CN114320660B

CN114320660B - 一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机

Info

Publication number: CN114320660B
Application number: CN202210005349.9A
Authority: CN
Inventors: 孙士珺; 刘艳明
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-01-05
Also published as: CN114320660A

Abstract

本发明公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的冲压发动机，属于冲压发动机技术领域。本发明包括进气道、轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶、前整流罩活门、后整流罩、双模态燃烧室、喷管调节机构、尾喷管。在前整流罩活门进口加装轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶。通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶具有轴向超音通流风扇模态、低反力度风扇模态两种模态，适应冲压发动机燃烧室对进口气流速度和压力的不同需求，改善冲压发动机低马赫数来流时推力不足的问题，拓宽冲压发动机高推力工作马赫数下限，实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

Description

一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机

技术领域

本发明涉及一种冲压发动机，尤其涉及一种基于轴向超音来流变几何风扇的冲压发动机，属于冲压发动机技术领域。

背景技术

高马赫数飞行器具有突防能力强、生存性高等优势。面向未来空天一体化，发展可水平起降、重复使用、临近空间高超声速巡航的飞行器势在必行，而这其中的动力系统是重中之重。目前，单一循环动力存在一定的性能和适用短板，例如：涡轮发动机具有高比冲的优势，但在飞行高度大于20km或飞行马赫数超过3时很难提供推力；而冲压发动机可接受的飞行马赫数较高(亚燃冲压的马赫数可达4～5，超燃冲压马赫数可达5～8)，但机动能力差，且需助推加速解决低速起动问题；火箭发动机虽然不受空域和速域的限制，但比冲低，成本高。涡轮冲压组合发动机具有工作范围大，飞行速域宽的特点，其飞行高度可实现地面到40公里甚至更高，飞行速度可实现从静止状态到8马赫以上的高超音速。另外，通过对多种组合动力方案性能对比研究可知，涡轮冲压组合发动机具有推重比大、比冲高的性能特征，加之具有可重复使用能力强的特点，其更具发展前景。然而，涡轮冲压组合动力在马赫数2.5～3.5速度范围内会出现推力不足的情况，涡轮发动机有效工作马赫数“上不去”、冲压发动机有效工作马赫数“下不来”，从而难以实现涡轮到冲压模态转换过程中推力的有效接力，即存在“推力鸿沟”，这是高马赫数组合动力面临的首要难题。亟需研发一种新型冲压动力装置，以解决常规冲压发动机低速段推力性能不足的问题，拓宽高推力工作马赫数下限，从而实现涡轮冲压组合发动机涡轮模态与冲压模态推力的无缝衔接。

发明内容

为解决涡轮冲压组合发动机在进行模态转换时存在的推力鸿沟问题，本发明主要目的是提供一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，能够拓宽冲压发动机高推力工作马赫数下限，实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，包括进气道、轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶、前整流罩活门、后整流罩、双模态燃烧室、喷管调节机构、尾喷管。前整流罩活门能够绕轴旋转，以调节风扇后超声速扩压段收缩程度。在前整流罩活门进口加装轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶。前整流罩活门与后整流罩调节机构共同调节进气道喉部面积，喷管调节机构用于调节喷管喉部通流面积。所述变几何风扇静叶在轴向超音通流模态下作为轴向超音通流风扇静叶使用，用于增加风扇出口气流的动能。所述变几何风扇静叶在低反力度风扇模态下作为内激波低反力度吸附式静叶使用，用于增加冲压发动机进气气流的总温、总压。所述双模态燃烧室在风扇轴向超音通流模态下作为超燃燃烧室使用。所述双模态燃烧室在低反力度风扇模态下作为亚燃燃烧室使用。

在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶处于轴向超音通流风扇模态，即变几何风扇静叶作为轴向超音通流风扇静叶使用，轴向超音通流风扇动叶和变几何风扇静叶进出口速度轴向分量均为超音速。通过轴向超音通流风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶扩张通道使得气流压力能略有下降，气流动能增大，进一步增大风扇出口速度。通过调整前整流罩活门来调节超音速扩压段收缩程度，从而控制风扇后气体扩压程度。气流在喉道处马赫数大于1，喉道后气流在扩张通道加速，同时双模态燃烧室切换到超燃模态，满足超燃燃烧室进口速度和压力需求。前整流罩和后整流罩之间的间隙形成扩张通道，部分气流流经此通道提供一部分推力。当风扇处于轴向超音通流模态下，通过风扇加功作用增加气流的动能，从而增加冲压发动机的比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶处于低反力度风扇模态，即变几何风扇静叶作为内激波低反力度吸附式静叶使用，变几何风扇静叶进口气流为轴向超音流态、出口气流为亚音速流态，通过风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶收缩通道通过复杂激波系将气流速度由超音速大幅降低为亚音速，气流动能下降，总温和总压急剧上升。由于变几何风扇静叶中气流的急剧减速扩压，不可避免会遭遇强激波与附面层干扰诱发的大尺度分离，通过端壁和叶表的附面层抽吸来抑制分离，有效增加变几何风扇静叶通道对气流扩压能力。通过调整前整流罩活门和后整流罩调节机构，一方面降低前整流罩与中心体形成通道的收缩度，以削弱气流在前整流罩区域的加速程度，保证喉部气流马赫数小于1，在喉部之后气流减速扩压，同时双模态燃烧室切换到亚燃模态，满足亚燃燃烧室进口速度和压力需求；另一方面使得前后整流罩形成的间隙成收敛形通道，将部分气流加速排出，从而为冲压发动机提供一部分推力。当风扇处于低反力度风扇模态下，风扇的加功扩压作用同时增加冲压发动机进气气流的总温、总压，大幅度提高冲压发动机比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的冲压发动机，在前整流罩活门进口加装轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶。通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶具有轴向超音通流风扇模态、低反力度风扇模态两种工作模态，以适应冲压发动机燃烧室对进口气流速度和压力的不同需求，能够显著改善常规冲压发动机低马赫数(马赫数为2.5～3.5)来流时推力不足的问题，拓宽冲压发动机高推力工作马赫数下限。

