CN115467759A - 一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机 - Google Patents
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Abstract
提供一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，是一种低涵道比涡扇发动机，包括压气机(1)，进气涵道(2)，主燃烧室(3)，涡轮(4)，旋转爆震加力燃烧室(5)，燃料和氧化剂二次补给装置(6)，值班起爆器(7)以及可调喷管(8)。本发明取消了物理内筒，能够避免热烧蚀问题，同样大大降低发动机结构重量。可调式气动中心体设计根据发动机不同工况适时调整“气动环形燃烧室”宽度；燃料氧化剂二次补给可改善旋转爆震波起爆性能且可作为二次加力。本发明能够充分利用爆震发动机和涡轮发动机的优势，对于降低油耗、提高航程、实现更高马赫数飞行、避免模态转换造成的“推力陷阱”具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机。
背景技术
爆震燃烧与传统爆燃模式下运行的现有燃烧室相比具有潜在的优势。理论上，爆震燃烧具有更大的释热强度和更小的熵增，可以显著增加燃烧产物的压力和温度。与传统的布莱顿循环相比，基于爆震的热力学循环的理论效率可提高近20-50％。近些年来，发展基于爆震燃烧的推进器被认为是一种能够提高航空航天推进系统性能的创新途径。爆震燃烧被定义为一个不稳定的过程，在此过程中，整个装置的平均总压力升高，并允许通过膨胀到初始压力来提取功。
目前传统的旋转爆震燃烧室通常由两个同心圆筒构成，分别称为外筒体和中心筒体，它们之间形成环形通道被称为环形燃烧室。由于其较好的环形结构，为该型燃烧室与涡轮发动机结合提供了可能。主要思路包括将旋转爆震燃烧室作为主燃烧室吹动涡轮做功和作为加力燃烧室直接提供推力。其中，影响爆震波动力学的几何参数包括环形燃烧室宽度、燃烧室总直径等。
研究表明，对于煤油、乙烯等胞格尺寸较大的燃料，在较小环形燃烧室宽度时表现出不稳定的爆震运行状态，甚至难以起爆爆震燃烧。且由于燃料胞格尺寸随当量比等操作条件的变化而改变，对于固定几何尺寸的环形爆震燃烧室而言，其稳定工作范围受限。此外，在爆震燃烧过程中，燃烧产物过高的热通量会导致内外壁面温度过高，这对燃烧室的高温防护和冷却带来了新的问题。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，以下简称为“爆震加力发动机”，是低涵道比涡扇发动机，包括压气机1，进气涵道2，主燃烧室3，涡轮4，值班起爆器7以及可调喷管8；其特征在于，还包含气动可调中心体的旋转爆震加力燃烧室5、燃料和氧化剂二次补给装置6；其中
压气机1位于爆震加力发动机的前端，包括低压压气机11和位于其后的高压压气机12；
经低压压气机11后，第一股气流流入内涵道21，继而提供给高压压气机12；第二股气流通过高压压气机12通道外侧的外涵道22流入后面的加力燃烧室5；
第一股气流通过高压压气机12进一步压缩后提供给主燃烧室3；
主燃烧室3位于高压压气机12后方；
等压燃烧产物依次通过主燃烧室3后方的高压涡轮41、高压涡轮41后方的低压涡轮42膨胀做功，并将高低压涡轮提取的功分别用于驱动高低压压气机做功；
通过内涵道21做功后的第一股气流一方面作为发动机动力来源，另一方面，该气流经气动中心体调节机构54加速后作为后面爆震加力燃烧室5的气动中心体；第二股气流通过外涵道22流入低压涡轮42后方的加力燃烧室5进行爆震增压燃烧；
旋转爆震加力燃烧室5包括外筒体51，油路组件52，喉道凸台53以及气动中心体调节机构54；
旋转爆震加力燃烧室外筒体51为发动机外涵道外侧圆柱形筒体，从低压涡轮42后端位置继续向后延伸至喷管处；
