CN105257428B - 一种分布式压缩、旋流冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式压缩、旋流冲压发动机，目的在于解决现有的冲压发动机不能自身起动，需要助推器加速到一定速度才能工作，且对飞行状态的改变较敏感，而其与涡喷发动机或涡扇发动机组合作为航空发动机使用时，又丧失了冲压发动机结构简单等优点的问题。该发动机包括涡轮机系统、机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器等。本发明采用换热气体加热、冷却循环推动涡轮，并充分利用冲压气流的能量，有效提高了发动机的循环效率，降低了成本，利用旋流冲压，解决了现有冲压发动机不能低速启动和适应各种工况的问题。本发明构思巧妙，设计合理，可实现发动机的静态启动，并能适应各种工况，具有较好的应用前景。

Description

一种分布式压缩、旋流冲压发动机

技术领域

本发明涉及航空领域，尤其是航空发动机领域，具体为一种分布式压缩、旋流冲压发动机。

背景技术

现代航空发动机伴随着发展和应用，已经走过了百年的辉煌历程。半个多世纪以来，航空涡轮发动机技术不断进步，性能水平获得了巨大提高。其中，世界在役军用发动机的推重比已从2提高到7-9，总增压比提高到25-45，不加力耗油率已从1．0～1.2kg／(daN•h)下降到0.6～0.7kg／(daN•h)。在研军用发动机的推重比达9～11，已投入使用；民用高涵道比涡扇发动机的最大推力已超过57000daN，巡航耗油率已从20世纪50年代涡喷发动机的1.0 kg／(daN•h)下降到0.55 kg／(daN•h)，噪声下降20dB，NO_X下降45％：研制中的齿轮传动涡扇发动机的涵道比已达11，油耗可再降9％。在航空涡轮发动机性能提高的同时，其可靠性、耐久性、环保性、适用性和经济性也有很大改善。新一代航空发动机更富创新性，更具竞争力。

以F119、EJ200为标志的第4代航空发动机和未来新一代航空发动机的性能几乎已经达到相当完美的程度，要想进一步提高航空燃气轮机的性能，就必须提高压比和涡轮前温度，但提高是有限度的。围绕着压比、涡轮前温度这二个指标的研发方向，会使航空发动机越来越复杂，过度复杂就会走向反面，走向死亡。因此，必须掌握21世纪航空动力最前沿的关键技术，探索新原理、新技术，才能研发更高性能的新型发动机。

航空燃气涡轮发动机研发技术难度大，周期长，费用高。一台燃气涡轮发动机包括数以万计的零件，其中更有复杂的转子系统，其工作条件恶劣，因此对材料和加工要求苛刻。

冲压发动机具有构造简单、成本低、重量轻、推重比大、速度快、效率高、故障少、寿命长等诸多优点，但其无法在地面静止状态下启动，需用其他发动机作为助推器，待其达到一定的飞行速度后才能有效工作，因此，冲压发动机无法单独作为普通飞机的动力装置，应用范围受到极大限制，现仅用于导弹和靶机上。同时，冲压发动机对飞行状态的改变较敏感，当在宽马赫数范围内飞行时，要对进气道进行调节，这样使得进气道结构复杂。同时，由于冲压发动机燃烧室温度高，难以设计，现有材料寿命很难达到其使用要求，若希望通过增加涡轮前温度以提高其性能，难度较大。

冲压发动机虽然可与涡喷发动机或涡扇发动机组合，以作为航空发动机使用，但与冲压发动机配合的发动机仅在飞机起飞、降落和低速飞行时工作，这种组合式动力装置丧失了冲压发动机的大部分优点。

因此，迫切需要一种新的冲压发动机，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的冲压发动机不能自身起动，需要助推器加速到一定速度才能工作，且对飞行状态的改变较敏感，而其与涡喷发动机或涡扇发动机组合作为航空发动机使用时，又丧失了冲压发动机大部分优点的问题，提供一种分布式压缩、旋流冲压发动机。本发明采用换热气体加热、冷却循环推动涡轮，并充分利用冲压气流的能量，有效提高了发动机的循环效率，降低了成本，利用旋流冲压，解决了现有冲压发动机不能低速启动和适应各种工况的问题。本发明构思巧妙，设计合理，可实现发动机的静态启动，并能适应各种工况，具有较好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分布式压缩、旋流冲压发动机，包括涡轮机系统、机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、蓄能器、电动压缩泵、用于带动电动压缩泵工作的电动机、燃烧室、设置在燃烧室内的燃油喷嘴、与燃烧室相连的尾喷管，所述涡轮机系统为若干个，所述涡轮机系统包括离心压气机、涡轮，所述离心压气机与涡轮同轴相连；

