CN114562387A - 一种外置风扇式跨介质发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外置风扇式跨介质发动机，包括内涵道和外涵道，内涵道的前方设置有外置风扇，外涵道的外侧壁上设置有独立驱动外置风扇的电磁驱动结构，内涵道的前后开口设置有涵道密封结构，外置风扇的驱动轴上设置有离合控制结构。本发明的发动机可以往复跨越水空介质、重复使用：当在空气中推进的时候，内涵道的前后开口通过涵道密封结构打开，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构连接起来，外置风扇在驱动轴的带动下一起转动，推动空气产生推力；当进入水中推进的时候，将内涵道通过涵道密封结构封闭起来，让内涵道的内部机构停止工作，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构断开连接，外置风扇通过电磁驱动结构驱动水产生推力。

Description

一种外置风扇式跨介质发动机

技术领域

本发明涉及一种动力装置，属于发动机技术领域，尤其是一种可以往复跨越水空介质、重复使用的两用发动机，特别涉及一种外置风扇式跨介质发动机。

背景技术

跨介质发动机指的是可以跨越水空介质使用的发动机，装备有跨介质发动机的航行器既可以水下航行又能空中飞行。已有跨介质飞行器的通常航行方式是先在空中飞行一定距离后，降落到水面，在水面滑行一段距离后潜入水中，可以实现飞行模式、水面航行模式和水下潜行模式的快速转换。

例如，CN 110107401 A公开了了一种基于空水流道紧凑布局的跨介质飞航器动力装置，其包括主燃烧室，燃料在主燃烧室燃烧，并产生高温高压燃气；涡轮，由燃气推动；压气机，用于压缩空气；以及泵叶，用于加速水介质；其中，跨介质飞航器动力装置在空中飞行时以涡轮喷气推进模态工作，跨介质飞航器动力装置在水下潜航时以泵喷推进模态工作；以及压气机、涡轮和泵叶采用共轴结构。

该现有技术的动力装置是同轴串联安装了两台不同功能的发动机，一台在水中工作，另一台在空中工作，功能独立。空中工作时，水下用发动机封闭不工作，成为死重，增加了油耗降低了航程。水下工作时，空中用发动机封闭，也成为死重，一旦渗水则整个发动机精密核心部件就会损坏，而且水下推进还依赖另一种未公开的水下燃料在燃烧室内燃烧推进发动机工作，但是水下燃料如何排放废气等均没有得到有效解决，该现有技术的动力装置的实用性存在明显的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种外置风扇式跨介质发动机，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种外置风扇式跨介质发动机，包括内涵道和外涵道，内涵道的前方设置有外置风扇，内涵道中从前到后依次设置有压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气系统，其中，外涵道的外侧壁上设置有独立驱动外置风扇的电磁驱动结构，内涵道的前后开口设置有涵道密封结构，外置风扇的驱动轴上设置有离合控制结构；当在空气中推进的时候，内涵道的前后开口通过涵道密封结构打开，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构连接起来，外置风扇在驱动轴的带动下一起转动，推动空气产生推力；当进入水中推进的时候，将内涵道通过涵道密封结构封闭起来，让内涵道的内部机构停止工作，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构断开连接，外置风扇通过电磁驱动结构驱动水产生推力。

优选地，每个外置风扇的叶片顶部固定连接有一个永磁磁极，多个永磁磁极相互连接成环状设置在外涵道的侧壁上的一个环形缺口中运动。

优选地，环形缺口中设置有环形滑轨，环形滑轨固定连接在环形缺口中，并将环形缺口两侧的外涵道部件连接成一体；环形滑轨的上方设置有多个电磁驱动结构，永磁磁极可滑动地卡在环形滑轨的下方，永磁磁极和环形滑轨之间设置有环形轴承。

优选地，外置风扇的驱动轴为前后断开的结构，断开部位设置有离合控制结构，通过离合控制结构选择断开或者连接外置风扇和驱动轴之间的动力。

优选地，所述涵道密封结构包括分别环绕布置于发动机的头锥和尾椎的外侧的多个密封板，这些密封板靠近发动机中心轴的一端分别铰接在头锥和尾椎上，密封板的另一端分别通过伸缩杆撑开抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，密封板的外侧密封包裹有一层弹性密封膜；密封板收拢的时候露出内涵道，撑开的时候外侧边缘抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，同时将外侧的弹性密封膜撑开，从而将内涵道的前后开口通过弹性密封膜整体密闭。

