CN107559103A - 一种双转子冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双转子冲压发动机，其包括：主轴、双空心筒风轮、转盘体、机匣以及转盘盖，机匣与双空心筒风轮密封活动配合组成圆筒型结构的吸气道，转盘体上设有风轮腔，风轮腔内装配有双空心筒风轮，转盘体上有至少两组气流道，气流道包括冲压腔和拉瓦尔管道，转盘盖适配密封转盘体，转盘盖上设置有火焰喷射装置。其有益效果是：通过风轮腔内第一次不完全燃烧，使气流达到超音速状态，实现冲压过程，并且利用调节转盘体与风轮在工作过程中的旋转方向，实现双转子对流，发动机整机零件少、结构简单，通过两次燃烧使燃料燃烧更充分，热效率高、污染小，解决了现有发动机的不足，可有效替代现有的发动机。

Description

一种双转子冲压发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是指一种双转子冲压发动机。

背景技术

冲压发动机主要是利用高速气流进入发动机后减速，使空气增压的一种发动机，冲压发动机结构简单成本低、体积小重量轻、热效率高、推重比大，是目前功率密度和性价比最优的发动机，但是它的缺点是高速气流需要达到超音速条件才可以正常工作，因此这种发动机目前只能用在特定的航天领域。

目前民用的各个领域的内燃机，热效率低，不完全燃烧造成的废气污染严重，并且大部分发动机结构复杂、体积重量大，特别是在大功率的发动机上问题更加明显。

发明内容

本发明就是为解决现有技术中存在的问题，提出一种结构简单、尺寸小重量轻、热效率高、功率大的双转子冲压发动机。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双转子冲压发动机，包括主轴、双空心筒风轮、转盘体、机匣以及转盘盖；

所述双空心筒风轮包括内空心筒、外空心筒、支架以及叶片，所述叶片均匀分布在所述外空心筒的外壁上，所述内空心筒与所述外空心筒通过所述支架固定连接，在所述相邻两叶片之间的所述外空心筒上设有进气孔，所述双空心筒风轮一体成型;

所述转盘体中间为风轮腔，所述风轮腔用来装配所述双空心筒风轮，在所述转盘体上有至少两组气流道，所述气流道包括冲压腔和拉瓦尔管道；所述冲压腔的始端与所述风轮腔连通，末端与所述拉瓦尔管道连通，所述冲压腔的腔体由始端到末端逐渐缩小；所述拉瓦尔管道前半部分为燃烧腔，所述燃烧腔由大变小收缩至一个窄喉，所述拉瓦尔管道后半部分为尾气腔，所述尾气腔从窄喉处由小变大向外扩张；所述拉瓦尔管道的方向与所述主轴轴向垂直；

所述机匣与所述外空心筒密封转动配合，所述机匣与所述双空心筒风轮组成圆筒型结构的吸气道，所述进气孔与所述吸气道相连通，所述吸气道内部中心装配所述主轴，所述主轴固定在轴承上，轴承内嵌于所述转盘体中心内部，所述双空心筒风轮固定在所述主轴上并与所述转盘体适配，所述吸气道末端通过轴承密封；

所述转盘盖适配密封所述转盘体，并与所述转盘体固定为一体式结构，所述转盘盖上有至少两个火焰喷射装置，所述火焰喷射装置设置在靠近所述燃烧腔的所述风轮腔内，所述火焰喷射装置向所述风轮腔内喷火。

所述转盘体上有火焰通道，所述火焰通道一端连通所述燃烧腔，另一端连通所述风轮腔中所述火焰喷射装置正对的位置区域；

所述转盘体上还设有调节机构，所述调节机构用来调节所述转盘体与所述主轴旋转的方向，并且调节所述主轴与所述转盘体之间的速度转换比例。

所述的双转子冲压发动机，所述转盘体中心有导气板，所述导气板成圆弧形并与所述转盘体一体成型，所述导气板与所述外空心筒的内壁密闭转动配合；通过导气板与进气孔的配合，导气板、叶片以及风轮腔壁形成一个密闭压气空间，燃气混合物在压气空间内被火焰喷射装置点燃，爆燃气体巨大的内能将双空心筒风轮加速至超音速状态。

