CN110030113A - 增压冲压发动机及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了增压冲压发动机及飞行器，涉及发动机技术领域。本发明提供的增压冲压发动机包括燃烧室部件和喷管，燃烧室部件具有燃烧室，喷管与燃烧室部件连接并与燃烧室连通，增压冲压发动机还包括增压组件，增压组件包括内机匣、外机匣、电机和风扇叶片，内机匣安装于外机匣内，且内机匣与外机匣之间形成气流通道，气流通道与燃烧室连通，气流通道具有气流进口，电机安装于内机匣内，风扇叶片靠近气流进口设置并与电机传动连接。本发明还提供一种包括增压冲压发动机的飞行器。本发明提供的增压冲压发动机及飞行器具有结构简单、成本低廉的特点，而且还能够在低速运行，解决了现有冲压发动机不能低速起动的问题。

Description

增压冲压发动机及飞行器

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体而言，涉及增压冲压发动机及飞行器。

背景技术

冲压发动机利用高速飞行时进气道对气流的减速增压作用为燃烧室提供高压空气，经燃烧升温后由喷管高速喷出，获得气流的反作用力，形成推力。因为不通过叶轮机械增压，没有大尺寸转动部件，特别是没有高温转动部件，结构简单，成本低廉。但无法在低速启动，必须用其它动力形式加速到超音速才能工作，增加了系统复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增压冲压发动机，其具有结构简单、成本低廉的特点，而且还能够在低速运行，解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

本发明提供一种关于增压冲压发动机的技术方案：

一种增压冲压发动机，包括燃烧室部件和喷管，燃烧室部件具有燃烧室，喷管与燃烧室部件连接并与燃烧室连通，增压冲压发动机还包括增压组件，增压组件包括内机匣、外机匣、电机和风扇叶片，内机匣安装于外机匣内，且内机匣与外机匣之间形成气流通道，气流通道与燃烧室连通，气流通道具有气流进口，电机安装于内机匣内，风扇叶片靠近气流进口设置并与电机传动连接。

本发明提供的增压冲压发动机可以适用于不同的速度要求：在低速条件下，电机驱动风扇叶片转动，抽吸空气并提高气流压力，气流进入燃烧室喷入燃料燃烧升温后，由喷管高速排出产生推力；视推力需求情况，也可不点燃燃烧室。此时，将经过风扇叶片增压的气流冷态流经燃烧室后由喷管膨胀加速喷出并产生较低的推力，可维持较低速度飞行；在飞行器加速到超音速后，由气流进口经气流通道的滞止增压作用具有足够的压力，此时可以降低电机的功率输出，以将风扇叶片的增压比降调低到较低水平。气流进入燃烧室燃烧后排出仍能产生足够的推力。在这种条件下，通过对电机输出功率的调节，可以减少电能消耗，降低对飞行器的供电装置的要求。本发明提供的增压冲压发动机解决了现有冲压发动机不能低速起动的问题。

进一步地，风扇叶片具有相对的第一侧和第二侧，第二侧靠近气流进口，内机匣具有腔室，腔室在第一侧具有与腔室连通的进风口，腔室从第一侧延伸至第二侧。

进一步地，增压组件还包括转轴，风扇叶片通过转轴与电机传动连接，转轴具有贯穿端部的中空部，腔室包括位于第一侧的第一腔室和位于第二侧的第二腔室，第一腔室与进风口连通，中空部分别与第一腔室和第二腔室连通。

进一步地，内机匣包括相互连接的电机安装机匣和进气承力机匣，电机安装机匣和进气承力机匣中至少一者安装于外机匣上，电机安装机匣与外机匣之间形成气流通道，进气承力机匣与外机匣形成气流进口，增压组件还包括风扇盘，风扇叶片通过风扇盘安装于转轴上，电机安装机匣、风扇盘和转轴围成第一腔室，进气承力机匣和风扇盘围成第二腔室。

进一步地，增压组件还包括篦齿盘，转轴包括电机轴和风扇轴，电机轴通过篦齿盘与风扇轴固定连接，电机轴与电机的转子传动连接，风扇盘与风扇轴传动连接，中空部设置于风扇轴，篦齿盘、风扇轴和风扇盘围成第一腔室。