外涵道22内筒壁自高压压气机12前端向后延伸达到低压涡轮42后端位置后，继续向后延伸一段，之后，外涵道22内筒壁向外涵道22外筒壁突出，从而形成喉道凸台53，喉道凸台53为空心圆柱体形状，通过喉道凸台53的过渡部与外涵道22内筒壁固定连接并一体化，过渡部在外涵道22内筒壁后端与喉道凸台53前端之间，为圆环结构，圆环轴线与发动机轴线重合，圆环所处平面与发动机轴线垂直；喉道凸台53面向气动中心体一面形成凹腔；
油路组件52包括供油管路和燃油喷嘴，位于面对喉道凸台53的外涵道22外筒壁上，油路组件52与外涵道22外筒壁固定连接；燃油喷嘴采用离心式旋流雾化喷嘴，沿外涵道22外筒壁周向均匀分布，间距不宜过远；
气动中心体调节机构54为一收敛可调机构，包括调节片54a，作动筒54b以及连接铰链54c；调节片54a与外涵道22内筒的内壁活动连接，多个调节片54a在外涵道22内筒的内壁上沿周向均匀布置，相邻调节片54a的左右两侧分别与左侧、右侧的相邻调节片54a重叠覆压；调节片54a与外涵道22内筒的内壁活动连接的方式是调节片54a能够在其与发动机轴线形成的平面内转动；多个调节片54a周向布置在低压涡轮下游，该构造能够改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积；
作动筒54b的一端通过固定在外涵道22内筒的内壁上的连接铰链54c与外涵道22内筒的内壁活动连接；作动筒54b的另一端同样通过连接铰链54c与调节片54a活动连接；燃料和氧化剂二次补给装置6位于气动中心体调节机构上游、涡轮后位置，具体位于低压涡轮42与调节片54a之间，包括沿外涵道22内筒的内壁周向均匀布置的多组供气喷杆61和供油喷杆62；对于其中一组供气喷杆61和供油喷杆62：供气喷杆61一端固定在外涵道22内筒的内壁上，另一端为盲端，盲端上开有小气孔，供气喷杆61与外涵道22内筒的内壁面相垂直；供油喷杆62一端固定在外涵道22内筒的内壁上，另一端上安装雾化喷嘴，供油喷杆62与外涵道22内筒的内壁面相垂直；
值班起爆器7安装在旋转爆震加力燃烧室外侧，安装在外涵道22外筒的外壁上，并位于凸台喉道下游一定距离范围内，火花塞74安装在起爆管71盲端；值班起爆器7管道出口垂直于外桶体51，并向后方弯曲后平行延伸，与发动机轴线方向一致；在值班起爆器7盲端安装氧气喷注控制阀门72、燃料喷注控制阀门73以及火花塞74；其中，氧气喷注控制阀门72、燃料喷注控制阀门73为电磁阀门，安装在值班起爆器7后端；在值班起爆器7出口端安装有单向阀门75；
加力燃烧室后连接可调喷管8，可调喷管8位于加力燃烧室外筒体51的后端，是向内逐渐收缩的中空截圆锥体；加力燃烧室后连接可调喷管8出口面积可调。
在本发明的一个实施例中，从低压涡轮42往后，旋转爆震加力燃烧室外筒体51采用高温合金材料，与前面的发动机外壳体不是一体件。
在本发明的另一个实施例中，旋转爆震加力燃烧室外筒体51长度不低于500mm。
在本发明的又一个实施例中，喉道凸台53处形成的喉道径向宽度在2-8mm之间；喉道凸台53沿平行于发动机轴线的方向延伸长度5-10mm。
在本发明的再一个实施例中，其特征在于，值班起爆器7位于凸台喉道下游10-50mm。
还提供一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机工作方法，其基于上述基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，具体为：
低压压气机11后，分流通道根据发动机工作需求将空气按额定比例分为两股，其中第一股气流流入内涵道21；第二股气流同样自低压压气机11后，通过高压压气机12通道外侧的外涵道22流入后面的加力燃烧室5；
被压缩的第一股气流进入主燃烧室3，在主燃烧室3内实现等压燃烧，等压燃烧产物输出给高压涡轮41；
等压燃烧产物依次通过主燃烧室3后方的高压涡轮41、高压涡轮41后方的低压涡轮42膨胀做功，并将高低压涡轮提取的功分别用于驱动高低压压气机做功；
通过内涵道21做功后的第一股气流一方面作为发动机动力来源，另一方面，该气流经气动中心体调节机构54加速后作为后面爆震加力燃烧室5的气动中心体；第二股气流通过外涵道22流入低压涡轮42后方的加力燃烧室5进行爆震增压燃烧；
