CN110905689A - 开式水冷却分流发动机 - Google Patents

Abstract

一种开式水冷却分流发动机。用增加高压空气流量、增设分流喷管和采用开式水冷却等措施，在总体结构质量相同的情况下，使功率和推力比通常涡轮发动机增加19倍以上，不加力推量比达到122以上；加力推量比达到244以上；耗油率降低6.88倍以上。本发动机可以轻松进入3Ma以上状态巡航，也可以进行出入大气层飞行或近空间飞行。

Description

开式水冷却分流发动机

技术领域

本发明属航空发动机领域。

背景技术

专利号为2012382617·5的发明专利一分流式燃气涡轮发动机，以下简称分流发动机。由于其进入高压气流发生器燃烧室的高压气流，不能全部参加燃烧做功，因而使分流发动机的优势大部分没有发挥出来。本发明在分流发动机的基础上对其燃烧室和涡轮的冷却方式做了较大的改进，使其性能在原有的基础上有了飞跃性提高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种开式水冷却分流发动机。该发动机的燃烧室，既能产生高压燃气，又能产生高压水蒸汽。在用水冷却燃烧室和涡轮机构的过程中，使大量的有害高温废热通过冷却水的吸收蒸发，变为发动机的二次推力。使开式水冷却分流发动机的推力比通常涡轮发动机大19 倍以上；不加力推重比达到了122以上；加力推重比达到244以上；耗油率比通常涡轮发动机低6.88倍以上。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：把分流发动机各燃烧室的壁，用内、外两层管式冷却水套进行贴壁包裹，采用向水套中喷入高压水雾流的方法，对燃烧室壁进行冷却。具体做法：适当加大燃烧室的结构尺寸，增大燃烧室的吸热面积；在管式冷却水套的外侧，再加一层固体隔热层。由于水和水蒸汽的冷却能力比通常燃气涡轮发动机的高压气冷方式大10几倍，而且进入高压气流发生器燃烧室的高压气流，全部参加燃烧做功，只增加了两倍的发热量，冷却能力大于发热量，因此，采用开式水冷方式可以满足进入发动机的全部高压气流量都参加燃烧做功的情况下，对冷却能力的要求。

所谓开式水冷却方式，就是冷却水不循环使用，而是在冷却燃烧室和机件的过程中被加热成高压蒸汽后，从专门的尾喷管喷出，直接成为发动机的推力。由于冷却水在冷却机件的过程中，吸收了巨大的热量变为高压蒸汽，其温度可达500-600℃，压力可达30Mpa以上。做为推力喷出后，其单位推力比燃气高10多倍。使水的消耗率远比燃油的消耗率低。当水蒸汽的压力达到21.528Mpa时，耗水率等于耗油率。带水不再是飞行器的负担。这就使用水替代部分燃油的设想变为可能。用水替代部分燃油，并不是水能燃烧做功，而是用水做为载体或叫工质，在冷却机件的过程中，大量吸收燃气中不能做功的高温废热，以高压水蒸汽的形式继续做功。这一过程，大大提高了燃料的热效率和推进效率。

动、静叶片的冷却

(1)静叶片的冷却：高压水雾流从静叶片的根部进入静叶片的空腔内，流过静叶片的顶部，再从静叶片顶部的另一个通道进入下一个静叶片内。在冷却涡轮部件的过程中，水被加热成高压蒸汽后，从最后一级静叶片的出口通道进入压力控制阀，然后从蒸汽喷管喷出产生推力。

(2)动叶片的冷却：冷却水从传动轴上的通道进入动叶片根部再进入动叶片的顶部，从动叶片顶部的另一通道流入传动轴内，进入下一组动叶片内；从最后一组动叶片的根部进入传动轴通道，通过传动轴上的滑动连通管进入压力控制阀，从蒸汽喷管喷出产生推力。

本发明-开式水冷却分流发动机和分流发动机的主要区别是：1、燃烧室的冷却理念不同。分流发动机的冷却过程是单纯为了冷却，冷却后的高压气流不再做功。而开式水冷却分流发动机的冷却水，在冷却发动机的过程中，既冷却了发动机，又被加热成高压蒸汽，变为发动机的二次推力。

2、冷却效果不同：分流发动机的冷却过程是压气机产生的高压气流只有1/3 用于燃烧做功，其余2/3用于冷却和掺混降温。开式水冷却分流发动机不用高压气流冷却，用高压水雾流冷却，使压气机产生的高压气流全部参加燃烧做功，使高压气流发生器的做功能力增加了2倍、使高压气流的流量增加了2倍。

3、开式冷却分流发动机，增加了开式水冷却系统所必须有的高压水泵、高压水控制阀、水箱、水管等专用部件。增加了高压蒸汽控制阀及高压蒸汽喷管等专有零部件。

如果通常涡轮发动机的燃烧室和涡轮机构也采用开式水冷方式进行冷却，在现有结构改动不太大的情况下，可使通常涡轮发动机的性能在原有的基础上产生飞跃性提高，可使推力增大2倍以上，不加力推重比达到 20以上。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明开式水冷却分流发动机的结构原理图。

