CN102383971A - 多级热冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级热冲压发动机，包括燃烧室和作功单元，在具有两个或两个以上缩扩区的气体通道内串联设置至少两个所述燃烧室，所述气体通道与所述作功单元连通。本发明大幅度提高了冲压发动机的效率，提高了冲压发动机使用的广泛性。

Description

多级热冲压发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种冲压发动机。

背景技术

传统冲压发动机需要做高速运动才能获得足够高的气体压力，进而才能获得满意的燃烧环境，所以冲压发动机存在启动困难和必须作高速运动才能有效工作的难题。在启动方面，虽然有火箭冲压和燃气轮机冲压等启动技术，但是火箭和燃气轮机仅仅在冲压发动机启动时得到应用导致系统的结构复杂，而且资源浪费。不仅如此，这些结构只能解决冲压发动机的启动问题，仍然不能使冲压发动机在低运动速度下和静止条件下工作。如果能够发明一种新型冲压发动机，使其处于静止或低速运动也能正常工作，就能使这类发动机的应用更广泛。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

一种多级热冲压发动机，包括燃烧室和作功单元，在具有两个或两个以上缩扩区的气体通道内串联设置至少两个所述燃烧室，所述气体通道与所述作功单元连通。

所述缩扩区设为变径缩扩区。

在所述气体通道内设占位体，所述缩扩区设为占位体缩扩区。

所述作功单元设为作功喷管，所述作功单元设为动力透平，或所述作功单元设为活塞式作功机构。

所述多级热冲压发动机还包括旋转结构体，所述气体通道设在所述旋转结构体上，所述作功单元设为作功喷管，所述旋转结构体对外输出动力。

两个或多个所述缩扩区之间敞口对接。

在所述气体通道的气体入口处设气体增压器。

所述气体通道设为具有两个所述缩扩区的双缩扩区气体通道，所述双缩扩区气体通道中的第二个所述缩扩区设为外置撞击式缩扩区或设为内置撞击式缩扩区。

一种提高所述多级热冲压发动机效率和环保性的方法，即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明的原理是在具有两个或两个以上缩扩区的气体通道内串联设置至少两个燃烧室，进气在第一个缩扩区内将部分动能变成静压并在第一个燃烧室内发生部分燃烧反应(所谓部分燃烧反应是指只消耗进气中的一部分氧化剂)，使进气升温并在缩扩区的作用下加速喷向后方，高速喷射来的进气经缩扩区二次增压燃烧升温再次在缩扩区的作用下以更高的速度向后喷射，依此类推，可以利用两级或两级以上的冲压方式使最后一级的燃烧和冲压条件达到高效燃烧的要求。换句话说，本发明是利用热和动能之间的转换以及动能和压力之间的转换的原理，逐级通过冲压的形式增压，使最后一级也就是气体通道内的最后一个缩扩区的燃烧环境完全达到甚至超越传统冲压发动机的条件，以获得高效的推动力，这样可以使发动机不用做特别高速的运动就可取得高效率。为了更容易理解上述原理，打个简单的比喻：在一根管的中间部位设一火焰灯加热，从管的一端向管的另一端吹入气体，管的出口处的速度一定高于入口处的速度，如果将管出口处喷射出来的气体如打击到障碍物就会得到比入口处更高的静压，从而实现了不用活塞，不用叶轮只通过热-动能-静压的转换的热增压过程。

本发明所公开的多级热冲压发动机中，可以根据每级的压力决定本级的燃料供给量，所述燃烧室可以连续燃烧，也可以间歇燃烧；在所述燃烧室间歇燃烧的结构中，多个所述燃烧室可以同时工作，也可以差时工作。

本发明所公开的多级热冲压发动机中，可以在所述燃烧室内设置氧化剂入口，用来增强所述多级热冲压发动机的动力。

本发明中，图15是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的0点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和10MPa(即目前内燃机中即将开始作功的气体工质的状态点)的工质绝热关系曲线。

本发明中，图15中的中的K是气体工质绝热指数，P是气体工质的压力，T是气体工质的温度，C是常数。

本发明中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图15中O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图15中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图15中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图15所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：即将开始作功的气体工质的状态参数(即气体工质的温度和压力)点在如图15所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。

本发明中，所谓的即将开始作功的气体工质是指即将膨胀作功的气体工质。

本发明中，将即将开始作功的气体工质的状态参数(即气体工质的温度和压力)符合类绝热关系的发动机系统(即热动力系统)定义为低熵发动机。

本发明中，调节敞口对接处进入的空气的量，调整所述缩扩区的气体的温度和压力(比如调节喷入所述燃烧室内的燃料的量)，使所述燃烧室内的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中的做功单元是指接收高温高压工质对外做功的单元。它可以是能够获得反推动力的喷管，也可以是能够对外输出动力的叶轮机，也可以是气缸活塞机构等；本发明中所谓外置撞击式缩扩区是指上游缩扩区和下游缩扩区之间敞口对接，并且工质在下游缩扩区内的运动方向发生大于45度的转向；所谓内置撞击式缩扩区是指上游缩扩区和下游缩扩区之间密封对接，并且工质在下游缩扩区内的运动方向发生大于45度的转向。

当作功单元设为活塞式作功机构时，活塞式作功机构可设为没有压缩冲程也不进行燃烧的发动机。这种发动机由所述多级热冲压发动机的最后一级获得高温高压工质在气缸内膨胀作功，整个系统可以设为固定式，在所述气体通道的入口处设气体增压器。由于这个系统中所述多级热冲压发动机负责产生高温高压气体，活塞式作功机构不需压缩冲程只负责对外作功，利用了两个系统的优势，故整个系统具有较高的效率。