喉道凸台53一方面将外涵道气流加速到音速，防止爆震波回传引起压气机喘振或爆震波熄灭；另一方面，喉道凸台53有利于喉道处煤油燃料的穿透与掺混；另外，喉道凸台53面向气动中心体一面形成的凹腔诱导旋转爆震加力燃烧室内的气流形成低速回流区，形成的回流区可作为爆震形成阶段火焰的锚定点，避免在起爆阶段爆震波由于气流速度过高而无发稳定于燃烧室内；
燃油喷嘴采用离心式旋流雾化喷嘴，沿外涵道22外筒壁周向均匀分布，间距不宜过远，以保证相邻燃油喷嘴的雾化锥形区域能够重叠；调节燃油喷嘴型号与油压，保证实现一定范围内煤油的穿透性，确保更好的燃料雾化破碎效果与燃料掺混效果；
调节片54a与外涵道22内筒的内壁活动连接的方式是调节片54a能够在其与发动机轴线形成的平面内转动，转动角度根据爆震加力工作当量比、工作压力等确定，转动角度受控于作动筒54b的行程；多个调节片54a周向布置在低压涡轮下游，该机构位于低压涡轮42后，燃烧产物对涡轮膨胀做功完后，经过气动中心体调节机构54，形成一股气动中心体，气动中心体与爆震加力燃烧室外筒体51内壁形成气动环形燃烧室；
作动筒54b由活动活塞和筒体组成，发动机调节系统通过控制液压油的进出来控制作动筒行程；根据发动机工作状态改变，通过作动筒54b驱动调节片54a运动，改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积，进而改变中心体气流流速和气动中心体直径，从而更好地匹配发动机的不同工作状态；
供气喷杆61和供油喷杆62分别垂直于轴向来流方向喷注新鲜氧化剂与燃料，氧化剂与燃料分别由沿发动机内涵道外筒壁上布置的供气与供油管路提供；在某些不易起爆工况以及需要进一步加强推力工况下开启，燃料和氧化剂二次补给装置6能够改善爆震加力燃烧室工作性能并增加推力；
值班起爆器7通过将易爆燃料与氧气填充在小直径起爆管71中，由安装在起爆管71盲端的火花塞74点燃，形成一道爆震波射入旋转爆震加力燃烧室当中，起爆加力燃烧室爆震波；根据点火需要进行燃料氧化剂的重填与点火；氧气喷注控制阀门72、燃料喷注控制阀门73在发动机启动时由操作人员手动控制；起爆器7用到的氧气与燃料均来自于飞机自带的氧气与煤油；单向阀门75在压力高于额定压差下自动开启，避免预填充的燃料与氧化剂被主流空气引射走；
可调喷管8产生的高焓产物经由加力燃烧室后连接可调喷管8排出，产生高速气流，从而形成推力；加力燃烧室后连接可调喷管8出口面积可调，用以增强发动机不同工作条件下的适应能力，并增加发动机推力。
本发明的涡轮基爆震加力发动机由于使用了涡轮基旋转爆震加力发动机，能够有效利用旋转爆震发动机循环效率高和一次起爆高频连续工作等优点。基于爆震形式的增压燃烧对于降低油耗、提高航程、实现更高马赫数飞行、避免模态转换造成的“推力陷阱”具有重要意义。
本发明的有益效果如下：
1.在涡轮发动机外围布置有旋转爆震发动机，爆震燃烧室采用近似等容的爆震增压燃烧代替传统的等压燃烧，能够极大提高效率，增大推力降低耗油率。
2.采用气动中心体设计，避免了物理中心筒体烧蚀和热防护问题，此外极大降低了加力燃烧室结构重量，有利于提高发动机推重比。
3.可调式气动中心体，通过改变气动中心体与外筒体间的气动环形燃烧室宽度，配合可调喷管，以适应不同当量比范围内加力燃烧室正常起爆，并获得最佳推力。
4.通过在气动中心体内添加新鲜燃料可氧化剂，有助于改善某些难以起爆工况，并且可以作为二次加力，进一步增加发动机推力。
附图说明
图1为本发明基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机的剖面结构示意图；
图2为图1中虚线框A部放大图；
图3为图1中虚线框B部放大图。
其中，附图标记说明如下：
1 压气机 54 气动中心体调节机构
11 低压压气机 54a 调节片
12 高压压气机 54b 作动筒
2 进气涵道 54c 连接铰链
21 内涵道 6 燃料和氧化剂二次补给装置
22 外涵道 61 供气喷杆