2、本发明公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的冲压发动机，轴向超音通流模态下变几何风扇静叶作为轴向超音通流风扇静叶使用，风扇对气流加功增加其出口速度，匹配超燃模态燃烧室，提高冲压发动机比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

3、本发明公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的冲压发动机，低反力度风扇模态下，变几何风扇静叶作为内激波低反力度吸附式静叶使用，通过轴向超音通流风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，通过低反力度吸附式静叶扩压作用同时增加冲压发动机进气气流的总温、总压，匹配亚燃冲压燃烧室，大幅度提高冲压发动机比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

附图说明

图1本发明的一种基于轴向超音来流风扇的冲压发动机结构示意图；

图2本发明的变几何风扇静叶处于轴向超音通流风扇模态下风扇B2B截面叶型示意图；

图3本发明的变几何风扇静叶处于轴向超音通流风扇模态下前整流罩活门和后整流罩子午面示意图；

图4本发明的变几何风扇静叶处于低反力度模态下风扇B2B截面叶型示意图；

图5本发明的变几何风扇静叶处于低反力度模态下前整流罩活门和后整流罩子午面示意图；

其中：1-进气道、2-轴向超音通流风扇动叶、3-变几何风扇静叶、4-前整流罩活门旋转轴、5-前整流罩活门、6-后整流罩、7-双模态燃烧室、8-后整流罩旋转轴、9-喷管调节机构、10-尾喷管。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，包括进气道1、轴向超音通流风扇动叶2、变几何风扇静叶3、前整流罩活门旋转轴4、前整流罩活门5、后整流罩6、双模态燃烧室7、后整流罩旋转轴8、喷管调节机构9、尾喷管10。

前整流罩活门5能够绕轴旋转，以调节风扇后超声速扩压段收缩程度。在前整流罩活门5进口加装轴向超音通流风扇动叶2、变几何风扇静叶3。前整流罩活门5与后整流罩6调节机构共同调节进气道喉部面积，喷管调节机构9用于调节喷管喉部通流面积。所述变几何风扇静叶3在轴向超音通流模态下作为轴向超音通流风扇静叶3使用，用于增加风扇出口气流的动能。所述变几何风扇静叶3在低反力度风扇模态下作为内激波低反力度吸附式静叶使用，用于增加冲压发动机进气气流的总温、总压。所述双模态燃烧室7在风扇轴向超音通流模态下作为超燃燃烧室使用。所述双模态燃烧室7在低反力度风扇模态下作为亚燃燃烧室使用。

本实例公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机的一种工作方法为：

在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，进气气流流经进气道1，通过斜激波系进行减速增压后，通过调整变几何风扇静叶3安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶2安装角和变几何风扇静叶3安装角，使变几何风扇静叶3处于轴向超音通流风扇模态，动静叶典型叶型如图2所示，即变几何风扇静叶3作为轴向超音通流风扇静叶使用，轴向超音通流风扇动叶2和变几何风扇静叶3进出口速度轴向分量均为超音速。通过轴向超音通流风扇动叶2加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶3扩张通道使得气流压力能略有下降，气流动能增大，进一步增大风扇出口速度。通过调整前整流罩活门5和后整流罩6，使其分别绕前整流罩活门旋转轴4和后整流罩旋转轴8旋转至如图3所示状态，以调节超音速扩压段收缩程度，从而控制风扇后气体扩压程度。气流在喉道处马赫数大于1，喉道后气流在扩张通道加速，同时双模态燃烧室7切换到超燃模态，满足超燃燃烧室进口速度和压力需求，通过调节喷管调节机构9来修正喉部面积使其满足喷管10排气需求。前整流罩活门5和后整流罩6之间的间隙形成扩张通道，部分气流流经此通道提供一部分推力。当风扇处于轴向超音通流模态下，通过风扇加功作用增加气流的动能，从而增加冲压发动机的比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

