CN104832318A - 一种冲压喷气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲压喷气发动机，包括进气道（14）、燃烧室（5）和尾喷管，在所述进气道（14）入口端有空气引流结构，所述空气引流结构包括高压空气输入管（2）、高压气腔（3）以及喷嘴（1），高压气腔（3）连接在进气道（14）上，高压空气输入管（2）中的高压空气进入到高压气腔（3）中并通过喷嘴进入到进气道（14）内实现大量空气引入的作用。本发明由于在进气道中有空气引流结构，通过少量的液态空气气化得到的高压空气喷射，带动周围的空气，在一端高速输出大量的较低压气流，因而可以实现冲压喷气发动机在静止的条件下的起动，并且也解决了使用该发动机的飞行器在失速情况下冲压喷气发动工作稳定性问题。

Description

一种冲压喷气发动机

 

技术领域

本发明涉及一种冲压喷气发动机，尤其是涉及一种液态空气助力冲压喷气发动机。

 

背景技术

冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。

冲压发动机主要是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。通常由进气道、燃烧室和喷管组成。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。冲压发动机结构简单，重量轻，成本低。在飞行马赫数大于3的条件下使用,有较高的经济性。它的缺点是不能自行起动，一般须用其它发动机作为助推器，俟飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。它一般使用煤油做为燃料。推力的产生与涡轮喷气发动机一样，是由于高速排气所产生的反作用力。

其工作原理是：当飞机运动时，空气流以高速冲进发动机中，于是空气速度就下降，压力便上升。当压力刚刚达到最大值时，就由喷油嘴喷射燃料，开始燃烧，使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大，然后这种炙热的空气与燃烧产物相混合的气体，便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。喷气流的速度比进口的空气速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飞机运动。气流喷出速度愈大，推力也就愈大。

总之，冲压发动机的构造简单、重量轻、推重比大、成本低。但它的缺点是不能自行起动，须用其他发动机作为助推器，俟飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。因没有压气机，不能在静止的条件下起动，所以一直不适合作为普通飞机的动力装置，应用场合受了限制。

 

发明内容

本发明设计了一种冲压喷气发动机，其解决的技术问题是（1）现有冲压喷气发动机不能自行起动，须用其他发动机作为助推器，俟飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。（2）现有冲压喷气发动机燃烧段产生大量的热量未能被充分利用，效率较低也就造成了燃料的浪费，同时也造成对环境的较大污染。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案： 

一种冲压喷气发动机，包括进气道（14）、燃烧室（5）和尾喷管，其特征在于：在所述进气道（14）入口端有空气引流结构，所述空气引流结构包括高压空气输入管（2）、高压气腔（3）以及喷嘴（1），高压气腔（3）连接在进气道（14）上，高压空气输入管（2）中的高压空气进入到高压气腔（3）中并通过喷嘴进入到进气道（14）内实现借助流体力学的科恩达效应产生带有一定压力的空气气流。

进一步，所述高压气腔（3）为环形高压气腔，环形高压气腔固定附着在进气道（14）外壁上，喷嘴为多个并环形分布在进气道（14）内壁上；喷嘴（1）为圆形、扁形或连续环形缝隙结构实现高压高速气流喷射。

进一步，液态空气储箱（17）中装有超低温液态空气，液态空气储箱（17）一个输出端输出的液态空气经过电气化器（19）处理后通过液态空气输入管（7）进入到气化换热器（8）中气化，所述气化换热器（8）设置在燃烧室（5）的末端与燃烧后的高温气体进行换热，气化后的高压空气通过高压管道进入到所述高压气腔（3）中。

进一步，所述气化换热器（8）环形结构并固定连接在燃烧室（5）末端的内壁上。

进一步，在所述液态空气储箱（17）与所述电气化器（19）之间的管道上设有高压液态空气泵（18）。

进一步，所述高压管道包括气化空气输出管（9）和高压空气输入管（2），气化空气输出管（9）和高压空气输入管（2）之间设有涡轮机（16），所述气化换热器（8）气化形成的高压空气推动涡轮机（16）转动并带动发电机（4）产生电力。