进一步地，进气承力机匣设置有与转轴转动连接的后锥壁，后锥壁、转轴和风扇盘围成第二腔室。

进一步地，内机匣设置有第一开口和第二开口，电机位于第一开口和第二开口之间，且第一开口靠近风扇叶片，第二开口靠近燃烧室部件并与燃烧室连通，第一开口和第二开口形成用于对电机散热的散热通道。

进一步地，内机匣设置有安装部，电机的转轴与安装部转动连接，安装部上设置有与散热通道连通的通风口。

进一步地，增压组件还包括转轴、第一自润滑轴承和第二自润滑轴承，机匣包括电机安装机匣和进气承力机匣，进气承力机匣通过第一自润滑轴承与转轴转动连接，电机安装机匣通过第二自润滑轴承与转轴转动连接。

本发明的另一目的在于提供一种飞行器，其具有结构简单、成本低廉的特点，而且还能够在低速运行，解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

本发明提供一种关于飞行器的技术方案：

一种飞行器，包括增压冲压发动机。增压冲压发动机，包括燃烧室部件和喷管，燃烧室部件具有燃烧室，喷管与燃烧室部件连接并与燃烧室连通，增压冲压发动机还包括增压组件，增压组件包括内机匣、外机匣、电机和风扇叶片，内机匣安装于外机匣内，且内机匣与外机匣之间形成气流通道，气流通道与燃烧室连通，气流通道具有气流进口，电机安装于内机匣内，风扇叶片靠近气流进口设置并与电机传动连接。

本发明提供的飞行器可以适用于不同的速度要求：在低速条件下，电机驱动风扇叶片转动，抽吸空气并提高气流压力，气流进入燃烧室喷入燃料燃烧升温后，由喷管高速排出产生推力；视推力需求情况，也可不点燃燃烧室。此时，将经过风扇叶片增压的气流冷态流经燃烧室后由喷管膨胀加速喷出并产生较低的推力，可维持较低速度飞行；在飞行器加速到超音速后，由气流进口经气流通道的滞止增压作用具有足够的压力，此时可以降低电机的功率输出，以将风扇叶片增压比降调低到较低的水平。气流进入燃烧室燃烧后排出仍能产生足够的推力。本发明提供的飞行器采用了增压冲压发动机，解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。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相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的增压冲压发动机的结构示意图；

图2为图1中的增压组件的结构示意图；

图3为图2中III处的放大结构示意图；

图4为图1中的增压冲压发动机的气流流向的示意图；

图5为图1中的风扇叶片的示意图；

图6为图1中的内机匣和外机匣的示意图；

图7为图1中增压冲压发动机的局部结构示意图。

图标：10-增压冲压发动机；100-增压组件；110-内机匣；112-腔室；1121-进风口；1122-出风口；1123-第一腔室；1124-第二腔室；113-电机安装机匣；1131-第一开口；1132-第二开口；1133-安装部；1134-通风口；114-进气承力机匣；1141-后锥壁；120-外机匣；121-气流通道；122-气流进口；130-电机；140-转轴；141-中空部；142-电机轴；143-风扇轴；1431-前轴颈；1432-后轴颈；150-风扇叶片；151-第一侧；152-第二侧；153-风扇转子叶片；154-风扇静子叶片；160-风扇盘；170-篦齿盘；180-第一自润滑轴承；190-第二自润滑轴承；200-燃烧室部件；201-燃烧室；300-喷管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

请结合参阅图1至图7，本实施例提供了一种增压冲压发动机10和具有该增压冲压发动机10的飞行器，其具有结构简单、成本低廉的特点，而且还能够在低速运行，解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

本实施例提供的增压冲压发动机10包括燃烧室部件200、喷管300和增压组件100，燃烧室部件200用于形成燃烧室201，喷管300与燃烧室部件200连接并与燃烧室201连通，增压组件100与燃烧室部件200连接，增压组件100用于使气体增压后进入燃烧室201。

增压组件100包括内机匣110、外机匣120、电机130、转轴140、风扇叶片150、风扇盘160和篦齿盘170，内机匣110安装于外机匣120内，且内机匣110与外机匣120之间形成气流通道121，气流通道121与燃烧室201连通，气流通道121具有气流进口122，电机130安装于内机匣110内，风扇叶片150靠近气流进口122设置，风扇叶片150通过风扇盘160固定在转轴140上，转轴140与电机130传动连接。气流可以从气流进口122进入气流通道121，并经由气流通道121进入燃烧室201，风扇叶片150能够使气流增压后进入气流通道121。