优选地，涵道密封结构包括环绕布置于发动机的头锥和尾椎的外侧的多个密封板，这些密封板贴合在头锥和尾椎的外侧构成内侧导流通道的环形侧壁，密封板的内侧通过伸缩杆撑开抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，密封板的外侧密封包裹有一层弹性密封膜；密封板撑开时整体上抵顶在内涵道的前后开口的流道内壁面上，通过两端撑开的弹性密封膜将内涵道的前后开口通过弹性密封膜整体密闭。

优选地，相邻的两个密封板之间的缝隙中均设置有一块弹性牵引膜，每块弹性牵引膜的一侧连接弹性密封膜，另一侧分别与头锥和尾椎的表面固定连接。

优选地，所述涵道密封结构包括设置于内涵道的进气口位置的前密封结构和设置于内涵道的排气口位置的后密封结构。

优选地，所述前密封结构和后密封结构采用相同的结构。

优选地，发动机的头锥被外置风扇分割成了前后两个部分，外置风扇被夹持支撑在头锥的这两个部分之间，头锥的前半部分通过支撑结构固定在外涵道上，头锥的后半部分通过支撑结构固定在内涵道的内部，其外部构成了内涵道的流道内壁面。

本发明的发动机可以往复跨越水空介质、重复使用：当在空气中推进的时候，内涵道的前后开口通过涵道密封结构打开，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构连接起来，外置风扇在驱动轴的带动下一起转动，推动空气产生推力；当进入水中推进的时候，将内涵道通过涵道密封结构封闭起来，让内涵道的内部机构停止工作，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构断开连接，外置风扇通过电磁驱动结构驱动水产生推力。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1A-1C分别显示的是根据本发明的一个具体实施例的外置风扇式跨介质发动机的内涵道处于打开状态的局部剖开前侧示意图、局部剖开后侧示意图以及截面示意图。

图2A-2C分别显示的是根据本发明的另一个具体实施例的外置风扇式跨介质发动机的内涵道处于密封状态的局部剖开前侧示意图、局部剖开后侧示意图以及截面示意图。

图3显示的是根据本发明的一个具体实施例的前后密封结构以及电磁驱动结构的局部剖开示意图。

图4显示的是根据本发明的一个具体实施例的内涵道密封结构的局部剖开的放大示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

基于现有技术的缺陷，本发明提出了一种外置风扇式跨介质发动机，顾名思义，本发明的发动机带有外置的风扇，是由现有涡轮风扇发动机改进而来的跨介质发动机。现有的涡轮风扇发动机通常由压气机、燃烧室、高压涡轮（驱动压气机）、低压涡轮（驱动风扇）和排气系统组成，其动力特点是喷管喷射出的燃气与风扇排出的空气共同产生反作用推力。然而，普通的涡轮风扇发动机的压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮等都是空气中高温下运行的精密部件，不冷却是无法水下运行的，因而从空气到水下需要长时间的冷却过程，在军事用途上是十分低效而且危险的。

有鉴于此，本发明在现有涡轮风扇发动机的基础上，提出了一种改进结构的外置风扇式跨介质发动机，该发动机既可以在空气中推进又可以在水中推进使用。如图，本发明的外置风扇式跨介质发动机包括外涵道1和内涵道2，内涵道2的前方设置有外置风扇3，内涵道2内从前到后依次设置有压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气系统等常规结构（参见图1C和2C）。外涵道1的外侧壁上设置有独立驱动外置风扇3的电磁驱动结构5，内涵道2的前后开口设置有涵道密封结构6，外置风扇3的驱动轴9上设置有离合控制结构7（后面将对此进一步说明）。

本发明的外置风扇式跨介质发动机的基本工作原理是：当在空气中推进的时候，内涵道2的前后开口通过涵道密封结构6打开，外置风扇3和驱动轴9通过离合控制结构7连接起来，外置风扇3在驱动轴9的带动下一起转动，从而像普通涡扇航空发动机一样推动空气产生推力。当进入水中推进的时候，将内涵道2通过涵道密封结构6封闭起来，让内涵道2的内部机构停止工作，外置风扇3和驱动轴9通过离合控制结构7断开连接，外置风扇3通过电磁驱动结构5驱动水产生推力。

通过本发明的外置风扇式跨介质发动机的工作原理可以看出，当装备有本发明的外置风扇式跨介质发动机的航行器需要从水下进入空中飞行的时候，航行器可以先上浮到水面，使发动机脱离与水的接触，然后像普通涡扇航空发动机一样推动空气产生推力，航行器从水面滑行升空。当需要从空中进入水下潜行的时候，可以直接让发动机空中停车，内涵道2的内部机构停止工作，此时航行器可以直接钻入水中马上像潜艇一样注水下潜，外置风扇3在电磁驱动结构5的单独驱动下对水产生推力。