进一步，液态空气储箱（17）另一个输出端通过液态空气加力供管（10）与液态空气喷腔（22）连接，液态空气喷腔（22）设置在尾喷管的前段内壁上，液态空气喷腔（22）上设有多个液态空气喷嘴（13），液态空气喷嘴（13）释放出来的液态空气吸收燃烧室（5）燃烧生成的高温气体热量发生膨胀并在尾喷管中形成加力膨胀段（11）。

进一步，所述液态空气加力供管（10）上设有液态空气助力泵（21）。

进一步，还包括一电控系统（15），所述电控系统（15）分别控制高压液态空气泵（18）、电气化器（19）、发电机（20）以及液态空气助力泵（21）的工作。

进一步，所述燃烧室（5）中包括多个燃料喷管（6）和燃料供管（4），多个燃料喷管（6）并联在所述燃料供管（4）上，多个燃料喷管（6）沿着所述燃烧室（5）内壁做环形分布以实现流体力学的科恩达效应，带动更多气体高速流动。

该冲压喷气发动机与传统冲压喷气发动机相比，具有以下有益效果：

（1）本发明由于在进气道中有空气引流设计，通过输入少量的液态空气气化得到的高压空气喷射，带动周围的空气，在一端高速输出大量的较低压气流，因而可以实现冲压喷气发动机在静止的条件下的起动，并且也解决了使用该发动机的飞行器在失速情况下冲压喷气发动工作稳定性问题。

（2）本发明由于液态空气吸收燃烧室燃烧生成的高温气体热量发生膨胀并在尾喷管中形成加力膨胀段，使得液态空气迅速气化，在膨胀过程中能输出巨大的推力，并且可以充分利用燃料产生的热值，改进燃料燃烧效率，减少对环境的破坏。

（3）本发明由于多个燃料喷管沿着燃烧室内壁做环形分布，燃烧的气体也带动周边气流实现流体力学的科恩达效应，高速输出大量的低压气流。

（4）本发明冲压喷气发动机由于无旋转件，使得发动机重量更小、噪音小、发动机进出气口形状不受限制、抗外物冲击的能力强、对材料耐高温要求降低以及降低了材料成本。

（5）本发明利用液态空气吸收燃料产生的热能膨胀做功，增加推力的同时，也大大降低喷射气体的温度，大大降低了红外特性和紫外特性，除了又环保作用，还在军事领域作战装备红外隐身方面有明显作用。

 

附图说明

图1：本发明冲压喷气发动机的轴向剖视图；

图2：本发明冲压喷气发动机的控制部件连接方框示意图。

附图标记说明：

1—喷嘴；2—高压空气输入管；3—高压气腔；4—燃料供管；5—燃烧室；6—燃料喷管；7—液态空气输入管；8—气化换热器；9—气化空气输出管；10—液态空气加力供管；11—加力膨胀段；12—尾喷口；13—液态空气喷嘴；14—进气道；15—电控系统；16—涡轮机；17—液态空气储箱；18—高压液态空气泵；19—电气化器；20—发电机；21—液态空气助力泵；22—液态空气喷腔。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种冲压喷气发动机，包括进气道14、燃烧室5和尾喷管，在进气道14入口端有空气引流结构，空气引流结构包括高压空气输入管2、高压气腔3以及喷嘴1，高压气腔3连接在进气道14上，高压空气输入管2中的高压空气进入到高压气腔3中并通过喷嘴进入到进气道14内实现流体力学的科恩达效应。高压气腔3为环形高压气腔，环形高压气腔固定附着在进气道14外壁上，喷嘴为多个并环形分布在进气道14内壁上。环形高压气腔可以实现更好的科恩达效应效果；喷嘴可以是圆形，也可以是扁形，也可以是连续环形缝隙式，均可以实现高压高速气流喷射。

