CN108317012B - 一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，包括射流单元，所述射流单元包括外直管伸缩件、内直管伸缩件，内直管伸缩件位于外直管伸缩件里并同轴设置，外直管伸缩件和内直管伸缩件均为可伸缩的两节或两节以上的结构，外直管伸缩件壁上设置进气孔，内直管伸缩件壁上设置射流孔，内置管伸缩件中部沿其轴向通有预冷介质；每两个射流单元组成一组射流机构，射流机构设置在进气道里并位于压气机前方，每组射流机构的两个射流单元沿进气道的周向布置。本发明避免了预冷介质射流对主气流直接接触产生非定常的强烈干扰作用，也避免在进行冷却介质射流时出现射流孔堵塞的情况，具有更好的工况适用性。

Description

一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置

技术领域

本发明涉及的是一种航空发动机装置，具体地说是航空发动机进气装置。

背景技术

面对21世纪的战略需求，高超音速飞行技术因其潜在的巨大的战略、战术及经济价值正处于一个大发展时期，对于发动机在高马赫数飞行的需求逐渐突显出来。航空涡轮发动机在低马赫数的飞行条件下可认为是理想的飞行器动力，它可以使用碳氢化合物燃料，具有比冲高、技术成熟、可靠性高的优势。以航空涡轮发动机为基础动力，配合进气预冷技术开展高马赫数飞行的研究是一种非常可行的方式。

随着航程和飞行速度的提高，航空发动机面临着更为苛刻的服役环境。在飞行过程中，具有不同速度梯度的各气流层由于空气粘性的作用，产生了强烈的摩擦，从而气流的动能不可逆地转化为热能。由气体动力学可知，在马赫数5到6的高空飞行条件时，发动机的进气温度范围已达1300K到1700K。然而用于制造机体主要结构的铝合金的极限温度大约为530K,钛合金的极限温度也只有900K左右。高温气流对于飞行器的加热程度随飞行速度的增加而增大，高温很可能导致飞行器形状改变、结构强度和刚度下降，从而影响飞行器的正常飞行。同时，温度的升高也使气流空气密度减小，进而大大减少了可以进入发动机的空气量，同时与质量流量成正比的推力也将明显下降。研究表明，采用进气预冷技术能够明显改善发动机各部件工作条件，缓解发动机高温防护的问题，使得飞机发动机在高速飞行条件下的使用和部件寿命得以保证，同时也能有效地扩展发动机的高马赫飞行范围，增大发动机推力。

发明内容

本发明的目的在于提供可以满足安装在发动机压气机前射流预冷的技术要求，能够降低压气机前的高温来流，改善高马赫数飞行时发动机性能的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，压气机设置在进气道里，其特征是：包括射流单元，所述射流单元包括外直管伸缩件、内直管伸缩件，内直管伸缩件位于外直管伸缩件里并同轴设置，外直管伸缩件和内直管伸缩件均为可伸缩的两节或两节以上的结构，外直管伸缩件壁上设置进气孔，内直管伸缩件壁上设置射流孔，内置管伸缩件中部沿其轴向通有预冷介质；每两个射流单元组成一组射流机构，射流机构设置在进气道里并位于压气机前方，每组射流机构的两个射流单元沿进气道的周向布置，两个射流单元工作时，其外直管伸缩件、内直管伸缩件向进气道的中心伸展连接成一字形。

本发明还可以包括；

1、外直管伸缩件为筒状结构，内直管伸缩件为圆周带外凸台的直管段结构，内直管伸缩件壁上的射流孔布置在外凸台上。

2、射流单元不投入使用时，外直管伸缩件、内直管伸缩件各自的伸缩部分可完全伸缩至其各自的定长部分里。

3、预冷介质为水、液氧或者二者的混合物。

4、预冷介质的射流量和射流速度通过预冷介质的压力进行调节。

本发明的优势在于：

(1)本发明通过射流预冷装置安装在航空发动机压气机前的适当位置，射流装置可发挥进气预冷作用，同时预冷介质中液氧可以补充航空发动机燃烧所用的氧气，比现有技术更为有效改善发动机性能。

(2)本发明所需的射流装置采用均等两段直管状伸缩件组成，内部结构简单，易于实现。当压气机前气流温度正常时，射流装置两段伸缩件缩回成小管段并放置于内壁面内侧，从而不影响主流流动。

(3)本发明所需射流孔安装在射流装置内直管伸缩件，通过高速气流与预冷介质射流间接接触，从而避免了预冷介质射流对主气流直接接触产生非定常的强烈干扰作用，也避免在进行冷却介质射流时出现射流孔堵塞的情况，具有更好的工况适用性。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图，图1b为A-A视图；

图2a为伸缩件(缩回)示意图，图2b为伸缩件(伸开)示意图，图2c为B-B视图；

图3a为外直管伸缩件壁面示意图，图3b为内置管伸缩件壁面示意图，图3c为图3b的放大图；图3d为射流孔放大图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，当航空发动机在高马赫数飞行时，由于气体粘性和相互摩擦作用，会产生高温气流4，这时高温气流4由进气道1进入压气机2内。为降低来流温度，这时射流装置3投入工作，如图1所示。这里射流装置3为竖直布置，它是由上下两段相同的伸缩节组成，每段伸缩节的节数各为两节8、9，如图2所示。高速、高温气流4进入射流装置3的外直管伸缩件壁面10、11，通过进气孔16进入射流装置3内部空间；而预冷介质14通过射流预冷装置3上固定端5向下固定端6方向流动，通过内直管伸缩件壁面12、13的射流孔15向外喷射。这时，射流装置3内气流与预冷介质14接触，降低了射流装置3内气流温度，同时这部分气流以自身具有的动能把预冷介质14携带出射流装置3外。被携带出来这部分预冷介质14与其他高温气流继续混合发生相互偶合传热作用，预冷介质14通过吸收高温气流的热量而发生蒸发作用，以达到对气流进行冷却降温。通过对内直管伸缩件壁面12、13内冷却介质14进行加压，可以调节射流量来满足压气机2前合适的工作温度。当压气机前气流符合要求时，射流装置3可以退出工作，通过其伸缩节8、9作用，伸缩成小管段放置于内壁面内侧，以使不干扰气流流动。

