CN113123883B - 一种涡轮发动机及其自起动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机及其自起动方法，涡轮发动机包括：机体，机体内形成有燃烧室，燃烧室的轴向一端装设有导向叶片件；燃气发生器，燃气发生器装设于燃烧室内；燃气发生器内部形成有燃料腔、氧化剂腔及推力室，推力室通过导向叶片件的喷气通口与涡轮相通，燃料腔、氧化剂腔均与推力室相连通。本发明的技术方案是在燃烧室内设置独立的燃气发生器，燃料腔内含催化剂的燃料与氧化剂腔内的氧化剂可喷射至推力室内进行互击式碰撞雾化，随即发生燃烧反应生成高温高压燃气，所生成的高温高压燃气经过导向叶片件的喷气通口后驱动涡轮做功，以在点火之前驱动转子系统加速转动，可有效减少能量转化的效率损失以及减少起动设备的质量和体积。

Description

一种涡轮发动机及其自起动方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别是涉及一种涡轮发动机及其自起动方法。

背景技术

航空燃气涡轮发动机的自身结构和循环过程，决定了它不能像汽车发动机那样自主的点火起动。因为，若在静止的涡轮发动机中直接喷油点火，压气机尚未旋转，不会有足够的空气进入，满足不了燃烧条件，燃烧室不能建压，便无法产生喷气推力，也无法驱动涡轮做功。由此，燃气涡轮发动机的起动特点是：须首先压入必要流量的空气，方可完成点火燃烧，亦即要求涡轮发动机的转子系统必须预先达到一定的转速，才能点火起动。针对该起动特点，必须在点火燃烧前，由其他能源介入以带动涡轮发动机的转子系统预旋转。

适用于涡轮发动机的现有的起动方式主要有电动起动机、燃气涡轮起动机、空气涡轮起动机、火药涡轮起动机等。其中，火药起动机，安全可靠性差，药柱贮存运输均有问题，起动次数极为有限；空气涡轮起动机需要外界高压气源，不能单独起动发动机，整个起动机构相较于电起动会复杂很多，且对空气涡轮起动机的润滑也存在限制；燃气涡轮起动机实际上是一台完整的小型涡轮轴发动机，系统复杂、重量大；电动起动机中电机本身与电池重量大、所需电源功率大，特别是对于小型涡轮发动机而言飞行器需要携带沉重的电池，得不偿失；而对于大型涡轮发动机，则受限于当前起动电机的技术水平，起动电机工作过程中会产生大量热，因此，对于连续起动存在较大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的涡轮发动机，该涡轮发动机能够实现敏捷多次自起动转子系统加速转动，可有效减少能量转化的效率损失，且其结构简单，体积小、重量轻，具有较好的应用性。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种涡轮发动机，包括：

机体，所述机体内形成有燃烧室，所述燃烧室的轴向一端装设有导向叶片件；

及燃气发生器，所述燃气发生器装设于所述燃烧室内；其中，所述燃气发生器内部形成有燃料腔、氧化剂腔及推力室，所述推力室通过所述导向叶片件的喷气通口与涡轮相通，所述燃料腔、所述氧化剂腔均与所述推力室相连通。

优选地，所述燃气发生器至少有两个，任意两个所述燃气发生器之间均相对称分布；所述燃烧室内还装设有至少两个火焰组件，各个所述火焰组件的两端均设置有所述燃气发生器，各个所述燃气发生器与各个所述火焰组件之间呈环形等间距分布于所述燃烧室内，且所述火焰组件与所述燃气发生器之间通过第一联焰管相连通。

优选地，所述燃气发生器的侧壁开设有与所述推力室相通的第一安装孔，所述第一联焰管的一端穿设于所述第一安装孔内并与所述推力室相通，所述第一联焰管的另一端连通于所述火焰组件的内部。

优选地，所述火焰组件包括一个或多个火焰筒，各个所述火焰筒之间呈弧形等间距设置于所述燃烧室内，各个所述火焰筒之间通过第二联焰管相连通，且与所述燃气发生器相邻的火焰筒通过所述第一联焰管连通于所述推力室；所述火焰筒朝向所述导向叶片件的一侧形成有燃气通道，所述燃气通道与所述喷气通口相通。