此外，燃烧室5中包括多个燃料喷管6和燃料供管4，多个燃料喷管6并联在燃料供管4上，多个燃料喷管6沿着燃烧室5内壁做环形分布以实现流体力学的科恩达效应。

本发明冲压喷气发动机使用的空气引流结构中高压空气来自液态空气储箱17，该液态空气储箱17不仅仅为高压气腔3提供高压气源，还为尾喷管中的加力膨胀段11提供膨胀气源，具体结构如下：

液态空气储箱17一个输出端输出的液态空气经过电气化器19处理后通过液态空气输入管7进入到气化换热器8中气化，气化换热器8设置在燃烧室5的末端与燃烧后的高温气体进行换热，气化后的高压空气通过高压管道进入到高压气腔3中。在液态空气储箱17与电气化器19之间的管道上设有高压液态空气泵18。

当然，在高压气腔3与气化换热器8之间还可以设有一涡轮机16，该涡轮机16可以利用高压气体进行发电。具体结构如下：高压管道包括气化空气输出管9和高压空气输入管2，气化空气输出管9和高压空气输入管2之间设有涡轮机16，气化换热器8气化形成的高压空气推动涡轮机16转动并带动发电机4产生电力。

由此可见，上述结构实现了液态空气从液态变化为气体，再从低压变成高压。

液态空气储箱17另一个输出端通过液态空气加力供管10与液态空气喷腔22连接，液态空气加力供管10上设有液态空气助力泵21。液态空气喷腔22设置在尾喷管的前段内壁上，液态空气喷腔22上设有多个液态空气喷嘴13，液态空气喷嘴13释放出来的液态空气吸收燃烧室5燃烧生成的高温气体热量发生膨胀并在尾喷管中形成加力膨胀段11。尾喷管中的液态空气喷嘴13提供液态空气受热迅速发生膨胀形成膨胀气体，膨胀过程本身也能输出巨大的推力，不亚于燃烧高温让气体升温膨胀产生的力量。

上述液态空气的使用和工作是通过电控系统15来控制的，电控系统15分别控制高压液态空气泵18、电气化器19、发电机20以及液态空气助力泵21的工作。

本发明冲压喷气发动机的工作原理如下：冲压喷气发动机工作时，首先将打开燃料供管4，燃料通过燃料供管4进入到燃料喷管6中进行燃烧，燃料喷管6喷出的高温气体可以达到2000℃-2500℃。然后，电控系统15通过电信号开启高压液态空气泵18和电气化器19，液态空气储箱17输出的液态空气将进入到电气化器19中。经过电气化器19处理后的液态空气通过液态空气输入管7进入到气化换热器8中气化，低温液态空气与2000℃-2500℃的高温气体进行换热由液态变为气态，气化后的空气通过气化空气输出管9进入涡轮机16中，涡轮机16转动过程将会对高压气体进行一定的压降，但同时可以给发电机4产生电力。涡轮机16输出的高压空气通过高压空气输入管2进入到高压气腔3中。

同时，电控系统15还通过电信号开启液态空气助力泵21，液态空气储箱17输出的液态空气通过液态空气加力供管10中最终流入到液态空气喷腔22中，多个液态空气喷嘴13喷出的液态空气压力达到5兆帕-30兆帕，液态空气与到燃烧室释放出来的高温气体接触后会发生膨胀，液态空气将膨胀50-800倍，液态空气在膨胀过程中能输出巨大的推力。

该冲压喷气发动机与传统冲压喷气发动机相比，具有以下有益效果：

（1）本发明由于在进气道中有空气引流设计，通过输入少量的液态空气气化得到的高压空气喷射，带动周围的空气，在一端高速输出大量的低压气流，因而可以实现冲压喷气发动机在静止的条件下的起动，并且也解决了使用该发动机的飞行器在失速情况下冲压喷气发动工作稳定性问题。

（2）本发明由于液态空气吸收燃烧室燃烧生成的高温气体热量发生膨胀并在尾喷管中形成加力膨胀段，使得液态空气迅速气化，在膨胀过程中能输出巨大的推力，并且可以充分利用燃料产生的热值，改进燃料燃烧效率，减少对环境的破坏。

