CN114151230B - 一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法及冷却结构 - Google Patents

一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法及冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法，依据涡轮冲压组合发动机的待冷却壁面，将待冷却壁面划分为第一冷却区域、第二冷却区域、第三冷却区域，分隔涡轮冲压组合发动机的冷却通道，第一冷却区域用涡轮发动机燃油冷却，第二冷却区域用冲压发动机燃油和涡轮发动机燃油共同冷却，第三冷却区域用冲压发动机燃油冷却。还设计了冷却结构包括第一冷却结构及第二冷却结构，第一冷却结构用涡轮发动机燃油对第一冷却区域和第二冷却区域冷却，第二冷却结构用冲压发动机燃油对第二冷却区域和第三冷却区域冷却。本发明的冷却方法和冷却结构，在不使用冷却气的情况下确保其他器件冷却气的正常使用，还能在燃油进入燃烧室前提前升温，提高燃烧效率。

Description

一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法及冷却结构
技术领域
本发明涉及发动机冷却技术领域，具体为一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法及冷却结构。
背景技术
涡轮冲压组合发动机(TBCC发动机)是由涡轮发动机与冲压发动机一体化集成形成的型组合动力，其具有工作包线宽、经济性好、可自主起动加速等特点，是宽域巡航导弹、临近空间高速作战飞机和天地往返运输系统等宽域飞行器的理想动力装置之一，具有广泛的应用前景。
由于组合喷管的工作范围宽、落压比变化范围大，因此为了确保组合喷管的气动性能，组合喷管的流道壁面表面积需远高于常规发动机喷管，其也为组合喷管壁面的冷却设计带来了挑战。目前，是通过冷却气对其进行冷却的，但是由于冷却气量的限制以及高马赫数飞行时冷却气温度升高导致的冷却气品质的下降，因此常规的空气气膜冷却不能满足涡轮冲压组合发动机的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决组合喷管在工作中，由于组合喷管的工作范围宽、落压比变化范围大的原因，使得冷却气不能满足组合喷管的冷却要求，进而影响涡轮冲压组合发动机的正常工作问题，设计了一种全新的冷却方式及冷却结构。
实现发明目的的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法，依据涡轮冲压组合发动机的待冷却壁面，将待冷却壁面划分为第一冷却区域、第二冷却区域、第三冷却区域，并分隔涡轮冲压组合发动机的冷却通道。
其中第一冷却区域采用涡轮发动机燃油冷却，第二冷却区域采用冲压发动机燃油和涡轮发动机燃油共同冷却，第三冷却区域采用冲压发动机燃油冷却。
本发明通过对待冷却壁面不同区域采用涡轮发动机燃油和/或冲压发动机燃油进行冷却，通过燃油代替冷却气的冷却方式，一方面，在不使用冷却气的情况下，确保发动机或设备其他器件冷却气的使用；另一方面燃油在对待冷却壁面冷却后升温，进入燃烧室后能够更快的进行燃烧，能够提高燃烧效率。
本发明冷却方法的原理是：依据待冷却壁面将组合喷管的冷却腔进行分隔划分；通过将涡轮发动机燃油、冲压发动机燃油通过不同的管路与组合喷管的各冷却腔连接；在不同的发动机模态下，通过管路的切换，使冲压发动机或涡轮发动机与冷却腔连通后，输出燃油对待冷却壁面的不同区域进行冷却，然后将热交换后的燃油输入与冲压发动机或涡轮发动机对应的燃烧室使用。
在本发明的一个实施例中，上述第一冷却区域为涡轮发动机喷管流道对应的冷却区域；第三冷却区域为冲压发动机喷管流道对应的冷却区域；第二冷却区域为涡轮发动机与冲压发动机喷管共用流道对应的区域。
进一步的，上述冷却通道包括第一冷却通道、第二冷却通道，第一冷却通道与第二冷却通道的分隔位置在第二冷却区域对应的冷却范围内。
第二方面，本发明提供了一种涡轮冲压组合发动机的冷却结构，采用第一方面提供的冷却方法对涡轮冲压组合发动机进行冷却。冷却结构包括第一冷却结构及第二冷却结构，第一冷却结构用涡轮发动机燃油对第一冷却区域和第二冷却区域进行冷却，第二冷却结构用冲压发动机燃油对第二冷却区域和第三冷却区域进行冷却。