优选地，所述火焰筒的侧面开设有稀释空气孔。

优选地，所述燃料腔面向所述推力室的一侧开设有呈倾斜设置的碰撞燃料喷嘴；所述氧化剂腔面向所述推力室的一侧开设有呈倾斜设置的氧化剂喷嘴，且所述碰撞燃料喷嘴的倾斜方向与所述氧化剂喷嘴的倾斜方向相交叉于所述推力室内。

优选地，所述燃料腔面向所述推力室的一侧设有呈倾斜设置的液膜燃料喷嘴，所述液膜燃料喷嘴朝向所述推力室的侧壁延伸设置。

优选地，所述机体包括：第一机匣与第二机匣，所述第一机匣设于所述第二机匣的内部空间内并与所述第二机匣相间隔形成所述燃烧室，且所述导向叶片件装设于所述第一机匣与所述第二机匣的同向端部。

一种自起动方法，应用于所述的涡轮发动机，所述自起动方法包括：

燃气发生器的燃料腔与氧化剂腔内分别注入含有催化剂的燃料与氧化剂，燃料腔内的燃料与氧化剂腔内的氧化剂同时喷出至推力室内，以使燃料与氧化剂进行互击式碰撞雾化，进而发生燃烧反应生成高温高压燃气；

大部分所述高温高压燃气通过所述喷气通口作用于涡轮以驱动所述涡轮做功，进而带动转子系统加速转动；同时，剩余的所述高温高压燃气通过第一联焰管流动至火焰组件内；

当所述转子系统的转速达到额定起动转速时，起动燃油系统，所述燃油系统开始向各个所述火焰组件供油，所述第一联焰管内的高温高压燃气点燃燃油，燃油燃烧所形成的燃气通过喷气通口作用于所述涡轮，以驱动所述涡轮做功；

当所述转子系统的转速达到预设倍数的自持转速时，所述燃气发生器停止工作，所述火焰组件单独驱动所述涡轮做功，直至所述转子系统的转速加速至慢车速度，完成起动。

优选地，所述燃气发生器处于工作状态，所述推力室的内壁形成有冷却液膜。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的一种涡轮发动机，是通过在机体的燃烧室内设置独立的燃气发生器，燃料腔内的燃料与氧化剂腔内的氧化剂可喷射至推力室内进行互击式碰撞雾化，进而发生燃烧反应生成高温高压燃气，从而推力室内所生成的高温高压燃气经过导向叶片件的喷气通口直接驱动涡轮做功，以在点火之前驱动转子系统加速转动，且其燃气发生器反应迅速，便于敏捷多次自起动转子系统加速转动，可有效减少能量转化的效率损失，且其燃气均匀、热值高、点火稳定、性能可靠，具有较好的应用性。另外，燃气发生器可高度集成在机体内部，结构简单，有效减少了涡轮发动机的设备体积与质量。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种涡轮发动机的结构示意图。

图2为图1所示涡轮发动机的截面结构示意图。

图3为图1所示涡轮发动机的局部结构的截面结构示意图。

图4为图1所示燃气发生器的剖面结构示意图。

100、涡轮发动机；10、燃烧室；20、导向叶片件；21、喷气通口；30、燃气发生器；31、燃料腔；311、碰撞燃料喷嘴；312、液膜燃料喷嘴；32、氧化剂腔；321、氧化剂喷嘴；33、推力室；34、第一安装孔；40、第一联焰管；50、火焰筒；51、稀释空气孔；60、第二联焰管；70、第一机匣；80、第二机匣。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，以下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

请参阅图1至图4，本发明一实施例中提供了一种适用于飞行器的高度集成的涡轮发动机100，该涡轮发动机100能够在点火之前敏捷多次自起动涡轮发动机100的转子系统进行加速转动，结构简单，性能稳定，可有效减少能量转化的效率损失。