（3）本发明由于多个燃料喷管沿着燃烧室内壁做环形分布，燃烧的气体也带动周边气流实现流体力学的科恩达效应，高速输出大量的低压气流。

（4）本发明冲压喷气发动机由于无旋转件，使得发动机重量更小、噪音小、发动机进出气口形状不受限制、抗外物冲击的能力强、对材料耐高温要求降低以及降低了材料成本。

（5）本发明利用液态空气吸收燃料产生的热能膨胀做功，增加推力的同时，也大大降低喷射气体的温度，大大降低了红外特性和紫外特性，除了又环保作用，还在军事领域作战装备红外隐身方面有明显作用。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冲压喷气发动机，包括进气道（14）、燃烧室（5）和尾喷管，其特征在于：在所述进气道（14）入口端有空气引流结构，所述空气引流结构包括高压空气输入管（2）、高压气腔（3）以及喷嘴（1），高压气腔（3）连接在进气道（14）上，高压空气输入管（2）中的高压空气进入到高压气腔（3）中并通过喷嘴进入到进气道（14）内实现大量空气引入的作用。

2.根据权利要求1所述冲压喷气发动机，其特征在于：所述高压气腔（3）为环形高压气腔，环形高压气腔固定附着在进气道（14）外壁上，喷嘴（1）为多个并环形分布在进气道（14）内壁上；喷嘴（1）为圆形、扁形或连续环形缝隙结构实现高压高速气流喷射。

3.根据权利要求1或2所述冲压喷气发动机，其特征在于：液态空气储箱（17）中装有超低温液态空气，液态空气储箱（17）一个输出端输出的液态空气经过电气化器（19）处理后通过液态空气输入管（7）进入到气化换热器（8）中气化，所述气化换热器（8）设置在燃烧室（5）的末端与燃烧后的高温气体进行换热，气化后的高压空气通过高压管道进入到所述高压气腔（3）中。

4.根据权利要求3所述冲压喷气发动机，其特征在于：所述气化换热器（8）环形结构并固定连接在燃烧室（5）末端的内壁上。

5.根据权利要求3所述冲压喷气发动机，其特征在于：在所述液态空气储箱（17）与所述电气化器（19）之间的管道上设有高压液态空气泵（18）。

6.根据权利要求3所述冲压喷气发动机，其特征在于：所述高压管道包括气化空气输出管（9）和高压空气输入管（2），气化空气输出管（9）和高压空气输入管（2）之间设有涡轮机（16），所述气化换热器（8）气化形成的高压空气推动涡轮机（16）转动并带动发电机（4）产生电力。

7.根据权利要求3、4、5或6所述冲压喷气发动机，其特征在于：液态空气储箱（17）另一个输出端通过液态空气加力供管（10）与液态空气喷腔（22）连接，液态空气喷腔（22）设置在尾喷管的前段内壁上，液态空气喷腔（22）上设有多个液态空气喷嘴（13），液态空气喷嘴（13）释放出来的液态空气吸收燃烧室（5）燃烧生成的高温气体热量发生膨胀并在尾喷管中形成加力膨胀段（11）。

8.根据权利要求7所述冲压喷气发动机，其特征在于：所述液态空气加力供管（10）上设有液态空气助力泵（21）。

9.根据权利要求8所述冲压喷气发动机，其特征在于：还包括一电控系统（15），所述电控系统（15）分别控制高压液态空气泵（18）、电气化器（19）、发电机（20）以及液态空气助力泵（21）的工作。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述冲压喷气发动机，其特征在于：所述燃烧室（5）中包括多个燃料喷管（6）和燃料供管（4），多个燃料喷管（6）并联在所述燃料供管（4）上，多个燃料喷管（6）沿着所述燃烧室（5）内壁做环形分布根据流体力学的科恩达效应，实现对喷气气流的带动、放大作用。