当作功单元设为活塞式作功机构时，活塞式作功机构可设为有压缩冲程有燃烧室的发动机。这种发动机由所述多级热冲压发动机的最后一级获得具有一定温度和压力的工质，这种工质在气缸内燃烧膨胀作功。

本发明所谓的缩扩区是指气体通道内流通面积发生减小后扩大的区域或扩大后减小的区域；所谓变径缩扩区是由气体通道内直径变小后变大或变大后变小的区域；所谓占位体是在气体通道内设置具有一定形状的物体，通常是具有流线特性的物体，如锥形体等，其目的是在不改变气体通道直径或不剧烈改变气体通道直径的情况下在气体通道内构成缩扩区；所谓占位体缩扩区是指由设置在所述气体通道内的所述占位体和所述气体通道形成的气体流通通道面积由小变大的收缩扩张区域或气体流通通道面积由大变小的扩张收缩区域；所谓敞口对接是指两缩扩区之间非密封对接；所谓气体增压器是指风机、涡轮压气机、空气压缩机等一切能够使进气发生增压并快速流动的装置，其目的是增加所述多级热冲压发动机的进气速度。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单，制造成本低，可靠性高。

2、本发明大幅度提高了冲压发动机的效率，提高了冲压发动机使用的广泛性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5为本发明实施例5的结构示意图；

图6为本发明实施例6的结构示意图；

图7为本发明实施例7的结构示意图；

图8为本发明实施例8的结构示意图；

图9为本发明实施例9的结构示意图；

图10为本发明实施例10的结构示意图；

图11为本发明实施例11的结构示意图；

图12为本发明实施例12的结构示意图；

图13为本发明实施例13的结构示意图；

图14为本发明实施例14的结构示意图；

图15是气体工质的温度T和压力P的关系图。

图中：

1燃烧室、2作功单元、3缩扩区、4气体通道、5占位体、

6旋转结构体、201作功喷管、202动力透平、203活塞式作功机构、

301变径缩扩区、302占位体缩扩区、401气体增压器、

400双缩扩区气体通道、402外置撞击式缩扩区、403内置撞击式缩扩区

具体实施方式

实施例1

如图1所示的多级热冲压发动机，包括燃烧室1和作功单元2，在具有两个或两个以上缩扩区3的气体通道4内串联设置至少两个所述燃烧室1，所述气体通道4与所述作功单元2连通。

实施例2

如图2所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述缩扩区3设为变径缩扩区301。

实施例3

如图3所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：在所述气体通道4内设占位体5，所述缩扩区3设为占位体缩扩区302。

实施例4

如图4所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述作功单元2设为作功喷管201。

实施例5

如图5所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述作功单元2设为动力透平202。

实施例6

如图6所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述作功单元2设为活塞式作功机构203。

实施例7

如图7所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：多级热冲压发动机还包括旋转结构体6，所述气体通道4设在所述旋转结构体6上，所述作功单元2设为作功喷管201，所述旋转结构体6对外输出动力。

实施例8

如图8所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：两个或多个所述缩扩区3之间敞口对接，以便使更多的氧化剂(如空气)进入下一个所述缩扩区中参与燃烧，产生更多的作功工质参与作功，并使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系，提高系统的效率和环保型。

实施例9

如图9所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：在所述气体通道4的气体入口处设气体增压器401。

实施例10

如图10所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述多级热冲压发动机设有四个所述缩扩区3和四个所述燃烧室1，并且其中心线设为直线。

实施例11

如图11所示的多级热冲压发动机，其与实施例1的区别在于：所述多级热冲压发动机设有四个所述缩扩区3和四个所述燃烧室1，并且其中心线设为弧形，所述作功单元2设为作功喷管201。

实施例12

如图12所示的多级热冲压发动机，其与实施例7的区别在于：两个所述缩扩区3之间敞口对接。

实施例13

如图13所示的多级热冲压发动机，其与实施例7的区别在于：所述气体通道4设为具有两个所述缩扩区3的双缩扩区气体通道400，所述双缩扩区气体通道400中的第二个所述缩扩区3设为外置撞击式缩扩区402。

实施例14

如图14所示的多级热冲压发动机，其与实施例13的区别在于：所述双缩扩区气体通道400中的第二个所述缩扩区3设为内置撞击式缩扩区403。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多级热冲压发动机，包括燃烧室(1)和作功单元(2)，其特征在于：在具有两个或两个以上缩扩区(3)的气体通道(4)内串联设置至少两个所述燃烧室(1)，所述气体通道(4)与所述作功单元(2)连通。

2.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：所述缩扩区(3)设为变径缩扩区(301)。

3.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：在所述气体通道(4)内设占位体(5)，所述缩扩区(3)设为占位体缩扩区(302)。

4.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：所述作功单元(2)设为作功喷管(201)，所述作功单元(2)设为动力透平(202)，或所述作功单元(2)设为活塞式作功机构(203)。

5.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：所述多级热冲压发动机还包括旋转结构体(6)，所述气体通道(4)设在所述旋转结构体(6)上，所述作功单元(2)设为作功喷管(201)，所述旋转结构体(6)对外输出动力。

6.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：两个或多个所述缩扩区(3)之间敞口对接。

7.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：在所述气体通道(4)的气体入口处设气体增压器(401)。

8.根据权利要求1所述多级热冲压发动机，其特征在于：所述气体通道(4)设为具有两个所述缩扩区(3)的双缩扩区气体通道(400)，所述双缩扩区气体通道(400)中的第二个所述缩扩区(3)设为外置撞击式缩扩区(402)或设为内置撞击式缩扩区(403)。

9.一种提高权利要求6所述多级热冲压发动机效率和环保性的方法，其特征在于：即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

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