所述旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器依次设置在机匣内，所述燃烧室设置在机匣的尾端；

所述离心压气机与机匣内的旋流发生器相连，经离心压气机进气口进入的空气能进入旋流发生器中，旋流发生器分离后的气体能依次经导向叶片、冲压椎体外部进入燃烧室中；

所述中温换热器、高温换热器、蓄能器、涡轮、冲压椎体、低温换热器、电动压缩泵通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。

所述涡轮机系统为至少一个。

所述涡轮机系统为一至十个。

还包括设置在蓄能器与涡轮之间管道上的气体流量阀。

所述换热气体循环回路中的换热气体为氦气。

所述涡轮机系统还包括与涡轮相匹配的发电机。

所述离心压气机与旋流发生器相连的管道的轴线与机匣的轴线垂直。

所述旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管分别设置在机匣的轴线上。

所述旋流发生器分离后的气体经低温换热器换热后，再流经导向叶片，然后被冲压椎体压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室燃烧，尾气从尾喷管喷出。

所述电动压缩泵能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器、高温换热器加热，再经蓄能器后，推动涡轮转动，然后换热气体再进入低温换热器中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩泵后，返回中温换热器、高温换热器换热，不断循环，推动涡轮工作。

针对前述问题，本发明提供分布式压缩、旋流冲压发动机，该发动机包括涡轮机系统、机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、蓄能器、电动压缩泵、用于带动电动压缩泵工作的电动机、燃烧室、设置在燃烧室内的燃油喷嘴、与燃烧室相连的尾喷管，机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管构成发动机的机身，涡轮机系统为若干个。

其中，涡轮机系统包括离心压气机、涡轮，离心压气机与涡轮同轴相连。旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器依次设置在机匣内，高温换热器设置在燃烧室内且高温换热器与中温换热器相连，燃烧室设置在机匣的尾端，尾喷管与燃烧室相连。

离心压气机与机匣内的旋流发生器相连，经离心压气机进气口进入的空气能进入旋流发生器中，旋流发生器分离后的气体能依次经导向叶片、冲压椎体外部进入燃烧室中。

中温换热器、高温换热器、蓄能器、涡轮、冲压椎体、低温换热器、电动压缩泵通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。

本发明中，旋流发生器分离后的气体经低温换热器环流后，再流经导向叶片，然后被冲压椎体压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室燃烧，尾气从尾喷管喷出。电动压缩泵能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器、高温换热器加热，再经蓄能器后，推动涡轮转动，然后换热气体再进入低温换热器中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩泵后，返回中温换热器、高温换热器换热，不断循环，推动涡轮工作。

本发明工作时，空气经涡轮机系统的进气口吸入，进入旋流发生器，产生冷热气流分离现象，同时产生超声速旋流，再依次流经导向叶片、冲压椎体，并对冲压椎体压缩，形成高压空气，高压空气再通入燃烧室，喷入燃油后燃烧，燃烧产生的尾气从尾喷管喷出，从而产生推力。在此过程中，涡轮机系统的涡轮由换热气体循环回路的氦气来推动。换热气体首先在中温换热器和高温换热器中被加热，推动涡轮转动后，进入低温换热器被冷却，之后又回到中温换热器和高温换热器中再次被加热，如此不断循环工作来推动涡轮旋转，从而带动离心压气机工作。本发明利用旋流的冷气流和冲压后的高温气流来冷却、加热换热气体推动涡轮。

在发动机启动时，电动机带动电动压缩泵驱动换热气体循环回路内的换热气体循环流动，从而启动涡轮机系统的离心压气机吸入空气，在燃烧室中完成点火后，通过换热器来供给换热气体所需的能量，电动压缩泵用来压缩冷却换热气体，这时打开所有小型涡轮机系统，供给机身足够的空气流量，当空气旋流达到超音速时，发动机启动完成。

