CN114607509A - 一种外转子发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外转子发动机，包括机匣、预冷器、外转子以及与所述外转子配合形成进气涵道的静子壳体，所述外转子的内侧设置有压气机，所述静子壳体内设有燃料喷嘴、散热器和用于驱动散热器内换热介质的涡轮泵，所述涡轮泵的进气口与位于所述压气机之后的主燃烧室连通，所述涡轮泵的出气口与位于所述压气机之前的进气涵道连通，所述预冷器与所述散热器连通，所述预冷器用于降低所述进气涵道中的空气。该外转子发动机对进入发动机的空气预冷效果好，结构紧凑，可以提高发动机的推重比和比冲。

Description

一种外转子发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种外转子发动机。
背景技术
随着飞行器的飞行速度越来越快，航空发动机的气动热问题显著——发动机进气总温大幅升高，导致发动机燃烧室温升降低，从而大幅度减小发动机的推重比和比冲。
为解决上述气动热问题，可以在发动机上加装高效换热器(称作“进气预冷器”或简称“预冷器”)，利用“相对低温”冷却介质对高温冲压空气进行冷却，空气经过预冷器后，气流总温大幅度下降，保证了燃烧室的正常工作和提升循环功，避免涡轮机的风扇和压气机受到气动加热的影响。
有的发动机系统非常复杂，换热器体积极其庞大，另外有的发动机的预冷系统是一个与主流道空气热力循环相互耦合的一个热机循环，在实际使用中会面临无法启动问题。
发明内容
本发明针对高速动力需求，为解决现有技术中预冷器体积过大和预冷系统循环结构过于复杂的问题，本发明提供一种外转子发动机，该外转子发动机对进入发动机的空气预冷效果好，结构紧凑，可以提高高速发动机的推重比和比冲。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种外转子发动机，包括机匣、预冷器、外转子以及与所述外转子配合形成进气涵道的静子壳体，所述外转子的内侧设置有压气机，所述静子壳体内设有燃料喷嘴、散热器和用于驱动散热器内换热介质的涡轮泵，所述涡轮泵的进气口与位于所述压气机之后的主燃烧室连通，所述涡轮泵的出气口与位于所述压气机之前的进气涵道连通，所述预冷器与所述散热器连通，所述预冷器用于降低所述进气涵道中的空气。
作为可选的方案，所述涡轮泵包括增压泵和用于驱动所述增压泵的空气涡轮，所述空气涡轮具有供燃料通过的第一中心腔体，所述增压泵与预冷器和散热器通过管路连通。
作为可选的方案，所述静子壳体上还设有第一喷口，所述第一喷口用于将燃料推进至所述主燃烧室；
所述静子壳体靠近尾端的位置还设有第二喷口和加力燃烧室，所述第二喷口用于将所述燃料推进至加力燃烧室。
作为可选的方案，沿着所述进气涵道方向，所述空气涡轮的第一中心腔体与主燃烧室的连通处位于所述第一喷口之前。
作为可选的方案，所述外转子通过轴承设置在所述机匣外侧，所述空气涡轮设置在所述静子壳体的内壁上。
作为可选的方案，所述静子壳体的头端和尾端均具有整流的锥状结构。
作为可选的方案，所述换热介质为液体，所述液体包括水、甲醇和乙二醇的至少一种。
作为可选的方案，所述发动机还包括设在所述空气涡轮与所述第一喷口之间的导向装置，所述导向装置用于将所述燃料导向至所述第一喷口；
所述导向装置包括第一导向段和第二导向段，所述第一导向段为沿所述燃料的推进方向延伸并向外扩张的结构，所述第一导向段与所述静子壳体的连接处位于所述第一喷口之前；
所述第二导向段与所述静子壳体的连接处位于所述第一喷口之后，所述第二导向段的外端沿与所述燃料的推进方向相反的方向向外伸出。
作为可选的方案，所述第二导向段的外端具有供所述燃料推进至所述静子壳体的尾端的喷口腔体。
作为可选的方案，所述第二导向段具有供所述燃料推进至所述静子壳体的尾端的第二中心腔体。
本发明的有益效果是：(1)预冷器换热介质为液体，换热能力远远大于气/气换热器，换热器结构紧凑，可以和涡轮发动机匹配；
(2)充分利用外转子发动机的特点，在发动机中心区域的空腔中，实现将散热器、增压泵、空气涡轮等一体布置的紧凑布局，发动机的结构紧凑，克服了现有技术中预冷器体积过大和预冷系统循环结构过于复杂的问题；
(3)预冷器及散热器循环回路并非复杂的热机循环，不存在启动问题；