同时，也需要说明的是，本实施例提供的增压冲压发动机10可以应用于飞行器，比如作为超音速飞机的动力装置。目前能够为超音速飞机提供动力的发动机主要有固体火箭、加力涡喷/涡扇发动机和冲压发动机。以下，对上述三种发动机与本实施例提供的增压冲压发动机10进行简单对比。

固体火箭发动机工作时间太短，难以满足工作时间要求和射程要求。与固体火箭发动机相比，本实施例提供的增压冲压发动机10为吸气式发动机，氧化剂为空气中的氧气，避免火箭发动机自带氧化剂重量过重的问题。同时液体燃料的燃烧能量释放更容易控制，没有固体火箭发动机燃烧不可控导致的工作时间过短的问题。

加力式涡喷/涡扇发动机是一种喷气式的涡轮发动机，虽然可以满足超音速飞行的要求，但受高温对材料寿命的影响，一般不能长时间开加力工作，并且结构复杂、成本高。与加力式涡喷/涡扇发动机相比，本实施例提供的增压冲压发动机10具有技术简单、结构简化、成本低和产品开发周期短的特点。本实施例通过调节对电机130的供电进而调整电机130输出功率，可以灵活地调节增压组件100的增压比；相对于加力式涡喷/涡扇发动机而言，本实施例提供的增压冲压发动机10减少了主燃烧室201和涡轮两大高温部件，特别是没有转动部件在高温燃气环境工作，极大的减小了技术难度；零件数量大幅度减少，设计制造难度和周期均显著降低。

冲压发动机的结构相对简单，但是无法在低速启动，通常采用其它动力形式带动飞行器起飞爬升并加速到冲压发动机可以工作的速度范围，再起动冲压发动机，增加了系统复杂性和成本。与冲压发动机相比，本实施例提供的增压冲压发动机10能够在飞行器低速飞行的状态下依靠自身风扇部件提高工质压力，具备做功能力，解决了冲压发动机无法在低速起动的问题。

相对于上述三种发动机，本实施例提供的增压冲压发动机10不仅能够满足超音速飞行的要求，具有结构简单、成本低廉的特点，而且还能够在低速运行，解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

为了便于说明，将风扇叶片150靠近燃烧室部件200的一侧设定为第一侧151，其靠近气流进口122的一侧设定为第二侧152，气流从第二侧152流向第一侧151。在本实施例中，内机匣110具有腔室112，腔室112在第一侧151具有与腔室112连通进风口1121。气流能够从第一侧151的进气口进入腔室112并在腔室112内从第一侧151流入第二侧152，在气流流动的过程中，能够对风扇叶片150产生轴向力，该轴向力与风扇叶片150工作时产生的作用力方向相反，进而能够抵消电机130的转子和转轴140向气流进口122方向移动的轴向力。

需要说明的是，腔室112在第二侧152处可以设置出风口1122，该出风口1122与腔室112连通；当然，在本发明的实施例中，也可以不设置出风口1122，以使气流的作用力更大程度地减小轴向力。进一步地，上述进风口1121和出风口1122可以为设置的开口或槽，也可以为零部件安装中预留的缝隙。图3中所示的出风口1122即为风扇叶片150、风扇盘160和内机匣110之间形成的缝隙。

可选地，转轴140可以通过轴承可转动地安装在内机匣110上，可以选用自带润滑脂的轴承，以取消滑油系统。转轴140的两端分别通过第一自润滑轴承180和第二自润滑轴承190与内机匣110转动连接，采用自润滑轴承可以不需要设置滑油系统，进而使本实施例提供的增压冲压发动机10的结构更简单、紧凑。通过在内机匣110上设置腔室112，气流通过腔室112流动并作用于风扇盘160上，并使得电机130转子的轴向力部分抵消，第一自润滑轴承180和第二自润滑轴承190的承载力要求随之降低。也就是说，上述腔室112的设置能够减少对轴承的设计要求，能够采用自带润滑脂的轴承来安装转轴140。在本实施例中，内机匣110包括相互连接电机安装机匣113和进气承力机匣114，进气承力机匣114通过第一自润滑轴承180与转轴140转动连接，电机安装机匣113通过第二自润滑轴承190与转轴140转动连接。