本发明的这种操作模式的好处是：在空气中运行的时候，作为水中推进主要结构的外置风扇3也会正常工作并产生推力，因而不会形成死重，提高了飞行时的燃油效率和推重比，有利于增大飞行航程。在进入水下运行的时候，内涵道2的前后通过涵道密封结构6封闭了起来，不用担心内部渗水而损坏高温精密部件，而且从水中上浮之后就可以立即操作升空，因为少量渗入的水在发动机点火过程中会迅速汽化排出，因而无需等待渗入的水完全排出，因此装备有本发明的发动机的航行器可以往复跨越水空介质，重复使用。

如图3所示，其显示了根据本发明的一个具体实施例的前后密封结构以及电磁驱动结构的局部剖开示意图。如图，每个外置风扇3的叶片顶部固定连接有一个永磁磁极31，多个永磁磁极31相互连接成环状设置在外涵道1的侧壁上的一个环形缺口33中运动，即，连接成环状的永磁磁极31可以在环形缺口33中运动。

如图1C，2C以及图3所示，外置风扇3的驱动轴9为前后断开的结构，断开部位设置有离合控制结构7，通过离合控制结构7可以选择断开或者连接外置风扇3和驱动轴9之间的动力，图示具体实施例中，驱动轴9为低压涡轮驱动轴。在一个具体实施例中，离合控制结构7可以采用电磁控制的离合器等。

进一步地，环形缺口33中设置有环形滑轨8，环形滑轨8通过螺栓等连接件固定连接在环形缺口33中，并将环形缺口33两侧的外涵道部件连接成一体。环形滑轨8的上方设置有多个电磁驱动结构5，永磁磁极31可滑动地卡在环形滑轨8的下方，永磁磁极31和环形滑轨8之间设置有环形轴承32。当驱动轴9的动力断开之后，可以通过环形滑轨8的外侧设置的电磁驱动结构5驱动永磁磁极31，进而带动外置风扇3单独转动。

外置风扇3由于同时具备由电磁驱动结构5独立驱动的功能，因而外置风扇3需要独立于驱动轴9进行支撑，从图1C，2C以及图3可以看出，发动机的头锥21被外置风扇3分割成了前后两个部分，外置风扇3被夹持支撑在头锥21的这两个部分之间，头锥21的前半部分通过支撑结构固定在外涵道1上，头锥21的后半部分通过支撑结构固定在内涵道2的内部，其外部构成了内涵道2的流道内壁面。因而本发明的发动机的头锥21是一个相对静止不转的结构，而现有技术的头锥是固定在驱动轴9上一起转动的，因而普通涡轮风扇发动机是不具备本发明的外置风扇独立驱动功能的。

进一步地，如前所述，普通的涡轮风扇发动机的高温精密部件不能在不冷却的状态下水下运行，因而为了避免这种缺陷，本发明的外置风扇式跨介质发动机需要将内涵道2的前后封闭起来。如图3-4所示，并参考图1A-2C，本发明的涵道密封结构6包括设置于内涵道2的进气口位置的前密封结构601和设置于内涵道2的排气口位置的后密封结构602，在图示具体实施例中，前密封结构601和后密封结构602可以采用原理相同但是设计略有不同的结构，当然，本领域技术人员也可以采用相同的设计来设置前密封结构601和后密封结构602。

下面以后密封结构602为例，详细说明本发明的涵道密封结构6的一个具体实施例，如图3-4所示，此时假定前密封结构601和后密封结构602采用相同的设计结构，都采用的是与图4所示的后密封结构602相同的结构。

如图4，本发明的涵道密封结构6可以包括分别环绕布置于发动机的头锥21和尾椎22的外侧的多个密封板61，这些密封板61靠近外置风扇式跨介质发动机中心轴的一端分别铰接在头锥21和尾椎22上，密封板61的另一端可以分别通过伸缩杆62撑开抵顶在内涵道2的前后开口的内壁面上，密封板61的外侧密封包裹有一层弹性密封膜63。密封板61类似于雨伞的骨架，收拢的时候露出内涵道2，撑开的时候外侧边缘抵顶在内涵道2的前后开口的内壁面上，同时将外侧的弹性密封膜63撑开，从而将内涵道2的前后开口通过弹性密封膜63整体密闭。