3 主燃烧室 62 供油喷杆
4 涡轮 7 值班起爆器
41 高压涡轮 71 起爆管
42 低压涡轮 72 氧气喷注控制阀门
5 旋转爆震加力燃烧室 73 燃料喷注控制阀门
51 外筒体 74 火花塞
52 油路组件 75 单向阀门
53 喉道凸台 8 可调喷管
具体实施方式
为了使本发明的技术方案，工作过程及其有益效果更加明了，结合附图1-3，对本发明进行进一步更详细阐述。
本实施例一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机(以下简称为“爆震加力发动机”)为一低涵道比涡扇发动机，包括压气机1，进气涵道2，主燃烧室3，涡轮4，旋转爆震加力燃烧室5，燃料和氧化剂二次补给装置6，值班起爆器7以及可调喷管8。
压气机1位于爆震加力发动机的前端，包括低压压气机11和位于其后的高压压气机12。
低压压气机11后，分流通道根据发动机工作需求将空气按额定比例分为两股，其中第一股气流流入内涵道21，继而提供给高压压气机12；第二股气流同样自低压压气机11后，通过高压压气机12通道外侧的外涵道22流入后面的加力燃烧室5。
第一股气流通过高压压气机12进一步压缩后提供给主燃烧室3。
主燃烧室3位于高压压气机12后方。被压缩的第一股气流进入主燃烧室3，在主燃烧室3内实现等压燃烧，等压燃烧产物输出给高压涡轮41。
等压燃烧产物依次通过主燃烧室3后方的高压涡轮41、高压涡轮41后方的低压涡轮42膨胀做功(等压燃烧产物吹动涡轮做功)，并将高低压涡轮提取的功分别用于驱动高低压压气机(由于涡轮和压气机共轴的，涡轮转动就会带动压气机转动，低压涡轮与低压压气机共轴，高压涡轮与高压压气机共轴)做功。
通过内涵道21做功后的高速气流(第一股气流)，一方面作为发动机动力来源；另一方面，该高速气流经气动中心体调节机构54加速后作为后面爆震加力燃烧室5的气动中心体。第二股气流通过外涵道22流入低压涡轮42后方的加力燃烧室5进行爆震增压燃烧。由于爆震燃烧自带增压优势，无需很高的压比即可实现稳定工作。
如图1、2所示，旋转爆震加力燃烧室5包括外筒体51，油路组件52，喉道凸台53以及气动中心体调节机构54。外筒体51、油路组件52作为旋转爆震加力燃烧室5的部件为本领域技术人员熟知，不再累述。
旋转爆震加力燃烧室外筒体51为发动机外涵道外侧圆柱形筒体，从低压涡轮42后端位置继续向后延伸至喷管处。从低压涡轮42往后，旋转爆震加力燃烧室外筒体51采用高温合金材料，因此旋转爆震加力燃烧室外筒体5与前面的发动机外壳体不是一体件。由于爆震燃烧效率较高，旋转爆震加力燃烧室外筒体51长度不低于500mm即可。
外涵道22内筒壁自高压压气机12前端向后延伸达到低压涡轮42后端位置后，继续向后延伸一段，之后，外涵道22内筒壁向外涵道22外筒壁突出，从而形成喉道凸台53，实际上，喉道凸台53为空心圆柱体形状，通过喉道凸台53的过渡部与外涵道22内筒壁固定连接并一体化，过渡部在外涵道22内筒壁后端与喉道凸台53前端之间，实际为圆环，圆环轴线与发动机轴线重合，圆环所处平面与发动机轴线垂直。喉道凸台53一方面将外涵道气流加速到音速，防止爆震波回传引起压气机喘振或爆震波熄灭；另一方面，喉道凸台53有利于喉道处煤油燃料(煤油来自于油路组件52，在下文中有表述)的穿透与掺混。喉道凸台53处形成的喉道径向宽度在2-8mm之间(单指喉道宽度，范围在2到8mm之间均可)，使气流在最低工作流量下可以达到弱音速。喉道凸台53沿平行于发动机轴线的方向延伸长度5-10mm，延伸长度过长会导致内筒被爆震波烧蚀且干扰气动中心体调节作用。另外，喉道凸台53面向气动中心体一面形成的凹腔可以诱导旋转爆震加力燃烧室内的气流形成低速回流区，形成的回流区可作为爆震形成阶段火焰的锚定点，避免在起爆阶段爆震波由于气流速度过高而无发稳定于燃烧室内。