该外转子发动机对进入发动机的空气预冷效果好，结构紧凑，降低成本，可以提高发动机的推重比和比冲。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的一些实施例，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它的附图，其中：
图1是本发明外转子发动机的结构示意图；
图2是本发明外转子发动机中空气流动和液氢运动、液氢燃烧运动的路径图；
图3是本发明外转子发动机中预冷器及散热器循环回路中气体流动的示意图。
图中：1、静子壳体，2、前支板，3、预冷器，4、中支板，5、轴承，6、外转子，7、主燃烧室，8、空腔，9、后支板，10、尾喷管，11、加力喷嘴，12、燃料喷嘴，13、散热器，14、第一喷口，15、增压泵，16、第一中心腔体，17、压气机，18、涡轮，19、空气流动方向箭头，20、燃料喷射方向箭头，21、散热器联管，22、预冷器联管，23、进气涵道，24、第一导向段，25、第二喷口，26、喷口腔体，27、加力燃烧室，28、第二导向段，29、空气涡轮。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，本发明的外转子发动机包括静子壳体1和机匣，静子壳体1外设置有预冷器3和外转子6，外转子6的内侧设置有压气机17，静子壳体1内设有燃料喷嘴12、散热器13和用于驱动散热器13内换热介质的涡轮泵，静子壳体1内形成有与预冷器3和散热器13连通的进气涵道23，外转子6与静子壳体1之间设置有主燃烧室7，主燃烧室7位于所述压气机17之后，主燃烧室7与进气涵道23连通。
优选的，涡轮泵包括增压泵15和用于驱动增压泵15的空气涡轮29，空气涡轮29具有供燃料通过的第一中心腔体16，增压泵15与预冷器3和散热器13通过管路连通，预冷器3上设置有预冷器联管22，散热器13上设置有散热器联管21，增压泵15同时与压气机17连通。
优选的，静子壳体1上还设有第一喷口14，第一喷口14用于将燃料推进至主燃烧室7，燃料经第一喷口14进入主燃烧室7；
静子壳体1靠近尾端的位置还设有第二喷口25和加力燃烧室27，第二喷口25用于将燃料推进至加力燃烧室27。
优选的，外转子6通过轴承5设置在静子壳体1外侧，空气涡轮29设置在静子壳体1的内壁上。
优选的，静子壳体1的头端和尾端均为锥状结构，可以减少空气阻力。
优选的，换热介质为液体，所述液体包括水、甲醇和乙二醇的至少一种。
优选的，还包括设在空气涡轮29与所述第一喷口14之间的导向装置，导向装置用于将所述燃料导向至所述第一喷口14；
导向装置具有第一导向段24和第二导向段28，第一导向段24为沿所述燃料的推进方向延伸并向外扩张的结构，第一导向段24与所述静子壳体1的连接处位于第一喷口14之前；
第二导向段28与所述静子壳体1的连接处位于第一喷口14之后，第二导向段28的外端沿与所述燃料的推进方向相反的方向向外伸出。
燃料经第一导向段24的导向引导和第二导向段28的反向阻挡，可以增加流速和压力，可以更快地进入第一喷口14和主燃烧室7。
优选的，第二导向段28的外端具有供燃料推进至所述静子壳体1的尾端的喷口腔体26，一部分燃料可以从喷口腔体26处进入静子壳体1的尾端，再进入加力燃烧室27。
优选的，机匣为筒状壳体，所述机匣依次设置有前支板2、中支板4和后支板9，预冷器3位于前支板2与中支板4之间，前支板2位于静子壳体1的头端，后支板9位于所述静子壳体1的尾端，后支板9上设置有尾喷管10和加力燃烧室27，尾喷管10与主燃烧室7通过管路连通，外转子6的一端的内壁与中支板4的外端之间设置有轴承5，外转子6的另一端的内壁与后支板9的外端之间设置有轴承5，外转子6的内侧设置有涡轮18。
优选的，散热器13位于燃料喷嘴12与压气机17之间，燃料喷嘴12与散热器13的位置相对。
优选的，前支板2、预冷器3和中支板4均可被气体通过，散热器13可被气体或雾状液体通过。
优选的，主燃烧室7位于压气机17与涡轮18之间。
优选的，后支板9上设置有多处加力喷嘴11，加力喷嘴11与加力燃烧室27连通。
本发明外转子发动机工作时，外部空气从发动机的前端包括前支板2处进入发动机，经过预冷器3降温后，依次经过压气机17、主燃烧室7、涡轮18，在主燃烧室7内与液氢燃料混合燃烧，然后一部分液氢燃料燃烧的高温气体进入尾喷管10向后高速喷出，推动发动机前进，一部分液氢燃料燃烧的高温气体进入加力燃烧室27从加力喷嘴11向后高速喷出，也推动发动机前进。发动机依靠预冷器3降低高速飞行时的进气温度，主燃烧室7的温升升高，从而加大发动机的推重比和比冲，实现航空器飞行速度的提升。本发明外转子发动机中燃料喷射的方向如图2中燃料喷射方向箭头20所示。