在本发明的一个实施例中，第一冷却结构包括涡轮冲压组合发动机上的第一冷却通道，第一冷却通道的前端经第一燃油管道与涡轮发动机燃油箱连通，第一燃油管道上设有第一单向阀；第一冷却通道的末端与涡轮燃烧室经第二燃油管道连通，第二燃油管道上设有第一控制阀。
进一步的，第二燃油管道上还设有涡轮燃油分布器。
进一步的，第二冷却结构包括涡轮冲压组合发动机上的第二冷却通道和涡轮冲压组合发动机上的第一冷却通道。
第一冷却通道的前端经第三燃油管路与冲压发动机燃油箱连通，第三燃油管路上设有第二控制阀；第一冷却通道的末端经第四燃油管路与第二冷却通道连通。
第二冷却通道的前端经第五燃油管路与冲压燃烧室连通，第五燃油管路上设有第三控制阀；第二冷却通道的末端经第六燃油管路与冲压发动机燃油箱连通，第六燃油管路上设有第四控制阀。
更进一步的，上述第四燃油管路和第五燃油管路与冲压燃烧室之间连接的管路上设有冲压燃油分布器。
更进一步的，上述涡轮冲压组合发动机的冷却通道包括第一冷却通道和第二冷却通道，第一冷却通道和第二冷却通道经位于冷却通道内的隔板分离，且隔板位于第二冷却区域范围内。
本发明通过对冷却结构进行设计，将涡轮发动机燃油箱和冲压发动机燃油箱经不同的管道与冷却通道中第一冷却通道和/或第二冷却通道连接，然后再分别连接至与涡轮发动机或冲压发动机分别对应的燃烧室中。通过发动机的不同工作状态，燃油从不同的燃油箱输出进入第一冷却通道和/或第二冷却通道内，与待冷却壁面的不同区域进行热交换，然后在输出至燃烧室中进行使用，一方面对在不使用冷却气的情况下实现对待冷却壁面进行冷却，另一方面提高燃油燃烧效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明涡轮冲压组合发动机的冷却方法及冷却结构的设计，使得组合喷管的冷却壁面不同区域采用涡轮发动机燃油和/或冲压发动机燃油进行冷却，通过燃油代替冷却气的冷却方式，一方面，在不使用冷却气的情况下确保发动机或设备其他器件冷却气的正常使用；另一方面燃油在对待冷却壁面冷却后升温，进入燃烧室后能够更快的进行燃烧，能够提高燃烧效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，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为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为实施例1的涡轮冲压组合发动机的冷却方法中对待冷却壁面的划分示意图；
图2为实施例1和实施例2中涡轮冲压组合发动机的组合喷管的冷却通道的分隔示意图；
图3为实施例2中涡轮冲压组合发动机的冷却结构的示意图；
其中，100.第一冷却区域；200.第二冷却区域；300.第三冷却区域；400.第一冷却通道；500.第二冷却通道；600.调节板；700.隔板；
1.第一燃油管道；2.涡轮发动机燃油箱；3.第一单向阀；4.涡轮燃烧室；5.第二燃油管道；6.第一控制阀；7.涡轮燃油分布器；8.第三燃油管道；9.冲压发送机燃油箱；10.第二控制阀；11.第四燃油管路；12.第五燃油管路；13.冲压燃烧室；14.第三控制阀；15.第六燃油管路；16.第四控制阀；17.冲压燃油分布器。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
本具体实施方式提供了一种涡轮冲压组合发动机的冷却方法，其是依据涡轮冲压组合发动机的待冷却壁面，如图1所示，将待冷却壁面划分为第一冷却区域100、第二冷却区域200、第三冷却区域300。
在一个实施例中，第一冷却区域100为涡轮发动机喷管流道对应的冷却区域；第三冷却区域300为冲压发动机喷管流道对应的冷却区域；第二冷却区域200为涡轮发动机与冲压发动机喷管共用流道对应的区域。
同时，依据待冷却壁面分隔涡轮冲压组合发动机的冷却通道。
在一个实施例中，上述冷却通道择优选择2个冷却通道，如图2所示，冷却通道包括第一冷却通道400、第二冷却通道500，第一冷却通道400与第二冷却通道500的分隔位置在第二冷却区域200对应的冷却范围内。
在本具体实施方式中，上述第一冷却区域100采用涡轮发动机燃油冷却，涡轮发动机燃油可输入第一冷却通道400对第一冷却区域100进行冷却。
第二冷却区域200采用冲压发动机燃油和涡轮发动机燃油共同冷却，可以通过将涡轮发动机燃油输入第一冷却通道400，将冲压发动机燃油输入第二冷却通道对第二冷却区域200进行冷却。