油路组件52包括供油管路和燃油喷嘴(该部件为本领域技术人员熟知)，位于面对喉道凸台53的外涵道22外筒壁上，油路组件52与外涵道22外筒壁固定连接。燃油喷嘴采用离心式旋流雾化喷嘴，沿外涵道22外筒壁周向均匀分布，间距不宜过远，以保证相邻燃油喷嘴的雾化锥形区域能够重叠。调节燃油喷嘴型号与油压，保证实现一定范围内煤油的穿透性，确保更好的燃料雾化破碎效果与燃料掺混效果。
气动中心体调节机构54为一收敛可调机构，如图2所示，包括调节片54a，作动筒54b以及连接铰链54c。调节片54a与外涵道22内筒的内壁活动连接，多个调节片54a在外涵道22内筒的内壁上沿周向均匀布置，相邻调节片54a的左右两侧分别与左侧、右侧的相邻调节片54a重叠覆压。调节片54a与外涵道22内筒的内壁活动连接的方式是调节片54a能够在其与发动机轴线形成的平面内转动，转动角度根据爆震加力工作当量比、工作压力等确定，转动角度受控于作动筒54b的行程。多个调节片54a周向布置在低压涡轮下游，形成类似于可调喷管结构，可改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积，该机构位于低压涡轮42后，燃烧产物对涡轮膨胀做功完后，经过气动中心体调节机构54(调节片54a的转动角度与所需的气动内筒直径有关)，可形成一股气动中心体，气动中心体与爆震加力燃烧室外筒体51内壁形成气动环形燃烧室。
作动筒54b的一端通过固定在外涵道22内筒的内壁上的连接铰链54c与外涵道22内筒的内壁活动连接。作动筒54b的另一端同样的通过连接铰链54c与调节片54a活动连接。作动筒54b由活动活塞和筒体组成，发动机调节系统通过控制液压油的进出来控制作动筒行程。根据发动机工作状态改变，通过作动筒54b驱动调节片54a运动，改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积，进而改变中心体气流流速和气动中心体直径，从而更好地匹配发动机的不同工作状态。作动筒为本领域技术人员熟知，不再累述。
燃料和氧化剂二次补给装置6位于气动中心体调节机构上游、涡轮后位置，具体位于低压涡轮42与调节片54a之间，包括沿外涵道22内筒的内壁周向均匀布置的多组供气喷杆61和供油喷杆62。以其中一组供气喷杆61和供油喷杆62为例进行介绍。供气喷杆61一端固定在外涵道22内筒的内壁上，另一端为盲端，盲端上开有小气孔，供气喷杆61与外涵道22内筒的内壁面相垂直。供油喷杆62一端固定在外涵道22内筒的内壁上，另一端上安装雾化喷嘴(雾化喷嘴为本领域技术人员熟知，不再累述)，供油喷杆62与外涵道22内筒的内壁面相垂直。供气喷杆61和供油喷杆62分别垂直于轴向来流方向喷注新鲜氧化剂与燃料，氧化剂与燃料分别由沿发动机内涵道外筒壁上布置的供气与供油管路提供。在某些不易起爆工况以及需要进一步加强推力工况下开启，燃料和氧化剂二次补给装置6能够改善爆震加力燃烧室工作性能并增加推力。
值班起爆器7安装在旋转爆震加力燃烧室外侧，安装在外涵道22外筒的外壁上，并位于凸台喉道下游10-50mm距离范围内，通过将易爆燃料与氧气填充在小直径起爆管71中，由安装在起爆管71盲端的火花塞74点燃，形成一道爆震波射入旋转爆震加力燃烧室当中，起爆加力燃烧室爆震波。值班起爆器7管道出口垂直于外桶体51，并向后方弯曲后平行延伸(与加力燃烧室外筒壁相平行)，与发动机轴线方向一致。如图3所示，在值班起爆器7盲端(即后端)安装氧气喷注控制阀门72、燃料喷注控制阀门73以及火花塞74，根据点火需要进行燃料氧化剂的重填与点火。其中，氧气喷注控制阀门72、燃料喷注控制阀门73为电磁阀门，安装在值班起爆器7后端，发动机启动时由操作人员手动控制。起爆器7用到的氧气与燃料均来自于飞机自带的氧气(一般飞机都会自带)与煤油(氧气与煤油从起爆管71远端通过电磁阀控制进入)。在值班起爆器7出口端(即前端)安装有单向阀门75，压力高于额定压差下自动开启，避免预填充的燃料与氧化剂被主流空气引射走。
加力燃烧室后连接可调喷管8，其结构与原理类似于现役涡喷发动机喷管，由调节机构与调节片组成(为本领域技术人员熟知，不再累述)，可调喷管8位于加力燃烧室外筒体51的后端，是向内逐渐收缩的中空截圆锥体，产生的高焓产物经由加力燃烧室后连接可调喷管8排出，产生高速气流，从而形成推力。加力燃烧室后连接可调喷管8出口面积可调，用以增强发动机不同工作条件下的适应能力，并增加发动机推力。