该涡轮发动机100至少包括：机体及燃气发生器30，机体内部形成有燃烧室10，燃烧室10的轴向一端装设有导向叶片件20，导向叶片件20开设有喷气通口21；燃气发生器30装设在燃烧室10内；如图4所示，燃气发生器30的内部形成有燃料腔31、氧化剂腔32以及推力室33，燃料腔31、氧化剂腔32均与推力室33相连通，推力室33通过导向叶片件20的喷气通口21与涡轮发动机100的涡轮相通。作为优选的，本实施例中的燃气发生器采用双组元自燃推进剂，该双组元自燃推进剂由燃料、氧化剂组成，其中，燃料放置在燃料腔31内，并且燃料内含有催化剂，氧化剂放置在氧化剂腔32内。

可以理解的，本实施例中除了可以采用双组元自燃推进剂之外，还可以可采用单组元自燃推进剂(无水肼、偏二甲肼等)、三组元自燃推进剂(液氧、煤油及甲烷的组合)等不同组元的自燃推进剂。

其中，如图1、图3所示，机体包括第一机匣70与第二机匣80，第一机匣70与第二机匣80的内部均呈中空设置，第一机匣70装设在第二机匣80的内部空间内，第一机匣70与第二机匣80相间隔形成了燃烧室10，导向叶片件20装设在第一机匣70与第二机匣80的同向端部，如此设置，该燃烧室10呈环管设置。

可以理解的是，本实施例中所提供的涡轮发动机100为涡喷发动机，其内部的燃烧室10除了可以呈环管设置之外，还可以设置为分管式、环形结构。

其中，为了便于燃料腔31内的燃料喷射至推力室33内，如图4所示，燃料腔31面向推力室33的一侧开设有一个或多个呈倾斜设置的碰撞燃料喷嘴311，燃料腔31与推力室33之间通过碰撞燃料喷嘴311相连通；同理，为了便于氧化剂腔32内的氧化剂喷射至推力室33内，氧化剂腔32面向推力室33的一侧开设有一个或多个呈倾斜设置的氧化剂喷嘴321，氧化剂腔32与推力室33之间通过氧化剂喷嘴321相连通。

为了便于实现含有催化剂的燃料与氧化剂在推力室33内进行互击碰撞雾化，如图4所示，碰撞燃料喷嘴311的倾斜方向与氧化剂喷嘴321的倾斜方向相交叉于推力室33内。

可以理解的，燃料腔31与氧化剂腔32内分别注入燃料与氧化剂，燃料与氧化剂可分别通过碰撞燃料喷嘴311、氧化剂喷嘴321喷射至推力室33内，进而燃料与氧化剂可在推力室33内进行互击式碰撞雾化，燃料中含有催化剂，随即发生燃烧反应产生高温高压燃气，所产生的大部分燃气可通过喷气通口21直接作用在涡轮上以驱使涡轮做功，从而驱动转子系统加速转动。其中，推力室33内所形成的高温高压燃气的温度大于1000℃，压力高达1MPa～5MPa。如此设置，燃气发生器30独立设置燃烧室10内即可推动涡轮带动转子系统进行加速转动，可有效减少能量转化的效率损失，也便于实现敏捷多次自起动转子系统加速转动。

在其中一实施例中，为了有效减少起动时长，燃烧室10内至少装设有两个燃气发生器30，任意两个燃气发生器30之间均相对称设置，各个燃气发生器30高度集成设置燃烧室10内，结构简单，可大幅度减少涡轮发动机100的设备体积及质量。如此设置，除了能够减少起动时长之外，还能够保证燃气均匀性，避免因燃气发生器30的位置不对称而导致涡轮发动机100失衡。

在其中一实施例中，为了实现点火过程，燃烧室10内还装设有至少两个火焰组件，各个火焰组件的两端均设置有燃气发生器30，各个燃气发生器30与各个火焰组件之间呈环形等间距分布在燃烧室10内，如图1及图2所示，火焰组件与燃气发生器30之间通过第一联焰管40相连通。其中，该涡轮发动机100还包括有燃油系统，燃油系统与火焰组件相连通，燃油组件能够输送燃油至火焰组件内部。可以理解的，推力室33内所形成的部分高温高压燃气可通过第一联焰管40流动至火焰组件内，以点燃火焰组件内的燃油，实现自燃点火过程，进而燃油燃烧形成了燃气，该燃油燃烧所形成的燃气可驱动涡轮做功，以进一步的驱动转子系统加速转动。