本发明的内涵道2的前后封闭的关键是在雨伞骨架形式的密封板61的外侧密封包裹了弹性密封膜63，弹性密封膜63的前后边缘均分别与头锥21和尾椎22的表面密封连接，弹性密封膜63将密封板61整体密封包裹了起来。无论是在空中还是水中，密封板61整体都是被弹性密封膜63与外界隔开的，密封板61内部的伸缩杆62以及液压驱动机构等都不用担心内部进水的问题。当密封板61撑开之后，弹性密封膜63中间被密封板61撑开拱起，实际上形成了两层密封膜，防水性能更好。弹性密封膜63被密封板61撑开之后，中间拱起的部分被密封板61抵顶在内涵道2的前后开口的内壁面上，弹性密封膜63被挤压在密封板61的端部和内涵道2之间，形成了一层弹性密封垫，可以进一步将密封板61和内涵道2之间的缝隙填满，进一步提升了防水效果。

进一步地，如图3-4所示，相邻的两个密封板61之间的缝隙中均设置有一块弹性牵引膜64，每块弹性牵引膜64的一侧连接弹性密封膜63，另一侧分别与头锥21和尾椎22的表面固定连接。图3为了便于显示弹性牵引膜64，在发动机的后部仅仅显示了弹性密封膜63和弹性牵引膜64的外形，内部的密封板61等结构没有显示出来。图4中由于需要显示密封板61的外观结构，密封板61外侧的弹性密封膜63省略没有画出。

弹性牵引膜64的一个作用是，当密封板61收拢的时候，弹性牵引膜64可以将弹性密封膜63从相邻的密封板61的缝隙中拉入到密封板61围绕的空间内部，以避免弹性密封膜63收拢时表面不可控的褶皱将密封板61卡住无法收拢。弹性牵引膜64的另外一个作用是，当发动机在空中推进的时候，内涵道2会产生高速气流，会在弹性密封膜63的表面形成极大的压力，弹性密封膜63在高速气流下可能会被气流的压力撕破，因而设置弹性牵引膜64可以将弹性密封膜63牢固的拉住，避免在高速气流的作用下破裂损坏或干扰内涵道进气流动。在一个优选实施例中，弹性牵引膜64的弹性系数需要大于弹性密封膜63的弹性系数。

进一步地，在图1A-2C以及图3中，本发明的涵道密封结构6的前密封结构610与图4所示的后密封结构602是略有不同的。下面以前密封结构601为例，详细显示本发明的涵道密封结构6的另一个具体实施例，如图1A-2C以及图3所示，此时假定前密封结构601和后密封结构602采用相同的设计结构，都采用的是图1A-2C以及图3所示的前密封结构601相同的结构。

如图1A-2C以及图3，本发明的涵道密封结构6可以包括环绕布置于发动机的头锥21和尾椎22的外侧的多个密封板61，这些密封板61可以贴合在头锥21和尾椎22的外侧构成内侧导流通道的环形侧壁，密封板61的内侧可以通过伸缩杆62撑开抵顶在内涵道2的前后开口的内壁面上，密封板61的外侧密封包裹有一层弹性密封膜63。与图4所示后密封结构602略有一点不同的是，前密封结构601的密封板61的一端没有铰接在头锥21上，所有密封板61的前后两端都是自由端，撑开的时候这些密封板61整体上均离开了头锥21和尾椎22的外侧，并在密封板61的前后两端均撑开了一层弹性密封膜63，撑开时密封板61整体上抵顶在内涵道2的前后开口的流道内壁面上，通过两端撑开的弹性密封膜63将内涵道2的前后开口通过弹性密封膜63整体密闭。

类似的，本实施例的前密封结构601也可以设置如图3所示的弹性牵引膜64。即，在相邻的两个密封板61之间的缝隙中均设置有一块弹性牵引膜64，每块弹性牵引膜64的一侧连接弹性密封膜63，另一侧分别与头锥21和尾椎22的表面固定连接。

本发明的涵道密封结构6的上述两种具体实施例的结构，可以选择任意一种应用于内涵道2的前后开口的密封上，可以是前密封结构和后密封结构采用相同的结构设计，也可以各选一种不同的结构。另外需要注意的是，选择本发明的任意一种涵道密封结构，发动机的头锥21和尾椎22都需要是相对静止不可转动的结构，否则涵道密封结构的各个部件在高速转动时会被惯性甩出而损坏。