本发明采用爆震加力燃烧室，采用近似等容的爆震燃烧代替传统加力燃烧室的等压燃烧，可有效提高燃烧效率，降低耗油率，提高发动机推力性能；取消了物理内筒设计，采用气动中心体，减轻了发动机结构重量，增加推重比，还避免了复杂的热防护及冷却结构；带反应性气体和非反应性气体的可调气动中心体，一方面与外筒形成气动“可调气动环形燃烧室”增加了发动机对不同工况下适应能力，另一方面，在气动中心体内注入新鲜燃料与氧化剂，能够增加非反应性气动中心体难以启动爆震加力工况下的可爆性，并可作为二次加力进一步提升推力。
本发明提供一种小涵道比带连续旋转爆震加力燃烧室的涡扇发动机，包括低压压气机，高压压气机，联环型等压燃烧室，高压涡轮与低压涡轮，旋转爆震加力燃烧室、可调喷管等。旋转爆震加力燃烧室又包括外筒体组件，油路组件以及点火器。旋转爆震加力燃烧室外筒体为发动机外涵道外侧筒体，由低压涡轮后位置继续向后延伸至喷管处，采用耐高温合金材料。外涵道内筒体向外扩展形成喉道用于加速外涵道气流。在喉道处对应的外筒体一侧安装油路和煤油喷嘴，喷出的煤油在喉道处进行掺混进入加力燃烧室。加力燃烧室仅有外筒体而无物理内筒体。位于外筒体上，喉道后安装有值班点火器，用以对喷入的可燃气进行起爆，形成连续旋转爆震燃烧。
本发明提供一种基于可调气动中心体的爆震加力燃烧室，采用可调式气动中心体设计，取消了传统的物理中心筒体，一方面，避免了中心筒体高温散热问题，省去复杂的冷却以及热防防护设计，进一步减轻加力燃烧室结构重量。另一方面，物理内筒的取消，减弱了内壁面对爆震激波的反射，有利于爆震波的稳定传播。另外，采用可调式气动中心体设计，可以与外筒体形成“气动环形通道”，通过调节机构改变气动内筒直径进而改变气动燃烧室宽度相较于改变物理内筒直径更易操作，且不存在密封要求等问题。
本发明还提供一种可参与燃烧反应或非反应的气动中心体，通过控制安装在气动中心体来流通道内的燃料和氧化剂二次补给装置，气动中心体可以是参与燃烧气体或非参与燃烧气体。研究表明，采用带反应气的气动中心体相较于无反应形式的，可以进一步拓宽起爆范围，且可进一步补充燃料作为二次加力使用。
此外，本发明提供一种带反应性气体或非反应性气体的可调气动内筒。气动中心体调节机构为一收敛可调机构，由调节片，作动筒组成。调节片类似于可调喷管形式，可改变气流流道出口面积，对涡轮后燃气进行加速，可形成一股气动中心体，气动中心体与空筒加力燃烧室外筒壁形成气动环形燃烧室，根据发动机工作状态改变，通过作动筒驱动调节片运动改变中心体气流流速和气动中心体直径，进而更好的匹配发动机的不同工作状态。
位于气动中心体调节机构上游和涡轮后位置安装燃料与氧化剂供给装置，采用周向均匀布置的供油与供气喷杆。通过对向气动中心体中喷注新鲜燃料与氧化剂进行控制，实现带反应性气体或非反应气体的中心体设置。
Claims (6)
1.一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，以下简称为“爆震加力发动机”，是低涵道比涡扇发动机，包括压气机(1)，进气涵道(2)，主燃烧室(3)，涡轮(4)，值班起爆器(7)以及可调喷管(8)；其特征在于，还包含气动可调中心体的旋转爆震加力燃烧室(5)、燃料和氧化剂二次补给装置(6)；其中
压气机(1)位于爆震加力发动机的前端，包括低压压气机(11)和位于其后的高压压气机(12)；
经低压压气机(11)后，第一股气流流入内涵道(21)，继而提供给高压压气机(12)；第二股气流低压压气机(11)通过高压压气机(12)通道外侧的外涵道(22)流入后面的加力燃烧室(5)；
第一股气流通过高压压气机(12)进一步压缩后提供给主燃烧室(3)；
主燃烧室(3)位于高压压气机(12)后方；
等压燃烧产物依次通过主燃烧室(3)后方的高压涡轮(41)、高压涡轮(41)后方的低压涡轮(42)膨胀做功，并将高低压涡轮提取的功分别用于驱动高低压压气机做功；