请参阅图2和图3，进一步地，转轴140具有贯穿端部的中空部141，腔室112包括位于第一侧151的第一腔室1123和位于第二侧152的第二腔室1124，第一腔室1123与进风口1121连通，中空部141分别与第一腔室1123和第二腔室1124均连通。

也就是说，通过中空部141将第一腔室1123和第二腔室1124连通。转轴140的中空部141至少应位于转轴140靠近风扇叶片150的端部区域，在设置时，可以在转轴140上开口，以使中空部141与第一腔室1123和第二腔室1124连通。当然，被中空部141贯穿的端部靠近第二腔室1124，中空部141也可以通过被贯穿的端部与第二腔室1124连通，此时在转轴140上还需要设置连通中空部141和第一腔室1123的开口。

上述第一腔室1123和第二腔室1124分别位于风扇盘160的两侧，在气流经过风扇叶片150增压后，一部分沿气流通道121进入燃烧室201，另一部分沿进风口1121进入第一腔室1123，并沿着进风口1121、第一腔室1123、中空部141和第二腔室1124流动。当气流流动至第二腔室1124时，其作用于风扇盘160并对风扇盘160产生轴向力，该轴向力与受到风扇叶片150作用产生的轴向力方向相反，进而能够使电机130转子对轴承的作用力减小。

请参阅图4，可选地，转轴140可以包括电机轴142和风扇轴143，电机轴142通过篦齿盘170与风扇轴143固定连接，当然，电机轴142和风扇轴143也可以采用一体成型进行设置。电机轴142与电机130的转子传动连接，风扇盘160与风扇轴143传动连接，中空部141设置于风扇轴143，篦齿盘170、风扇轴143和风扇盘160围成第一腔室1123。

可以理解的是，篦齿盘170与电机安装机匣113密封，以使第一腔室1123内的气体基本全部进入到第二腔室1124，进而增加第二腔室1124内气体对风扇盘160的作用力，进一步抵消上述的轴向力。

请参阅图5，进一步地，风扇轴143可以包括在第一侧151的后轴颈1432和在第二侧152的前轴颈1431，后轴颈1432用于与其他部件围成第一腔室1123，前轴颈1431用于与其他部件围成第二腔室1124，前述的开口设置在后轴颈1432上，后锥壁1141通过轴承安装在前轴颈1431上。

在本实施例中，电机安装机匣113与外壳形成气流通道121，进气承力机匣114与外壳形成气流进口122，电机安装机匣113与风扇盘160围成第一腔室1123，进气承力机匣114与风扇盘160围成第二腔室1124。

进一步地，篦齿盘170、转轴140和风扇盘160围成第一腔室1123；进气承力机匣114设置有与转轴140转动连接的后锥壁1141，后锥壁1141、转轴140和风扇盘160围成第二腔室1124。上述后锥壁1141设置有开口、间隙或开槽，以使气流流通。气流从进气口进入第一腔室1123，并通过中空部141进入进气承力机匣114围成的空间中，并通过连接部的开口或间隙进入第二腔室1124。

需要说明的是，风扇叶片150可以包括风扇转子叶片153和风扇静子叶片154(如图5所示)，风扇转子叶片153通过风扇盘160与转轴140传动连接并随之转动，风扇静子叶片154安装在内机匣110或进气承力机匣114上并与之保持相对静止。

请参阅图6和图7，在本实施例中，内机匣110还设置有用于对电机130散热的散热通道。可选地，机匣还设置有第一开口1131和第二开口1132，电机130位于第一开口1131和第二开口1132之间，且第一开口1131靠近风扇，第二开口1132靠近燃烧室部件200，第一开口1131和第二开口1132形成用于对电机130散热的散热通道。可选地，第一开口1131和第二开口1132均设置在电机安装机匣113上。

进一步地，机匣设置有安装部1133(如图7所示)，电机130的转轴140与安装部1133转动连接，安装部1133上设置有与散热通道连通的通风口1134。可选地，转轴140通过第二自润滑轴承190可转动地安装于机匣的安装部1133上。

请结合参阅图4和图7，其示出了气体的流向，分别为A1流向，A2流向和A3流向，其中A1流向：表示的是气体经过气流通道121进入燃烧室201；A2流向：表示的是气体经过第一开口1131进入散热通道，并由第二开口1132流向燃烧室201；A3流向：表示的是气体经过腔室112(从第一腔室1123流向第二腔室1124)并作用于风扇盘160。