在其中一实施例中，燃气发生器30的侧壁开设有与推力室33相通的第一安装孔34，第一联焰管40的一端穿设在第一安装孔34内并与推力室33相通，另一端与火焰组件的内部相通，以便于推力室33内的部分高温高压燃气进入火焰组件内进行点火。

在其中一实施例中，如图1、图2所示，火焰组件包括一个或多个火焰筒50，各个火焰筒50之间呈环形等间距设置在燃烧室10内，各个火焰筒50之间通过第二联焰管60相连通，便于燃气经第二联焰管60进行点火；同时，与燃气发生器30相邻的火焰筒50通过第一联焰管40与推力室33相连通，火焰筒50朝向导向叶片件20的一侧形成有与喷气通口21相通的燃气通道，点燃燃油所形成的燃气可通过燃气通道、喷气通口21喷出至涡轮上以驱动涡轮做功，进而推力室33内的大部分的高温高压燃气与燃气通道内的燃气可共同驱动涡轮做功，进而驱动转子系统加速转动。如此设置，除了能够在点火之前实现转子系统加速转动之外，还能够将推力室33内的高温高压燃气部分引入至第一联焰管40内，作为涡轮发动机100的高能点火系统，其点火稳定性较好，能够有效替代传统的电点火系统进行点火操作，从而省去了电点火系统，减少了涡轮发动机100的设备体积、质量及其维护成本。

在其中一实施例中，火焰筒50的侧壁开设有稀释空气孔51，如图1、图3所示。

在其中一实施例中，为了便于在燃气发生器30工作过程中进行冷却，燃料腔31面向推力室33的一侧开设有呈倾斜设置的液膜燃料喷嘴312，该液膜燃料喷嘴312朝向推力室33的侧壁延伸设置。可以理解的，当燃气发生器30工作时，燃料腔31内的燃料经过液膜燃料喷嘴312喷出至推力室33的侧壁上，进而在推力室33的侧壁上喷涂形成了用于冷却的冷却液膜。

上述实施例中所提供的一种涡轮发动机100的自起动方法包括如下步骤：

燃气发生器30的燃料腔31与氧化剂腔32内分别注入含有催化剂的燃料与氧化剂，燃料腔31内的燃料与氧化剂腔32内的氧化剂同时喷出至推力室33内，以使燃料与氧化剂进行互击式碰撞雾化，进而发生燃烧反应生成高温高压燃气；其中，燃气发生器30工作时，可建立1～5MPa的室压并能够实现大变比的流量调节规律，并可根据不同的需求进行适配；

大部分所述高温高压燃气通过所述喷气通口21作用于涡轮以驱动所述涡轮做功，进而带动转子系统加速转动；同时，剩余的所述高温高压燃气通过第一联焰管40流动至火焰组件内，即：至少部分高温高压燃气经第一联焰管40进入与燃气发生器30相邻的火焰筒50内并进一步的通过第二联焰管60进入其它的火焰筒50内；

当所述转子系统的转速达到额定起动转速时，起动燃油系统，所述燃油系统开始向各个所述火焰组件供油，所述第一联焰管内的高温高压燃气点燃燃油，燃油燃烧所形成的燃气通过喷气通口21作用于涡轮，以驱动所述涡轮做功，此时推力室33内的大部分高温高压燃气与燃油燃烧所形成的燃气同时驱动涡轮做功，令转子系统继续加速转动；其中，额定启动转速通常为转子系统最大转速的8％～12％；

当所述转子系统的转速达到预设倍数的自持转速时，所述燃气发生器30停止工作，所述火焰组件单独驱动涡轮做功，直至所述转子系统的转速加速至慢车速度，完成起动。其中，自持转速是指涡轮转子的扭矩等于发动机转子的阻力扭矩时的转速，发动机转子为转子系统内部的构件，预设倍数可以为1.2～2.0倍。