通过内涵道(21)做功后的第一股气流一方面作为发动机动力来源，另一方面，该气流经气动中心体调节机构(54)加速后作为后面爆震加力燃烧室(5)的气动中心体；第二股气流通过外涵道(22)流入低压涡轮(42)后方的加力燃烧室(5)进行爆震增压燃烧；
旋转爆震加力燃烧室(5)包括外筒体(51)，油路组件(52)，喉道凸台(53)以及气动中心体调节机构(54)；
旋转爆震加力燃烧室外筒体(51)为发动机外涵道外侧圆柱形筒体，从低压涡轮(42)后端位置继续向后延伸至喷管处；
外涵道(22)内筒壁自高压压气机(12)前端向后延伸达到低压涡轮(42)后端位置后，继续向后延伸一段，之后，外涵道(22)内筒壁向外涵道(22)外筒壁突出，从而形成喉道凸台(53)，喉道凸台(53)为空心圆柱体形状，通过喉道凸台(53)的过渡部与外涵道(22)内筒壁固定连接并一体化，过渡部在外涵道(22)内筒壁后端与喉道凸台(53)前端之间，为圆环结构，圆环轴线与发动机轴线重合，圆环所处平面与发动机轴线垂直；喉道凸台(53)面向气动中心体一面形成凹腔；
油路组件(52)包括供油管路和燃油喷嘴，位于面对喉道凸台(53)的外涵道(22)外筒壁上，油路组件(52)与外涵道(22)外筒壁固定连接；燃油喷嘴采用离心式旋流雾化喷嘴，沿外涵道(22)外筒壁周向均匀分布，间距不宜过远；
气动中心体调节机构(54)为一收敛可调机构，包括调节片(54a)，作动筒(54b)以及连接铰链(54c)；调节片(54a)与外涵道(22)内筒的内壁活动连接，多个调节片(54a)在外涵道(22)内筒的内壁上沿周向均匀布置，相邻调节片(54a)的左右两侧分别与左侧、右侧的相邻调节片(54a)重叠覆压；调节片(54a)与外涵道(22)内筒的内壁活动连接的方式是调节片(54a)能够在其与发动机轴线形成的平面内转动；多个调节片(54a)周向布置在低压涡轮下游，该构造能够改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积；
作动筒(54b)的一端通过固定在外涵道(22)内筒的内壁上的连接铰链(54c)与外涵道(22)内筒的内壁活动连接；作动筒(54b)的另一端同样通过连接铰链(54c)与调节片(54a)活动连接；燃料和氧化剂二次补给装置(6)位于气动中心体调节机构上游、涡轮后位置，具体位于低压涡轮(42)与调节片(54a)之间，包括沿外涵道(22)内筒的内壁周向均匀布置的多组供气喷杆(61)和供油喷杆(62)；对于其中一组供气喷杆(61)和供油喷杆(62)：供气喷杆(61)一端固定在外涵道(22)内筒的内壁上，另一端为盲端，盲端上开有小气孔，供气喷杆(61)与外涵道(22)内筒的内壁面相垂直；供油喷杆(62)一端固定在外涵道(22)内筒的内壁上，另一端上安装雾化喷嘴，供油喷杆(62)与外涵道(22)内筒的内壁面相垂直；
值班起爆器(7)安装在旋转爆震加力燃烧室外侧，安装在外涵道(22)外筒的外壁上，并位于凸台喉道下游一定距离范围内，火花塞(74)安装在起爆管(71)盲端；值班起爆器(7)管道出口垂直于外桶体(51)，并向后方弯曲后平行延伸，与发动机轴线方向一致；在值班起爆器(7)盲端安装氧气喷注控制阀门(72)、燃料喷注控制阀门(73)以及火花塞(74)；其中，氧气喷注控制阀门(72)、燃料喷注控制阀门(73)为电磁阀门，安装在值班起爆器(7)后端；在值班起爆器(7)出口端安装有单向阀门(75)；
加力燃烧室后连接可调喷管(8)，可调喷管(8)位于加力燃烧室外筒体(51)的后端，是向内逐渐收缩的中空截圆锥体；加力燃烧室后连接可调喷管(8)出口面积可调。
2.如权利要求1所述的基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，其特征在于，从低压涡轮(42)往后，旋转爆震加力燃烧室外筒体(51)采用高温合金材料，与前面的发动机外壳体不是一体件。
3.如权利要求1所述的基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，其特征在于，旋转爆震加力燃烧室外筒体(51)长度不低于500mm。
