过火药激发液态二氧化碳相变汽化产生的高压混合气体装置，属于气体动力发生器。具有效率极高且具有良好的稳定性，是液态二氧化碳工业爆破应用方向的创新。在常温条件下可提供5～7mpa的动力输出。二氧化碳相对其它气体具有临界点高、易存储的优点，在常温下可实现6mpa的动力输出而无需注入动力，汽化热低是工业爆破得以应用的关键，再者通过设计可实现二氧化碳回收利用，液态二氧化碳的运用降低了火药烧蚀损伤。发动机与自动装填系统配合可实现火药动力单元的自动化装填，
提高了换装效率，缩短了弹射周期。
[0045]
本发明的发动机所需原材料分别用耐压球罐(存储液体二氧化碳)和锥形火药单元进行储存，为降低风险并获得较平稳的动力，将动力火药拆分成n个燃烧单元，并用脉冲点火方式进行前端点火，形成顺序燃烧，避免了底火点燃将未燃烧的火药喷入发动机而造成浪费。因火药单元外形是类似烟花的锥体随着燃烧量增加燃气的喷射压力也增加，进而推动二级液态二氧化碳阀门的流量加大，实现了与速度递增的最佳配合。该设备准确讲是化学反应为基础的热交换装置，重点是高速精准控制火药的燃烧以及与液态二氧化碳的达到最佳注入比例实现更高输出效率。

技术特征：

1.一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，包括：热交换室，作为火药燃气与液态二氧化碳的热交换单元，用于将液态二氧化碳转变为气态二氧化碳，并形成作为动力源的混合气体；液态二氧化碳供给支管，呈多列设置在热交换室内，用于存储液态二氧化碳；液态二氧化碳供给支管上设有与火药单元装填室对应的二级阀门出口，该二级阀门出口上设有二级阀门，用于在火药燃气作用下打开二级阀门出口，实现液态二氧化碳从液态二氧化碳供给支管注入热交换室内；火药单元装填室，每个火药单元装填室对应一个二级阀门出口，用于装填火药，通过点燃火药产生火药燃气实现二级阀门的打开。2.根据权利要求1所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，所述火药单元装填室上设有固定仓盖和旋转仓盖，旋转仓盖与固定仓盖转动连接，且固定仓盖上设有仓门开关马达，用于通过齿轮驱动旋转仓盖相对固定仓盖转动，实现旋转仓盖的打开和关闭，旋转仓盖采用插接方式咬合关闭，提高强度。3.根据权利要求1所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，所述火药外部设有惰性可燃封装材料，火药后端设有脉冲引信固定孔，前端设有脉冲点火器，用于与火药单元装填室上的点火引线电连接，实现火药的点燃。4.根据权利要求1所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，所述火药单元装填室呈锥形，以形成速度递增的压力。5.根据权利要求1所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，所述二级阀门包括阀门固定件，对应面、背应面、连接件、销钉、弹簧；所述连接件上套有弹簧，弹簧设置在连接件中间限位结构与阀门固定件之间；所述阀门固定件固定在液态二氧化碳供给管内壁，阀门连接件只能水平(轴向)移动不能转动，对应面与背应面分别固定在连接件的两端；所述对应面正对火药单元装填室的火药喷射口，销钉固定在连接件上，用于限定阀芯的位置。6.根据权利要求5所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，所述对应面与背应面结构形式为圆管的圆形切面，闭合后与供给管表面弧度一致。7.根据权利要求1所述的火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，其特征在于，火药的点燃方式为单个火药单元装填室、单列火药单元装填室、多个火药单元装填室或多列火药单元装填室的点燃方式。

技术总结

本发明公开了一种火药激发液态二氧化碳相变的气体发动机，包括：热交换室，作为火药燃烧燃气与液态二氧化碳的热交换单元，用于将液态二氧化碳转变为气态二氧化碳发生相变，并形成作为动力源的混合气体；液态二氧化碳供给支管，呈多列设置在热交换室内，用于液态二氧化碳注入通道；液态二氧化碳供给支管上设有与火药单元装填室对应的二级阀门出口，该二级阀门出口上设有二级阀门，用于在火药燃气作用下打开二级阀门出口，实现液态二氧化碳从液态二氧化碳供给支管注入热交换室内；火药单元装填室，每个火药单元装填室对应一个二级阀门出口，用于装填火药，通过点燃火药产生火药燃气实现二级阀门的打开。本发明最终得到发动机实现一定能量级别的可控性、高速性。高速性。高速性。