第三冷却区域300采用冲压发动机燃油冷却，根据冷却管路的设计，可以通过将冲压发动机燃油输入到第一冷却通道400，或第二冷却通道500，或先输入到第一冷却通道400再输入到第二冷却通道500对第三冷却区域300进行冷却。
本发明的设计主要在于：1.用燃油替代冷却气，以减少冷却气的消耗，同时提前对燃油进行加热提高燃烧效率；2.根据发送机不同的工作模态，合理选择燃油作为冷却介质；3.冷却区域的划分，避免涡轮发动机或冲压发送机不工作时仍需要使其其燃油的情况。
本发明通过对待冷却壁面不同区域采用涡轮发动机燃油和/或冲压发动机燃油进行冷却，通过燃油代替冷却气的冷却方式，一方面，在不使用冷却气的情况下，确保发动机或设备其他器件冷却气的使用；另一方面燃油在对待冷却壁面冷却后升温，进入燃烧室后能够更快的进行燃烧，能够提高燃烧效率。
上述冷却方法的冷却原理是：依据待冷却壁面将组合喷管的冷却腔进行分隔划分；通过将涡轮发动机燃油、冲压发动机燃油通过不同的管路与组合喷管的各冷却腔连接；在不同的发动机模态下通过管路的切换，使冲压发动机或涡轮发动机与冷却腔连通后，输出燃油对待冷却壁面的不同区域进行冷却，然后将热交换后的燃油输入与冲压发动机或涡轮发动机对应的燃烧室使用。
实施例2：
本具体实施方式提供了一种涡轮冲压组合发动机的冷却结构，采用实施例1的冷却方法对涡轮冲压组合发动机进行冷却。冷却结构包括第一冷却结构及第二冷却结构。
其中，第一冷却结构用涡轮发动机燃油对第一冷却区域100和第二冷却区域200进行冷却，第二冷却结构用冲压发动机燃油对第二冷却区域200和第三冷却区域300进行冷却。具体的，上述涡轮冲压组合发动机的冷却通道包括第一冷却通道400和第二冷却通道500，第一冷却通道400和第二冷却通道500经位于冷却通道内的隔板700分离，如图1和图2所示，隔板700位于第二冷却区域200范围内。
具体的，如图3所示第一冷却结构包括涡轮冲压组合发动机上的第一冷却通道400，第一冷却通道400的前端经第一燃油管道1与涡轮发动机燃油箱2连通，第一燃油管道1上设有第一单向阀3，单向阀3的设置能够避免涡轮发动机燃油在第一燃油管道1、第一冷却通道400、第二燃油管道5出现倒流的情况，对涡轮发动机燃油箱2内的燃油造成污染。第一冷却通道1的末端与涡轮燃烧室4经第二燃油管道5连通，第二燃油管道5上设有第一控制阀6，第一控制阀6能够根据涡轮冲压组合发动机的工作模态，选择开启或者关闭第一冷却结构上的各个管道。优选的，在第二燃油管道5上还设有涡轮燃油分布器7。
具体的，第二冷却结构包括涡轮冲压组合发动机上的第二冷却通道500和涡轮冲压组合发动机上的第一冷却通道400。第一冷却通道400的前端经第三燃油管路8与冲压发动机燃油箱9连通，第三燃油管路8上设有第二控制阀10；第一冷却通道400的末端经第四燃油管路11与第二冷却通道500连通。第二冷却通道500的前端经第五燃油管路12与冲压燃烧室13连通，第五燃油管路12上设有第三控制阀14；第二冷却通道500的末端经第六燃油管路15与冲压发动机燃油箱9连通，第六燃油管路15上设有第四控制阀16。
优选的，上述第四燃油管路11和第五燃油管路12与冲压燃烧室之间连接的管路上设有冲压燃油分布器17。
本实施例的冷却结构根据发动机的不同工作状态，如图1所示组合喷管根据喉道面积的控制规律，调节板600通过旋转调整调节板600在喉道内的位置，以改变喷管流道形状，在喉道面积调整过程中，会出现涡轮发动机单独工作、冲压发动机单独工作、涡轮发动机与冲压发动机共同工作三种状态，由于冷却过程是采用涡轮发动机和/或冲压发动机的燃油进行冷却，因此冷却结构的冷却方式也包括三种：
第一种冷却方式是：涡轮发动机单独工作时，也是喉道面积最大时，第一冷却区域100需要被冷却，此时第一控制阀6开启，其他控制阀均关闭，涡轮发动机燃油从涡轮发动机燃油箱2中输出，经第一燃油管道1进入第一冷却通道400内进行热交换，再从第二燃油管道5输出后进入涡轮燃烧室4进行使用。
第二种冷却方式是：冲压发动机单独工作时，也是喉道面积最小时，第三冷却区域300需要被冷却，由图1可知此时第二冷却区域200一部分的冷却范围位于第一冷却通道400内，另一部分的冷却范围位于第二冷却通道500内，因此需要使用第一冷却通道400和第二冷却通道500工作使用进行冷却，同时第一冷却通道400的冷却需求大于第二冷却通道500的需求，因此考虑使用冲压发动机燃油先进入第一冷却通道400中再进入第二冷却通道500中对第三冷却区域进行冷却。此时第一控制阀6、第四控制阀16关闭，第二控制阀10和第三控制阀15开启，其他控制阀关闭，冲压发动机燃油从冲压发动机燃油箱9输出进入第三燃油管路8→第一冷却通道400进行热交换→第四燃油管路11→第二冷却通道500进行热交换→第五燃油管路12→冲压燃烧室13中进行使用。