所述的双转子冲压发动机，所述转盘盖上设置有单向的空气进气道，所述空气进气道的进气口与外界连通，出气口与所述冲压腔相连通，所述空气进气道的进气口处有空气引流板；外界气体从空气进气道进入冲压腔，为燃烧腔中的第二次燃烧提供充足的氧气。

所述的双转子冲压发动机，所述机匣上设置喷嘴，所述喷嘴与燃料供给系统相连，所述喷嘴向所述吸气道喷射燃料。

所述的双转子冲压发动机，所述吸气道内有至少两个轴流式风轮，所述轴流式风轮固定在所述主轴上；轴流式风轮为发动机提供空气源。

所述的双转子冲压发动机，所述主轴采用分体结构，在相邻两所述轴流式风轮之间设有转换机构，所述转换机构可以调节分体轴之间的速度转换比例和方向；通过调节分体转换机构，控制进气流的速度与气流量。

所述叶片和所述支架成螺旋状，向有利于所述双空心筒风轮转动的方向螺旋。

所述的双转子冲压发动机，所述气流道为冲压腔，所述冲压腔始端与所述风轮腔相连通，所述冲压腔的腔体逐渐缩小，所述冲压腔末端与所述拉瓦尔管道连通，所述拉瓦尔管道设置在所述转盘体外，并且所述拉瓦尔管道方向与所述主轴轴向平行；将拉瓦尔管道方向设置与主轴轴向平行，发动机将产生巨大的向后的推力，此时本发明将作为风扇喷气式发动机推动载体高速运动。

所述的双转子冲压发动机，所述机匣口处设置有缩口控制结构，所述缩口控制结构用来控制进气量。

本发明的有益效果是：通过风轮腔内第一次不完全燃烧，使气流达到超音速状态，实现冲压过程，并且利用调节转盘体与风轮在工作过程中的旋转方向，实现双转子对流，将冲压燃烧过程控制在最高效率；本发明发动机整机零件少、结构简单，通过两次燃烧使燃料燃烧更充分，热效率高、污染小，解决了现有发动机的不足，可有效替代现有活塞式发动机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为双空心筒风轮结构示意图；

图2为双转子冲压发动机原理图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为本发明的喷气式结构示意图。

图中:1是机匣；2是主轴；3是轴流式风轮；4是喷嘴；5是燃料供给系统；6是转盘体；7是转盘盖；8是调节机构；9是吸气道；10是动力输出轮；11是双空心筒风轮；12是冲压腔；13是燃烧腔；14是尾气腔；15是导气板；16是内空心筒；17是外空心筒；18是进气孔；19是风轮腔；20是支架；21是火焰喷射装置；22是火焰通道；23是空气进气道；24是空气引流板；25是缩口控制结构；26是风扇。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图4所示，本发明中提出的双转子冲压发动机主要包括主轴2、双空心筒风轮11、转盘体6、机匣1以及转盘盖7，主轴2作为动力输出轴将发动机的内能转化为机械能输出，以及作为发动机启动的动力轴。

双空心筒风轮11包括内空心筒16、外空心筒17、支架20以及叶片，叶片均匀分布在外空心筒壁上，如图3所示，外空心筒17长度大于内空心筒16，内空心筒16通过梯形支架20固定在外空心筒17内上半部分，相邻两叶片之间的外空心筒17上设有进气孔18，进气孔18为通孔，并且设置在外空心筒17下半部分。双空心筒风轮11为一体式结构，与主轴2通过键连接固定；优选的，设置叶片和支架20为螺旋结构，向有利于风轮旋转的方向螺旋。

如图2、图3所示，转盘体6上设有风轮腔19，风轮腔19用来装配大小适配的双空心筒风轮11，转盘体6中心通过密封轴承与主轴2活动配合；转盘体6中心设置有两个圆弧形状的导气板15，导气板15与外空心筒17上的进气孔18配合，风轮转动过程中在导气板15、叶片、转盘盖7和风轮腔壁之间形成一个完全密闭的压气空间。上述导气板15为本申请结构的优选方式，具体实施中，可以有多种替代方案，例如在进气孔18处设置单向止回阀替代导气板15，但是单向阀在长期处于高压环境下易损坏，维护成本更高，由此本领域技术人员对此结构作出的修改、替换、改进均应落入本申请的保护范围。