本发明中，蓄能器设置在涡轮的进口（中温换热器和高温换热器的出口）处，电动压缩泵设置在低温换热器的出口（中温换热器和高温换热器的进口）处。

进一步，涡轮机系统还包括与涡轮相匹配的发电机。涡轮机系统为至少一个，作为优选，涡轮机系统为一至十个。还包括设置在蓄能器与涡轮之间管道上的气体流量阀，换热气体循环回路中的换热气体为氦气。离心压气机与旋流发生器相连的管道的轴线与机匣的轴线垂直，旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管分别设置在机匣的轴线上。

综上，本发明应用分布式压缩，有效避免了复杂的旋转部件，能降低加工成本，同时，本发明应用激波压缩原理增大压缩比，采用氦气加热、冷却循环推动涡轮机，不但充分利用了冲压气流的能量，提高了发动机循环效率，而且降低了燃烧室的温度，增加了燃烧室的寿命。采用本发明，能够实现低速启动，并能适应各种工况。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）本发明中，涡轮机系统包括一级的离心压气机和单级的燃气涡轮，离心压气机和燃气涡轮设置在蜗壳结构内，多个涡轮机系统通过管道连接，同时与机身交换工质，进行热力循环做功，本发明应用分布式压缩，有效避免了复杂的旋转部件，降低了加工成本；

2）本发明的布式压缩、旋流冲压发动机没有采用复杂的转子系统，通过旋流冲压的方式达到了较高的压缩比，高压空气有助于燃烧室内燃油的充分燃烧，通过应用激波压缩原理，有效增大了压缩比；

3）本发明采用换热气体加热、冷却循环推动涡轮，充分利用了冲压气流的能量，提高了发动机循环效率，本发明中，冲压椎体后的气流温度可达1000K，本发明在其后面设置热交换器，将能量传递给换热气体，使换热气体推动涡轮做功，同时降低燃烧室前的温度，也就间接降低了燃烧室的温度；

4）本发明利用旋流冲压，使发动机可实现静态启动，并能适应各种工况，具有较好的应用前景；

5）本发明设计合理，构思巧妙，具有较好的应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1中分布式压缩、旋流冲压发动机的整体结构示意图；

图2为本发明的工作原理图。

图中：1为机匣，2为旋流发生器，3为低温换热器，4为导向叶片，5为冲压椎体，6为中温换热器，7为高温换热器，8为蓄能器，9为电动压缩泵，10为电动机，11为燃烧室，12为燃油喷嘴，13为尾喷管，14为离心压气机，15为涡轮，16为气体流量阀，17为发电机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的分布式压缩、旋流冲压发动机包括涡轮机系统、机匣1、旋流发生器2、低温换热器3、导向叶片4、冲压椎体5、中温换热器6、高温换热器7、蓄能器8、电动压缩泵9、用于带动电动压缩泵9工作的电动机10、燃烧室11、设置在燃烧室11内的燃油喷嘴12、与燃烧室11相连的尾喷管13、设置在蓄能器8与涡轮15之间管道上的气体流量阀16。

其中，涡轮机系统为若干个，涡轮机系统包括离心压气机14、涡轮15、与涡轮15相匹配的发电机17，离心压气机14与涡轮15同轴相连。旋流发生器2、低温换热器3、导向叶片4、冲压椎体5、中温换热器6依次设置在机匣1内，燃烧室11设置在机匣1的尾端。

离心压气机14与机匣1内的旋流发生器2相连，经离心压气机14进气口进入的空气能进入旋流发生器2中，旋流发生器2分离后的气体能依次经导向叶片4、冲压椎体5外部进入燃烧室11中。

中温换热器6、高温换热器7、蓄能器8、涡轮15、冲压椎体5、低温换热器3、电动压缩泵9通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。本实施例中，换热气体循环回路的换热气体采用氦气。

本实施例中，离心压气机14与旋流发生器2相连的管道的轴线与机匣1的轴线垂直。旋流发生器2、低温换热器3、导向叶片4、冲压椎体5、中温换热器6、高温换热器7、燃烧室11、尾喷管13分别设置在机匣1的轴线上。