通过对本发明的涵道密封结构6的介绍可以看出，本发明的内涵道2的前后封闭采用了弹性密封膜63，具备优异的密封效果，而且由于本发明的弹性密封膜63的密封效果太好，当需要从空中进入水中推进的时候，需要特别考虑内涵道2的内部机构的运转问题，即，如果内涵道2已经密封而内涵道2的内部机构仍然在转动，则在压气机的作用下，在内涵道2的进气口位置会形成巨大的吸力，出气口位置会形成巨大的推力，这两个力会破坏弹性密封膜63将其撕毁。为了避免这种情况的发生，本发明的外置风扇式跨介质发动机还需要设置有使内涵道2的内部机构停止转动的刹车机构（图中未示出）。通过设置使内涵道2的内部机构停止工作的刹车机构以及弹性密封膜63，装备有本发明的发动机的航行器可以直接跨越水空介质，无需降落水面等待内部冷却或排空内部渗水，大大提高了航行器的操控效能和躲避追踪的能力。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种外置风扇式跨介质发动机，包括内涵道和外涵道，内涵道的前方设置有外置风扇，内涵道中从前到后依次设置有压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气系统，其特征在于，外涵道的外侧壁上设置有独立驱动外置风扇的电磁驱动结构，内涵道的前后开口设置有涵道密封结构，外置风扇的驱动轴上设置有离合控制结构；当在空气中推进的时候，内涵道的前后开口通过涵道密封结构打开，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构连接起来，外置风扇在驱动轴的带动下一起转动，推动空气产生推力；当进入水中推进的时候，将内涵道通过涵道密封结构封闭起来，让内涵道的内部机构停止工作，外置风扇和驱动轴通过离合控制结构断开连接，外置风扇通过电磁驱动结构驱动水产生推力。

2.如权利要求1所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，每个外置风扇的叶片顶部固定连接有一个永磁磁极，多个永磁磁极相互连接成环状设置在外涵道的侧壁上的一个环形缺口中运动。

3.如权利要求2所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，环形缺口中设置有环形滑轨，环形滑轨固定连接在环形缺口中，并将环形缺口两侧的外涵道部件连接成一体；环形滑轨的上方设置有多个电磁驱动结构，永磁磁极可滑动地卡在环形滑轨的下方，永磁磁极和环形滑轨之间设置有环形轴承。

4.如权利要求1所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，外置风扇的驱动轴为前后断开的结构，断开部位设置有离合控制结构，通过离合控制结构选择断开或者连接外置风扇和驱动轴之间的动力。

5.如权利要求1所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，所述涵道密封结构包括分别环绕布置于发动机的头锥和尾椎的外侧的多个密封板，这些密封板靠近发动机中心轴的一端分别铰接在头锥和尾椎上，密封板的另一端分别通过伸缩杆撑开抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，密封板的外侧密封包裹有一层弹性密封膜；密封板收拢的时候露出内涵道，撑开的时候外侧边缘抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，同时将外侧的弹性密封膜撑开，从而将内涵道的前后开口通过弹性密封膜整体密闭。

6.如权利要求3所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，涵道密封结构包括环绕布置于发动机的头锥和尾椎的外侧的多个密封板，这些密封板贴合在头锥和尾椎的外侧构成内侧导流通道的环形侧壁，密封板的内侧通过伸缩杆撑开抵顶在内涵道的前后开口的内壁面上，密封板的外侧密封包裹有一层弹性密封膜；密封板撑开时整体上抵顶在内涵道的前后开口的流道内壁面上，通过两端撑开的弹性密封膜将内涵道的前后开口通过弹性密封膜整体密闭。

7.如权利要求5或6所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，相邻的两个密封板之间的缝隙中均设置有一块弹性牵引膜，每块弹性牵引膜的一侧连接弹性密封膜，另一侧分别与头锥和尾椎的表面固定连接。

8.如权利要求1所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，所述涵道密封结构包括设置于内涵道的进气口位置的前密封结构和设置于内涵道的排气口位置的后密封结构；所述前密封结构采用如权利要求6所述的涵道密封结构和/或所述后密封结构采用如权利要求5所述的涵道密封结构。

9.如权利要求8所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，所述前密封结构和后密封结构采用相同的结构。

10.如权利要求1所示的外置风扇式跨介质发动机，其特征在于，发动机的头锥被外置风扇分割成了前后两个部分，外置风扇被夹持支撑在头锥的这两个部分之间，头锥的前半部分通过支撑结构固定在外涵道上，头锥的后半部分通过支撑结构固定在内涵道的内部，其外部构成了内涵道的流道内壁面。

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