图2是本发明开式水冷却分流发动机工作状态图。

图3是本发明简化型开式水冷却分流发动机工作状态图。

图4是本发明开式水冷却分流发动机冲压发动机工作状态图。

图5是本发明开式水冷却分流发动机反推力工作状态图。

图6是本发明开式水冷却分流发动机液体火箭发动机工作状态图。

图7是本发明开式水冷却分流发动机高压气流发生器燃烧室的结构放大图。

图8是本发明开式水冷却分流发动机分流燃烧室的结构放大图。

具体实施方式

本发明开式水冷却分流发动机是在分流发动机的基础上改进而成的，各种功能和分流发动机完全一样。只有燃烧室的结构和工作原理和分流发动机完全不同。各种性能都比分流发动机有了成倍的提高。

图7为开式水冷却高压气流发生器燃烧室的结构示意图。

当开式水冷却分流发动机工作时，从水箱经由高压水泵来的冷却水，从高压进水口1进入外环形水雾总管14和内环形水雾总管15内，通过管式水冷却水套5和19，被加热成高压蒸汽后，进入高压蒸汽总管16和17 内，高压蒸汽通过内、外水套的连接管9归成一路后，进入高压蒸汽压力控制阀11内，经压力控制阀11稳压后，从高压蒸汽尾喷管13喷出产生推力。

另一路从水箱经由循环泵来的冷却水，从主燃烧室外壁冷却水套进口2进入燃烧室外壁冷却水套7内，被加热后，从燃烧室外壁冷却水套出口10通过管路，流回水箱，加热水箱内的水，使水箱内的水在高空不会结冰。

图8为开式水冷却分流燃烧室的结构示意图。

当开式水冷却分流发动机工作时，从水箱经由高压水泵来的冷却水，从高压水进口8进入高压水雾总管9内，通过分流喷管外壁冷却水套4被加热成高压饱和蒸汽后，进入高压饱和蒸汽总管12内，再由高压饱和蒸汽总管12，进入高压饱和蒸汽总管6内，经由管式水冷却火焰筒2，被加热成高压过热蒸汽后，进入高压过热蒸汽总管1内，从高压过热蒸汽总管1 经由，高压过热蒸汽出口7，通过管路进入图7高压蒸汽压力控制阀11内，经过稳压后，也从尾喷口13喷出产生推力。

图1说明：

1高压气流发生器 2压气机 3燃烧室 4燃气涡轮 5分流喷管 6冲压进气管 7高压输气管 8气流功能转换阀 9分流燃烧室 10可调尾喷口 11-12燃油喷嘴及点火器

图7说明：

1高压水进口 2主燃烧室外壁冷却水套进口 3燃油喷嘴及点火器 4火焰稳定器 5管式水冷却火焰筒外套 6燃烧室外壁 7燃烧室外壁管式冷却水套 8燃烧室外隔热层 9火焰筒内外套连接管 10燃烧室外壁冷却水套出口 11高压蒸汽压力控制阀 12高压蒸汽连接管13高压蒸汽尾喷管 14外环形水雾总管 15内环形水雾总管 16外环形高压蒸汽总管 17内环形高压蒸汽总管 18燃烧室内壁管式冷却水套 19管式水冷却火焰筒内套 20燃烧室内壁21燃烧室内隔热层

图8说明：

1高压过热蒸汽总管 2管式水冷却火焰筒 3分流喷管外壁 4分流喷管外壁冷却水套 5分流喷管外部隔热层 6高压饱和蒸汽总管 7高压过热蒸汽出口 8高压水进口 9高压水雾总管 10燃油喷嘴及点火器 11火焰稳定器 12高压饱和蒸汽总管。

Claims (7)

1.一种航空用开式水冷却分流发动机，由高压气流发生器和分流喷管两大部分组成，两个分流喷管单独对称安装在高压气流发生器的两边，高压气流发生器为变型的涡喷发动机；从压气机的最末端，同时给两个分流燃烧室和高压气流发生器燃烧室供相同压力的高压气流；高压气流发生器不直接产生推力，而是把全部燃烧产生的可用功都给了压气机，用以产生比高压气流发生器自身燃烧用量多1.5倍以上的高压气流量，在分流燃烧室内和超过高压气流发生器自身燃烧用量多4.5倍的燃料混合燃烧，产生出比高压气流发生器可用功直接变为推力大19倍以上的功率和推力；分流喷管由冲压进气管、高压输气管气、流功能转换阀、分流燃烧室、推力喷管、可调尾喷口、长效点火装置和燃料供应系统等主要部分组成。其特征在于3个燃烧室都采用了开式水冷却方式进行冷却；涡轮机构也采用了开式水冷却方式进行冷却；发动机增加了高压水蒸喷管。

2.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于进入高压气流发生器的空气流量可以全部参加燃烧做功，产生的可用功比分流发动机要多2倍以上，使压气机产生更多高压气流。

3.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于开式水冷却燃烧室，既能产生高压燃气，又能产生高压水蒸汽；发动机的推力是高压燃气和高压水蒸汽共同产生的。

4.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于耗水率低于耗油率，用水可以替代部分燃油。

5.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于本发动机具有极好的加速性，发动机推力增加的速度，几乎和驾驶员操作油门的速度同步。

6.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于本发动机进入工作状态后，可以一直工作在最佳增压比状态，不受发动机推力大小变化的影响。

7.根据权利要求1所述的开式水冷却分流发动机，其特征在于在各冷却剂的进口和出口之间单独并入循环泵，用以消除膜态沸腾带来的危险。

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