发动机工作时，空气由各个小型涡轮机系统的进口吸入，进入旋流发生器2，产生冷热气流分离现象，同时产生超声速旋流，流经导向叶片4和冲压椎体5后被压缩，高压空气再通过燃烧室11，喷入燃油后燃烧，从尾喷管13喷出，从而产生推力。在此过程中，小型涡轮机系统的涡轮15是由氦气的循环来推动的。氦气首先在中温换热器6和高温换热器7中被加热，推动涡轮15转动后，进入低温换热器3被冷却，之后又回到中温换热器6和高温换热器7中再次被加热，如此不断循环工作，来推动涡轮15旋转，从而带动离心压气机14工作。

发动机启动时，电动压缩泵9将由电动机10驱动首先工作，以推动氦气的循环流动，从而启动部分小型涡轮机系统吸入空气，在燃烧室11中完成点火后，通过高温换热器7来供给氦气所需的能量，电动压缩泵9用来压缩冷却氦气，这时打开所有小型涡轮机系统，供给主机身足够的空气流量，当空气旋流达到超音速时，发动机启动完成。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (12)

1.一种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，包括涡轮机系统、机匣（1）、旋流发生器（2）、低温换热器（3）、导向叶片（4）、冲压椎体（5）、中温换热器（6）、高温换热器（7）、蓄能器（8）、电动压缩泵（9）、用于带动电动压缩泵（9）工作的电动机（10）、燃烧室（11）、设置在燃烧室（11）内的燃油喷嘴（12）、与燃烧室（11）相连的尾喷管（13），所述涡轮机系统为若干个，所述涡轮机系统包括离心压气机（14）、涡轮（15），所述离心压气机（14）与涡轮（15）同轴相连；

所述旋流发生器（2）、低温换热器（3）、导向叶片（4）、冲压椎体（5）、中温换热器（6）依次设置在机匣（1）内，所述燃烧室（11）设置在机匣（1）的尾端；

所述离心压气机（14）与机匣（1）内的旋流发生器（2）相连，经离心压气机（14）进气口进入的空气能进入旋流发生器（2）中，旋流发生器（2）分离后的气体能依次经导向叶片（4）、冲压椎体（5）外部进入燃烧室（11）中；

所述中温换热器（6）、高温换热器（7）、蓄能器（8）、涡轮（15）、冲压椎体（5）、低温换热器（3）、电动压缩泵（9）通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。

2.根据权利要求1所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述涡轮机系统为至少一个。

3.根据权利要求2所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述涡轮机系统为一至十个。

4.根据权利要求1所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，还包括设置在蓄能器（8）与涡轮（15）之间管道上的气体流量阀（16）。

5.根据权利要求1所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述换热气体循环回路中的换热气体为氦气。

6.根据权利要求1~5任一项所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述涡轮机系统还包括与涡轮（15）相匹配的发电机（17）。

7.根据权利要求1所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述离心压气机（14）与旋流发生器（2）相连的管道的轴线与机匣（1）的轴线垂直。

8.根据权利要求1所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述旋流发生器（2）、低温换热器（3）、导向叶片（4）、冲压椎体（5）、中温换热器（6）、高温换热器（7）、燃烧室（11）、尾喷管（13）分别设置在机匣（1）的轴线上。

9.根据权利要求1~5、7、8任一项所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述旋流发生器（2）分离后的气体经低温换热器（3）换热后，再流经导向叶片（4），然后被冲压椎体（5）压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室（11）燃烧，尾气从尾喷管（13）喷出。

10.根据权利要求6所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述旋流发生器（2）分离后的气体经低温换热器（3）换热后，再流经导向叶片（4），然后被冲压椎体（5）压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室（11）燃烧，尾气从尾喷管（13）喷出。

11.根据权利要求1~5、7、8、10任一项所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述电动压缩泵（9）能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器（6）、高温换热器（7）加热，再经蓄能器（8）后，推动涡轮（15）转动，然后换热气体再进入低温换热器（3）中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩泵（9）后，返回中温换热器（6）、高温换热器（7）换热，不断循环，推动涡轮（15）工作。

12.根据权利要求9所述种分布式压缩、旋流冲压发动机，其特征在于，所述电动压缩泵（9）能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器（6）、高温换热器（7）加热，再经蓄能器（8）后，推动涡轮（15）转动，然后换热气体再进入低温换热器（3）中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩泵（9）后，返回中温换热器（6）、高温换热器（7）换热，不断循环，推动涡轮（15）工作。