请结合参阅图1至图7，本实施例提供的增压冲压发动机10可以适用于不同的速度要求：在低速条件下，电机130驱动风扇叶片150转动，抽吸空气并提高气流压力，气流进入燃烧室201喷入燃料燃烧升温后，由喷管300高速排出产生推力；视推力需求情况，也可不点燃燃烧室201。此时，将经过风扇增压的气流冷态流经燃烧室201后由喷管300膨胀加速喷出并产生较低的推力，可维持较低速度飞行；在飞行器加速到超音速后，由气流进口122经气流通道121的滞止增压作用具有足够的压力，此时可以降低电机130的功率输出，以将风扇叶片150增压比降调低到较低的水平。气流进入燃烧室201燃烧后排出仍能产生足够的推力。在这种条件下，通过对电机130输出功率的调节，可以减少电能消耗，降低对飞行器的供电装置的要求。本实施例提供的增压冲压发动机10解决了现有冲压发动机不能低速启动的问题。

Claims (10)

1.一种增压冲压发动机，包括燃烧室部件和喷管，所述燃烧室部件用于形成燃烧室，所述喷管与所述燃烧室部件连接并与所述燃烧室连通，其特征在于，所述增压冲压发动机还包括增压组件，所述增压组件包括内机匣、外机匣、电机和风扇叶片，所述内机匣安装于所述外机匣内，且所述内机匣与所述外机匣之间形成气流通道，所述气流通道与所述燃烧室连通，所述气流通道具有气流进口，所述电机安装于所述内机匣内，所述风扇叶片靠近所述气流进口设置并与所述电机传动连接。

2.根据权利要求1所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述风扇叶片具有相对的第一侧和第二侧，所述第二侧靠近所述气流进口，所述内机匣具有腔室，所述腔室在所述第一侧具有与所述腔室连通的进风口，所述腔室从所述第一侧延伸至所述第二侧。

3.根据权利要求2所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述增压组件还包括转轴，所述风扇叶片通过所述转轴与所述电机传动连接，所述转轴具有贯穿端部的中空部，所述腔室包括位于所述第一侧的第一腔室和位于所述第二侧的第二腔室，所述第一腔室与所述进风口连通，所述中空部分别与所述第一腔室和所述第二腔室连通。

4.根据权利要求3项所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述内机匣包括相互连接的电机安装机匣和进气承力机匣，所述电机安装机匣与所述外机匣之间形成所述气流通道，所述进气承力机匣与所述外机匣形成所述气流进口，所述增压组件还包括风扇盘，所述风扇叶片通过所述风扇盘安装于所述转轴上，所述电机安装机匣、所述风扇盘和所述转轴围成所述第一腔室，所述进气承力机匣和所述风扇盘围成所述第二腔室。

5.根据权利要求4所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述增压组件还包括篦齿盘，所述转轴包括电机轴和风扇轴，所述电机轴通过所述篦齿盘与所述风扇轴固定连接，所述电机轴与所述电机传动连接，所述风扇盘与所述风扇轴传动连接，所述中空部设置于所述风扇轴，所述篦齿盘、所述风扇轴和所述风扇盘围成所述第一腔室。

6.根据权利要求4所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述进气承力机匣设置有与所述转轴转动连接的后锥壁，所述后锥壁、所述转轴和所述风扇盘围成所述第二腔室。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述内机匣设置有第一开口和第二开口，所述电机位于所述第一开口和所述第二开口之间，且所述第一开口靠近所述风扇叶片，所述第二开口靠近所述燃烧室部件并与所述燃烧室连通，所述第一开口和所述第二开口形成用于对所述电机散热的散热通道。

8.根据权利要求7所述的增压冲压发动机，其特征在于，机匣设置有安装部，所述电机的转轴与所述安装部转动连接，所述安装部上设置有与所述散热通道连通的通风口。

9.根据权利要求1所述的增压冲压发动机，其特征在于，所述增压组件还包括转轴、第一自润滑轴承和第二自润滑轴承，所述内机匣包括相互连接的电机安装机匣和进气承力机匣，所述进气承力机匣通过所述第一自润滑轴承与所述转轴转动连接，所述电机安装机匣通过所述第二自润滑轴承与所述转轴转动连接。

10.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的增压冲压发动机。