如图2所示，转盘体6上有供气体流通的气流道，气流道至少为两条并且中心对称，气流道为高速气体的冲压做功过程，气流道包括冲压腔12以及拉瓦尔管道结构，冲压腔12是向双空心筒风轮11上叶片旋转方向开设的气流道，始端与风轮腔19连通，冲压腔12的腔体由始端到末端逐渐曲线缩小，并且在末端直线缩小，末端与拉瓦尔管道前半部分相通；拉瓦尔管道的前半部分为燃烧腔13，燃烧腔13的腔体由大变小收缩至一个窄喉，拉瓦尔管道后半部分为尾气腔14，尾气腔14从窄喉处由小变大向外扩张。

拉瓦尔管道的原理是：爆燃气体在经过喷管前半部分时，燃气运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，因此气流不断加速；当到达窄喉时，流速已经超过了音速，而跨音速的流体在运动时却不再遵循“截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快，因此燃气流的速度被进一步加速，达到相当于音速的7-8倍，这样就产生了巨大的推力，进而带动主轴2做功。

在本发明中，高速燃气混合气体进入冲压腔12减速加压后，进入燃烧腔13爆燃，爆燃气体通过拉瓦尔管道后产生巨大推力，带动发动机做功，因此根据需要调整拉瓦尔管道的不同喷气方向，即可实现本申请发动机的多种用途。

转盘体6下方设置有调节机构8，调节机构8可以根据需要调节转盘体6与主轴2的旋转方向和转速转换比例。发动机工作过程中，冲压腔内进气流速介于5～8倍音速时发动机效率最高，因此具体实施中，可根据具体需要调节转盘体6与主轴2的旋转方向与转速，将冲压过程控制在最高效率。

机匣1与转盘盖7通过密封轴承转动联接，与双空心筒风轮11密封活动配合组成一个圆筒型结构的吸气道9，吸气道9末端通过轴承密封，即机匣1、内空心筒16、外空心筒17、转盘体6和进气孔18组成一个单向气流通道。

转盘盖7用来密封配合转盘体6，并与转盘体6固定成为一体式结构，转盘盖7上设置有至少两个向风轮腔19内喷火的火焰喷射装置21，火焰喷射装置21设置在上述导气板15、叶片、转盘盖7和风轮腔壁之间形成的压气空间部分，火焰喷射装置21是为在密闭空间内为混合气体进行第一次点火，不完全燃烧产生的内能推动风轮加速，根据第一次燃烧程度的不同，可带动进入冲压腔气流达到亚声速~10倍音速之间。

转盘盖7上还设置有空气进气道23，空气进气道23设置在转盘盖7对应冲压腔12的位置，空气进气道23的进气口与外界连通，出气口与冲压腔12相连通，进气口处有空气引流板24，出气口处设置有单向止回阀，单向阀防止冲压腔12内气体从空气进气道泄露；空气引流板24向空气进气道引入气流，并且空气进气道23的腔体走势方向与冲压腔12内气流方向保持一致，有利于外界空气与冲压腔12内气流混合；外界空气经空气进气道23进入冲压腔12中，为第二次燃烧提供氧气。

转盘体6上设置有火焰通道22，火焰通道22一端连通燃烧腔13，另一端连通上述风轮腔的火焰喷射装置正对的压气空间部分，火焰通道22将火焰引入燃烧腔13，为燃烧腔13内点火。

机匣1上设有喷嘴4和燃料供给系统5，喷嘴4设置在机匣1的末端，机匣末端内气体压强大，燃气混合将更快更均匀；燃料通过喷嘴4进入吸气道9与高速气流混合成燃气混合物，根据需要调节喷嘴4向吸气道9喷入的燃料量。

吸气道9进气口部分设置有至少两个轴流式风轮3，轴流式风轮3固定在主轴2上，为发动机提供空气源；并且主轴2采用分体结构，即在相邻轴流式风轮之间设有分体转换机构，转换机构可以调节分体轴之间的速度转换比例和方向，进而控制进气气流的压缩比。