在此需要说明的是，也可以通过对管路进行设计，使冲压发动机燃油先进入第二冷却通道500中再进入第一冷却通道400中对第三冷却区域进行冷却；也可分别设计管路使冲压发动机燃油同时进入第二冷却通道500和第一冷却通道400中对第三冷却区域进行冷却。
第三种冷却方式是：涡轮发动机和冲压发动共同工作时，也是喉道面积位于最大面积和最小面积之间，此时第二冷却区域200和第三冷却区域300都要进行冷却。此时第一控制阀开启，并选择使用涡轮发动机燃油依次从涡轮发动机燃油箱2进入第一燃油管道1→输入第一冷却通道400进行热交换→第二燃油管道5→涡轮燃烧室4使用；第四控制阀16和第三控制阀15开启，第二控制阀10关闭，选择使用冲压发动机燃油依次经冲压发动机燃油箱9进入第六燃油管路15→第二冷却通道500进行热交换→第五燃油管路12→冲压燃烧室13中进行使用。
本发明通过对冷却结构进行设计，将涡轮发动机燃油箱和冲压发动机燃油箱经不同的管道与冷却通道中第一冷却通道400和/或第二冷却通道500连接，然后再分别连接至与涡轮发动机或冲压发动机分别对应的燃烧室中。通过发动机的不同工作状态，燃油从不同的燃油箱输出进入第一冷却通道400和/或第二冷却通道500内，与待冷却壁面的不同区域进行热交换，然后在输出至燃烧室中进行使用，一方面对在不使用冷却气的情况下实现对待冷却壁面进行冷却，另一方面提高燃油燃烧效率。
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。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种涡轮冲压组合发动机的冷却结构，采用如下冷却方法对涡轮冲压组合发动机进行冷却，其特征在于：所述冷却方法依据涡轮冲压组合发动机的待冷却壁面，将待冷却壁面划分为第一冷却区域、第二冷却区域、第三冷却区域，并分隔涡轮冲压组合发动机的冷却通道；所述冷却通道包括第一冷却通道、第二冷却通道，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道的分隔位置在所述第二冷却区域对应的冷却范围内；第一冷却区域采用涡轮发动机燃油冷却，第二冷却区域采用冲压发动机燃油和涡轮发动机燃油共同冷却，第三冷却区域采用冲压发动机燃油冷却；
冷却结构包括第一冷却结构及第二冷却结构，所述第一冷却结构用涡轮发动机燃油对第一冷却区域和第二冷却区域进行冷却，所述第二冷却结构用冲压发动机燃油对第二冷却区域和第三冷却区域进行冷却；
涡轮冲压组合发动机的冷却通道包括第一冷却通道和第二冷却通道，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道经位于冷却通道内的隔板分离，且所述隔板位于第二冷却区域范围内；
所述第一冷却结构包括所述第一冷却通道，所述第二冷却结构包括所述第二冷却通道和所述第一冷却通道；
所述第一冷却通道的前端经第一燃油管道与涡轮发动机燃油箱连通，所述第一燃油管道上设有第一单向阀；所述第一冷却通道的末端与涡轮燃烧室经第二燃油管道连通，所述第二燃油管道上设有第一控制阀；
所述第一冷却通道的前端经第三燃油管路与冲压发动机燃油箱连通，且所述第三燃油管路上设有第二控制阀；所述第一冷却通道的末端经第四燃油管路与第二冷却通道连通；
所述第二冷却通道的前端经第五燃油管路与冲压燃烧室连通，所述第五燃油管路上设有第三控制阀；所述第二冷却通道的末端经第六燃油管路与冲压发动机燃油箱连通，所述第六燃油管路上设有第四控制阀。
2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述第二燃油管道上还设有涡轮燃油分布器。
3.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述第四燃油管路和所述第五燃油管路与所述冲压燃烧室之间连接的管路上设有冲压燃油分布器。
4.根据权利要求1所述的涡轮冲压组合发动机的冷却结构，其特征在于：第一冷却区域为涡轮发动机喷管流道对应的冷却区域；第三冷却区域为冲压发动机喷管流道对应的冷却区域；第二冷却区域为涡轮发动机与冲压发动机喷管共用流道对应的区域。
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