需要说明的是，为了对燃气发生器30进行冷却，当燃气发生器30处于工作状态时，推力室33的内壁形成有冷却液膜，具体的，液膜燃料喷嘴312向推力室33的内壁喷射燃料以形成相对应的冷却液膜；另外，第一机匣70与第二机匣80内的气流可作用在燃气发生器30的外壁上以形成相应的冷却气膜。另外，当涡轮发动机100需要更高的点火温度时，燃气发生器30也可采用再生冷却或发汗冷却等其他冷却技术进行冷却。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包括：

机体，所述机体内形成有燃烧室，所述燃烧室的轴向一端装设有导向叶片件；

及燃气发生器，所述燃气发生器装设于所述燃烧室内；其中，所述燃气发生器内部形成有燃料腔、氧化剂腔及推力室，所述推力室通过所述导向叶片件的喷气通口与涡轮相通，所述燃料腔、所述氧化剂腔均与所述推力室相连通；

所述燃气发生器至少有两个，任意两个所述燃气发生器之间均相对称分布；所述燃烧室内还装设有至少两个火焰组件，各个所述火焰组件的两端均设置有所述燃气发生器，各个所述燃气发生器与各个所述火焰组件之间呈环形等间距分布于所述燃烧室内，且所述火焰组件与所述燃气发生器之间通过第一联焰管相连通；

所述燃料腔面向所述推力室的一侧开设有呈倾斜设置的碰撞燃料喷嘴；所述氧化剂腔面向所述推力室的一侧开设有呈倾斜设置的氧化剂喷嘴，且所述碰撞燃料喷嘴的倾斜方向与所述氧化剂喷嘴的倾斜方向相交叉于所述推力室内。

2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃气发生器的侧壁开设有与所述推力室相通的第一安装孔，所述第一联焰管的一端穿设于所述第一安装孔内并与所述推力室相通，所述第一联焰管的另一端连通于所述火焰组件的内部。

3.如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述火焰组件包括一个或多个火焰筒，各个所述火焰筒之间呈弧形等间距设置于所述燃烧室内，各个所述火焰筒之间通过第二联焰管相连通，且与所述燃气发生器相邻的火焰筒通过所述第一联焰管连通于所述推力室；所述火焰筒朝向所述导向叶片件的一侧形成有燃气通道，所述燃气通道与所述喷气通口相通。

4.如权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，所述火焰筒的侧面开设有稀释空气孔。

5.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃料腔面向所述推力室的一侧开设有呈倾斜设置的液膜燃料喷嘴，所述液膜燃料喷嘴朝向所述推力室的侧壁延伸设置。

6.如权利要求1-4任一项所述的涡轮发动机，其特征在于，所述机体包括：第一机匣与第二机匣，所述第一机匣设于所述第二机匣的内部空间内并与所述第二机匣相间隔形成所述燃烧室，且所述导向叶片件装设于所述第一机匣与所述第二机匣的同向端部。

7.一种自起动方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的涡轮发动机，所述自起动方法包括：

燃气发生器的燃料腔与氧化剂腔内分别注入含有催化剂的燃料与氧化剂，燃料腔内的燃料与氧化剂腔内的氧化剂同时喷出至推力室内，以使燃料与氧化剂进行互击式碰撞雾化，进而发生燃烧反应生成高温高压燃气；

大部分所述高温高压燃气通过所述喷气通口作用于涡轮以驱动所述涡轮做功，进而带动转子系统加速转动；同时，剩余的所述高温高压燃气通过第一联焰管流动至火焰组件内；

当所述转子系统的转速达到额定起动转速时，起动燃油系统，所述燃油系统开始向各个所述火焰组件供油，所述第一联焰管内的高温高压燃气点燃燃油，燃油燃烧所形成的燃气通过喷气通口作用于所述涡轮，以驱动所述涡轮做功；

当所述转子系统的转速达到预设倍数的自持转速时，所述燃气发生器停止工作，所述火焰组件单独驱动所述涡轮做功，直至所述转子系统的转速加速至慢车速度，完成起动。

8.如权利要求7所述的自起动方法，其特征在于，所述燃气发生器处于工作状态，所述推力室的内壁形成有冷却液膜。

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