本实例公开的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机的另外一种工作方法为：

在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，进气气流流经进气道1，通过斜激波系进行减速增压后，通过调整变几何风扇静叶3安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶2安装角和变几何风扇静叶3安装角，使变几何风扇静叶3处于低反力度风扇模态，动静叶典型叶型如图4所示，即变几何风扇静叶3作为内激波低反力度吸附式静叶使用，变几何风扇静叶3进口气流为轴向超音流态、出口气流为亚音速流态，通过风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶3收缩通道通过复杂激波系将气流速度由超音速大幅降低为亚音速，气流动能下降，总温和总压急剧上升。由于变几何风扇静叶3中气流的急剧减速扩压，不可避免会遭遇强激波与附面层干扰诱发的大尺度分离，通过端壁和叶表的附面层抽吸来抑制分离，有效增加变几何风扇静叶通道对气流扩压能力。通过调整前整流罩活门5和后整流罩6，使其分别绕前整流罩活门旋转轴4和后整流罩旋转轴8旋转至如图5所示状态，一方面降低前整流罩与中心体形成通道的收缩度，以削弱气流在前整流罩区域的加速程度，保证喉部气流马赫数小于1，在喉部之后气流减速扩压，同时双模态燃烧室7切换到亚燃模态，满足亚燃燃烧室进口速度和压力需求，通过调节喷管调节机构9来修正喉部面积使其满足喷管10排气需求；另一方面使得前整流罩活门5和后整流罩6形成的间隙成收敛形通道，将部分气流加速排出，从而为冲压发动机提供一部分推力。当风扇处于低反力度风扇模态下，风扇的加功扩压作用同时增加冲压发动机进气气流的总温、总压，大幅度提高冲压发动机比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，其特征在于：包括进气道、轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶、前整流罩活门、后整流罩、双模态燃烧室、喷管调节机构、尾喷管；前整流罩活门能够绕轴旋转，以调节风扇后超声速扩压段收缩程度；在前整流罩活门进口加装轴向超音通流风扇动叶、变几何风扇静叶；前整流罩活门与后整流罩调节机构共同调节进气道喉部面积，喷管调节机构用于调节喷管喉部通流面积；所述变几何风扇静叶在轴向超音通流模态下作为轴向超音通流风扇静叶使用，用于增加风扇出口气流的动能；所述变几何风扇静叶在低反力度风扇模态下作为内激波低反力度吸附式静叶使用，用于增加冲压发动机进气气流的总温、总压；所述双模态燃烧室在风扇轴向超音通流模态下作为超燃燃烧室使用；所述双模态燃烧室在低反力度风扇模态下作为亚燃燃烧室使用。

2.如权利要求1所述的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，其特征在于：在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶处于轴向超音通流风扇模态，即变几何风扇静叶作为轴向超音通流风扇静叶使用，轴向超音通流风扇动叶和变几何风扇静叶进出口速度轴向分量均为超音速；通过轴向超音通流风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶扩张通道使得气流压力能略有下降，气流动能增大，进一步增大风扇出口速度；通过调整前整流罩活门来调节超音速扩压段收缩程度，从而控制风扇后气体扩压程度；气流在喉道处马赫数大于1，喉道后气流在扩张通道加速，同时双模态燃烧室切换到超燃模态，满足超燃燃烧室进口速度和压力需求；前整流罩和后整流罩之间的间隙形成扩张通道，部分气流流经此通道提供一部分推力；当风扇处于轴向超音通流模态下，通过风扇加功作用增加气流的动能，从而增加冲压发动机的比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。

3.如权利要求1或2所述的一种基于轴向超音来流变几何风扇的宽速域冲压发动机，其特征在于：在常规冲压发动机工作马赫数下限范围2.5～3.5来流条件下，通过调整变几何风扇静叶安装角或同时调整轴向超音通流风扇动叶安装角和变几何风扇静叶安装角，使变几何风扇静叶处于低反力度风扇模态，即变几何风扇静叶作为内激波低反力度吸附式静叶使用，变几何风扇静叶进口气流为轴向超音流态、出口气流为亚音速流态，通过风扇动叶加功增加气流的速度，进而增加气流动能，同时变几何风扇静叶收缩通道通过复杂激波系将气流速度由超音速大幅降低为亚音速，气流动能下降，总温和总压急剧上升；由于变几何风扇静叶中气流的急剧减速扩压，不可避免会遭遇强激波与附面层干扰诱发的大尺度分离，通过端壁和叶表的附面层抽吸来抑制分离，有效增加变几何风扇静叶通道对气流扩压能力；通过调整前整流罩活门和后整流罩调节机构，一方面降低前整流罩与中心体形成通道的收缩度，以削弱气流在前整流罩区域的加速程度，保证喉部气流马赫数小于1，在喉部之后气流减速扩压，同时双模态燃烧室切换到亚燃模态，满足亚燃燃烧室进口速度和压力需求；另一方面使得前后整流罩形成的间隙成收敛形通道，将部分气流加速排出，从而为冲压发动机提供一部分推力；当风扇处于低反力度风扇模态下，风扇的加功扩压作用同时增加冲压发动机进气气流的总温、总压，大幅度提高冲压发动机比冲、推力和总效率，从而实现涡轮发动机与冲压发动机模态转换时高推力的有效接力。