液氢燃料在发动机的前端附近从燃料喷嘴12向静子壳体1中间的空腔8区域喷出，经过散热器13，进入主燃烧室7进行燃烧再从尾喷管10向后高速喷出；根据实际需要，静子壳体中的一部分液氢燃料经涡轮18增压后进入加力燃烧室27，从加力喷嘴11喷出，推动发动机前进。本发明外转子发动机中空气流动的方向如图2中空气流动方向箭头19所示。
通过预冷器3和散热器13的设置使进入发动机的空气温度不会快速升高，可以解决高速发动机的气动热问题，把转子外置，充分利用发动机中间成近似圆筒形的空腔区域布置燃料喷嘴12、散热器13、预冷系统驱动装置增压泵15及对应的空气涡轮16、压气机17等，使得发动机的结构简单且紧凑，体积减小，成本相对降低，预冷器3及散热器13循环回路中的换热介质为液体，包括但不限于水、甲醇、乙二醇等冷却剂及其混合物，换热能力远远大于气/气换热器，换热器结构紧凑，可以和涡轮发动机匹配,预冷器3及散热器13循环回路中液体的驱动方式是依靠从压气机17后引一股高压气体，流经空气涡轮29驱动增压泵15来实现，该部分引气又从压气机17前位置重新进入压气机17，预冷器及散热器循环回路并非复杂的热机循环，不存在启动问题。空气经过预冷器后，气流总温大幅度下降，保证了燃烧室的正常工作和提升循环功，避免涡轮机的风扇和压气机受到气动加热的影响，同时提高气流对高温部件的冷却能力进而降低对冷却气量的需求，另外，预冷器还能够通过提高进气密度、增大进气质量流量的途径改善发动机的推力，从而扩展涡轮发动机的可工作范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种外转子发动机，其特征在于，包括机匣、预冷器、外转子以及与所述外转子配合形成进气涵道的静子壳体，所述外转子的内侧设置有压气机，所述静子壳体内设有燃料喷嘴、散热器和用于驱动散热器内换热介质的涡轮泵，所述涡轮泵的进气口与位于所述压气机之后的主燃烧室连通，所述涡轮泵的出气口与位于所述压气机之前的进气涵道连通，所述预冷器与所述散热器连通，所述预冷器用于降低所述进气涵道中的空气。
2.如权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，所述涡轮泵包括增压泵和用于驱动所述增压泵的空气涡轮，所述空气涡轮具有供燃料通过的第一中心腔体，所述增压泵与预冷器和散热器通过管路连通。
3.如权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，所述静子壳体上还设有第一喷口，所述第一喷口用于将燃料推进至所述主燃烧室；
所述静子壳体靠近尾端的位置还设有第二喷口和加力燃烧室，所述第二喷口用于将所述燃料推进至加力燃烧室。
4.如权利要求3所述的外转子发动机，其特征在于，沿着所述进气涵道方向，所述空气涡轮的第一中心腔体与主燃烧室的连通处位于所述第一喷口之前。
5.如权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，所述外转子通过轴承设置在所述机匣外侧，所述空气涡轮设置在所述静子壳体的内壁上。
6.如权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，所述静子壳体的头端和尾端均具有整流的锥状结构。
7.如权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，所述换热介质为液体，所述液体包括水、甲醇和乙二醇的至少一种。
8.如权利要求3所述的外转子发动机，其特征在于，所述发动机还包括设在所述空气涡轮与所述第一喷口之间的导向装置，所述导向装置用于将所述燃料导向至所述第一喷口；
所述导向装置包括第一导向段和第二导向段，所述第一导向段为沿所述燃料的推进方向延伸并向外扩张的结构，所述第一导向段与所述静子壳体的连接处位于所述第一喷口之前；
所述第二导向段与所述静子壳体的连接处位于所述第一喷口之后，所述第二导向段的外端沿与所述燃料的推进方向相反的方向向外伸出。
9.如权利要求8所述的外转子发动机，其特征在于，所述第二导向段的外端具有供所述燃料推进至所述静子壳体的尾端的喷口腔体。
10.如权利要求9所述的外转子发动机，其特征在于，所述第二导向段具有供所述燃料推进至所述静子壳体的尾端的第二中心腔体。
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