如图4所示，拉瓦尔管道设置在转盘体外，并且拉瓦尔管道的喷气方向与主轴2轴向平行，爆燃气体向后产生巨大的推力，此时本发明发动机可作为风扇喷气式发动机推动载体高速运动。优选的，设计机匣1口径逐渐缩小，有利于气流的压缩；当空气进气流量大时，燃气混合气体中氧气含量高，风轮腔19内燃烧程度剧烈，双空心筒风轮11转动速度快，当空气进气流量小时，燃气混合气体中氧气含量低，风轮腔19内燃烧程度小，双空心筒风轮11转动速度慢。为了控制进入冲压腔12的气体流速，在机匣1口设置缩口控制结构25，用来控制进气流量，进而控制气流量。

优选的，根据具体需要，主轴2可设置为分体轴，双空心筒风轮11驱动的轴和转盘体6驱动的轴互相独立输出。

优选的，转盘体6、转盘盖7、双空心筒风轮11相互适配的装配在一起，为了缓冲双空心风轮11边缘的气流压强，设置双空心筒风轮11的半径略小于风轮腔19的半径。

优选的，上述的所有气体流通道路都根据空气动力学设计，有利于气流的流通。

优选的，火焰通道22连通燃烧腔13和风轮腔19就近选择，缩短火焰传输距离。

优选的，为保证发动机正常工作，转盘体6、双空心筒风轮11以及转盘盖7都采用超耐高温高压材料，根据具体需要，还可以在燃烧腔13和双空心筒风轮11内开设有气孔采用气膜降温。

本发明的双转子冲压发动机工作过程是这样实现的：

辅助动力系统驱动动力输出轮10转动，根据需要调节喷嘴4向吸气道9喷射燃料，根据需要调节轴流式风轮3之间的转换机构控制空气压缩比，空气气流通过轴流式风轮3进入吸气道9，并通过喷嘴4喷射的燃料形成燃气混合物，燃气经过吸气道9从进气孔18进入叶片之间的风轮腔内，由于导气板15、叶片、转盘盖7和风轮腔壁之间形成一个完全密闭的压气空间，高速气体旋转至压气空间时，被设置在压气空间的火焰喷射装置21点燃爆炸，产生巨大内能推动双空心筒风轮11加速至亚音速~10倍音速之间，同时带动转盘体6转动，且通过控制进气流来控制压气空间中氧含量，使燃气进行第一次不同程度的燃烧，进而控制双空心筒风轮11转速；同时也可根据具体需要，调节转盘体6与双空心筒风轮11的旋转方向，当转盘体6与双空心筒风轮11旋转方向相反时，两者形成对流转子，加速进入冲压腔12的气流；当第一次燃烧过于剧烈时，可调节转盘体6与双空心筒风轮11旋转方向相同，防止发动机过载。

经压气空间内第一次燃烧的高温高压气体和部分未燃烧的高速燃气，通过风轮腔19边缘混合进入冲压腔12，同时由于转盘体6的转动，空气经过空气进气道23进入冲压腔与未充分燃烧的气体混合，根据需要控制调节机构8，调节转盘体6和双空心筒风轮11旋转方向和转速转换比例，冲压腔12内的混合气体受到转盘体6和双空心筒风轮11共同冲压，混合气体减速加压进入燃烧腔13，这时混合气体被通过火焰通道22进入燃烧腔的火焰再次点燃爆炸，爆燃气体通过拉瓦尔管道产生巨大推力，带动主轴转动做功。

如图4所示的风扇喷气式双转子冲压发动机，辅助动力系统驱动动力输出轮10转动，根据需要调节喷嘴4向吸气道9喷射燃料，根据需要调节轴流式风轮3之间的转换机构和缩口控制结构25来控制进气量，燃气进入风轮腔19内第一次爆燃加速，高速气流进入冲压腔12与外界空气混合，经冲压腔12减速加压后进入拉瓦尔管道第二次燃烧，爆燃气体向后产生巨大的推力，推动载体高速运动；该发动机不仅适用于替代民用发动机，还解决了航天冲压式发动机必须先由辅助动力推动至音速才能正常工作的问题，可实现从静止状态自主提速，对于航空领域更加适用。

如上所述，通过改变拉瓦尔管道的结构设计，可以实现本发明的多种用途，可有效替代民用发动机，同时也可拓展为一系列航空领域发动机，如喷气式发动机、风扇喷气发动机等，需要知道的是，本领域技术人员在没有经过创造性劳动的前提下对本发明所作出的任何修改、替换、改进都应落入本发明的保护范围。