图3是射流装置3伸缩件8、9外直管伸缩件壁面10、11和内直管伸缩件壁面12、13的展向示意图，外直管伸缩件壁面10、11为圆筒状结构，内直管伸缩件壁面12、13为圆周带外凸台的直管段结构(如图2中B-B局部视图)。其中进气孔16均匀布置在外直管伸缩件壁面10、11上，射流孔15布置在内直管伸缩件壁面12、13的外凸台上。这种设置结构有利于高速气流4与预冷介质14射流的间接接触而不产生非定常的扰动作用；另一方面不会直接冲击射流孔16而造成其堵塞。

本发明安装在航空发动机上压气机2前的适当位置，采用两端可同时伸缩的射流装置3，主流进入进气道后与预冷介质14间接接触，避免射流对来流直接接触而产生非定常的扰动作用；射流装置3投入使用时，预冷介质14将被引入射流装置3中，利用高速进气流带走射流装置3内冷却介质，与主流高温气体混合，以达到冷却降温主流温度，其原理如图1所示。

航空发动机压气机2之前的适当位置是指进气道内靠近压气机的区间范围内，这个范围内气流速度已降低为进入压气机内正常工作范围的速度，并保证射流工质进入主气流中能够与气流充分混合及蒸发冷却。

射流装置3为均等两段直管状伸缩件10、11、12、13组成，其两段的一端分别固定在通道内壁面内，在不投入使用时射流装置3通过伸缩成小管段放置于流道壁面内侧，以便不影响气流流动。

射流装置3投入使用时两段同时向中心伸展并最终紧密连接成“一”字形贯穿分布在通道内，可以但不限于水平或垂直的“一”字形布置，以便预冷介质14沿径向均匀射流。

射流装置3采用耐高温、抗拉伸及具有良好导热属性的轻型材质，壁面厚度需满足强度要求。

预冷介质14由纯净水(冷却剂)和液氧(氧化剂)组成，实验表明这两种冷却介质混合对预冷效果和发动机性能为最佳，二者所占的份额根据压气机前水的蒸发率、航空发动机燃烧室燃烧性能稳定性来判断，调节液氧不高于航空发动机进气质量流量23％-27％的份额；同时预冷介质14的射流量、射流速度根据压气机前温度和燃烧稳定性来判断，并且保证纯净水量不能超过整个发动机内水的饱和度。

预冷介质14在射流装置3内单向流动，可设置为水平流动或沿固定端较高点向较低点流动。

伸缩件由可伸缩的内直管伸缩件和可伸缩的外直管伸缩件两部分套装组成，且两段伸缩件设置的伸缩节数可以但不限于两节。

内直管伸缩件设计为圆周带外凸台的直管段，且每个凸台壁面带有若干均匀布置较小直径的射流孔15。

外直管伸缩件设计为圆筒形直管段，且均匀布置若干较大直径的进气孔16，以便进气主流可以进入外直管伸缩件内带走预冷介质14。

预冷介质14在射流装置3投入使用时引入内直管伸缩件，预冷介质14通过射流孔15可以进入由内直管伸缩件壁面和外直管伸缩件壁面组成的空间。

射流孔15大小满足当内直管伸缩件充满预冷介质14时预冷介质14能够依靠其自身重力由射流孔15向外射流。射流量、射流速度的控制根据在内直管伸缩件内对预冷介质14加压调节来实现效果。

进气孔16大小及数量根据气体进入外直管伸缩件内携带出适当的预冷介质14量来确定。

Claims (9)

1.一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，压气机设置在进气道里，其特征是：包括射流单元，所述射流单元包括外直管伸缩件、内直管伸缩件，内直管伸缩件位于外直管伸缩件里并同轴设置，外直管伸缩件和内直管伸缩件均为可伸缩的两节或两节以上的结构，外直管伸缩件壁上设置进气孔，内直管伸缩件壁上设置射流孔，内直管伸缩件中部沿其轴向通有预冷介质；每两个射流单元组成一组射流机构，射流机构设置在进气道里并位于压气机前方，每组射流机构的两个射流单元沿进气道的周向布置，两个射流单元工作时，其外直管伸缩件、内直管伸缩件向进气道的中心伸展连接成一字形。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：外直管伸缩件为筒状结构，内直管伸缩件为圆周带外凸台的直管段结构，内直管伸缩件壁上的射流孔布置在外凸台上。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：射流单元不投入使用时，外直管伸缩件、内直管伸缩件各自的伸缩部分可完全缩至其各自的定长部分里。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质为水、液氧或者二者的混合物。

5.根据权利要求3所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质为水、液氧或者二者的混合物。

6.根据权利要求1或2所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质的射流量和射流速度通过预冷介质的压力进行调节。

7.根据权利要求3所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质的射流量和射流速度通过预冷介质的压力进行调节。

8.根据权利要求4所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质的射流量和射流速度通过预冷介质的压力进行调节。

9.根据权利要求5所述的一种适用于高马赫数发动机进气预冷的射流装置，其特征是：预冷介质的射流量和射流速度通过预冷介质的压力进行调节。