本发明的双转子冲压发动机利用风轮腔内第一次不完全燃烧，使气流达到超音速状态，实现冲压过程，并且利用调节转盘体与风轮在工作过程中的旋转方向，实现双转子对流，克服了冲压发动机只能用在高速运动的机体上的难题，并且两次燃烧使燃料燃烧更加充分，发动机热效率更高。

本发明的双转子冲压发动机不仅结构简单，还减少了多级压气机带来的各级旋转频率问题，更明显的优点是可以根据需要调整拉瓦尔管道的不同喷气方向，实现多种用途；同时燃料燃烧充分、热效率高、简单环保，还可以有效代替民用普通的汽车、电力、轮船等发动机，是发动机领域一大进步。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (9)

1.一种双转子冲压发动机，包括主轴、双空心筒风轮、转盘体、机匣以及转盘盖，其特征在于：

所述双空心筒风轮包括内空心筒、外空心筒、支架以及叶片，所述叶片均匀分布在所述外空心筒的外壁上，所述内空心筒与所述外空心筒通过所述支架固定连接，在相邻两所述叶片之间的所述外空心筒上设有进气孔，所述双空心筒风轮一体成型;

所述转盘体中间为风轮腔，所述风轮腔用来装配所述双空心筒风轮，在所述转盘体上有至少两组气流道，所述气流道包括冲压腔和拉瓦尔管道；所述冲压腔的始端与所述风轮腔连通，末端与所述拉瓦尔管道连通，所述冲压腔的腔体由始端到末端逐渐缩小；所述拉瓦尔管道前半部分为燃烧腔，所述燃烧腔由大变小收缩至一个窄喉，所述拉瓦尔管道后半部分为尾气腔，所述尾气腔从窄喉处由小变大向外扩张；所述拉瓦尔管道的方向与所述主轴轴向垂直；

所述机匣与所述外空心筒密封转动配合，所述机匣与所述双空心筒风轮组成圆筒型结构的吸气道，所述进气孔与所述吸气道相连通，所述吸气道内部中心装配所述主轴，所述主轴固定在轴承上，轴承内嵌于所述转盘体中心内部，所述双空心筒风轮固定在所述主轴上并与所述转盘体适配，所述吸气道末端通过轴承密封；

所述转盘盖适配密封所述转盘体，并与所述转盘体固定为一体式结构，所述转盘盖上有至少两个火焰喷射装置，所述火焰喷射装置设置在靠近所述燃烧腔的所述风轮腔内，所述火焰喷射装置向所述风轮腔内喷火；

所述转盘体上有火焰通道，所述火焰通道一端连通所述燃烧腔，另一端连通所述风轮腔中所述火焰喷射装置正对的位置区域；

所述转盘体上还设有调节机构，所述调节机构用来调节所述转盘体与所述主轴旋转的方向，并且调节所述主轴与所述转盘体之间的速度转换比例。

2.根据权利要求1所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述转盘体中心有导气板，所述导气板成圆弧形并与所述转盘体一体成型，所述导气板与所述外空心筒的内壁密闭转动配合。

3.根据权利要求1所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述转盘盖上设置有单向的空气进气道，所述空气进气道的进气口与外界连通，出气口与所述冲压腔相连通，所述空气进气道的进气口处有空气引流板。

4.根据权利要求1所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述机匣上设置喷嘴，所述喷嘴与燃料供给系统相连，所述喷嘴向所述吸气道喷射燃料。

5.根据权利要求1所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述吸气道内有至少两个轴流式风轮，所述轴流式风轮固定在所述主轴上。

6.根据权利要求5所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述主轴采用分体结构，在相邻两所述轴流式风轮之间设有转换机构，所述转换机构可以调节分体轴之间的速度转换比例和方向。

7.根据权利要求1所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述叶片和所述支架成螺旋状。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述气流道为冲压腔，所述冲压腔始端与所述风轮腔相连通，所述冲压腔的腔体逐渐缩小，所述冲压腔末端与所述拉瓦尔管道连通，所述拉瓦尔管道设置在所述转盘体外，并且所述拉瓦尔管道方向与所述主轴轴向平行。

9.根据权利要求8所述的双转子冲压发动机，其特征在于：所述机匣口处设置有缩口控制结构，所述缩口控制结构用来控制进气量。