4.如权利要求1所述的基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，其特征在于，喉道凸台(53)处形成的喉道径向宽度在2-8mm之间；喉道凸台(53)沿平行于发动机轴线的方向延伸长度5-10mm。
5.如权利要求1所述的基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，其特征在于，值班起爆器(7)位于凸台喉道下游10-50mm。
6.一种基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机工作方法，其基于如权利要求1所述的基于气动中心体的涡轮基爆震加力发动机，其特征在于，
低压压气机(11)后，分流通道根据发动机工作需求将空气按额定比例分为两股，其中第一股气流流入内涵道(21)；第二股气流同样自低压压气机(11)后，通过高压压气机(12)通道外侧的外涵道(22)流入后面的加力燃烧室(5)；
被压缩的第一股气流进入主燃烧室(3)，在主燃烧室(3)内实现等压燃烧，等压燃烧产物输出给高压涡轮(41)；
等压燃烧产物依次通过主燃烧室(3)后方的高压涡轮(41)、高压涡轮(41)后方的低压涡轮(42)膨胀做功，并将高低压涡轮提取的功分别用于驱动高低压压气机做功；
通过内涵道(21)做功后的第一股气流一方面作为发动机动力来源，另一方面，该气流经气动中心体调节机构(54)加速后作为后面爆震加力燃烧室(5)的气动中心体；第二股气流通过外涵道(22)流入低压涡轮(42)后方的加力燃烧室(5)进行爆震增压燃烧；
喉道凸台(53)一方面将外涵道气流加速到音速，防止爆震波回传引起压气机喘振或爆震波熄灭；另一方面，喉道凸台(53)有利于喉道处煤油燃料的穿透与掺混；另外，喉道凸台(53)面向气动中心体一面形成的凹腔诱导旋转爆震加力燃烧室内的气流形成低速回流区，形成的回流区可作为爆震形成阶段火焰的锚定点，避免在起爆阶段爆震波由于气流速度过高而无发稳定于燃烧室内；
燃油喷嘴采用离心式旋流雾化喷嘴，沿外涵道(22)外筒壁周向均匀分布，间距不宜过远，以保证相邻燃油喷嘴的雾化锥形区域能够重叠；调节燃油喷嘴型号与油压，保证实现一定范围内煤油的穿透性，确保更好的燃料雾化破碎效果与燃料掺混效果；
调节片(54a)与外涵道(22)内筒的内壁活动连接的方式是调节片(54a)能够在其与发动机轴线形成的平面内转动，转动角度根据爆震加力工作当量比、工作压力等确定，转动角度受控于作动筒(54b)的行程；多个调节片(54a)周向布置在低压涡轮下游，该机构位于低压涡轮(42)后，燃烧产物对涡轮膨胀做功完后，经过气动中心体调节机构(54)，形成一股气动中心体，气动中心体与爆震加力燃烧室外筒体(51)内壁形成气动环形燃烧室；
作动筒(54b)由活动活塞和筒体组成，发动机调节系统通过控制液压油的进出来控制作动筒行程；根据发动机工作状态改变，通过作动筒(54b)驱动调节片(54a)运动，改变内涵道燃烧产物气流流道出口面积，进而改变中心体气流流速和气动中心体直径，从而更好地匹配发动机的不同工作状态；
供气喷杆(61)和供油喷杆(62)分别垂直于轴向来流方向喷注新鲜氧化剂与燃料，氧化剂与燃料分别由沿发动机内涵道外筒壁上布置的供气与供油管路提供；在某些不易起爆工况以及需要进一步加强推力工况下开启，燃料和氧化剂二次补给装置(6)能够改善爆震加力燃烧室工作性能并增加推力；
值班起爆器(7)通过将易爆燃料与氧气填充在小直径起爆管(71)中，由安装在起爆管(71)盲端的火花塞(74)点燃，形成一道爆震波射入旋转爆震加力燃烧室当中，起爆加力燃烧室爆震波；根据点火需要进行燃料氧化剂的重填与点火；氧气喷注控制阀门(72)、燃料喷注控制阀门(73)在发动机启动时由操作人员手动控制；起爆器7用到的氧气与燃料均来自于飞机自带的氧气与煤油；单向阀门(75)在压力高于额定压差下自动开启，避免预填充的燃料与氧化剂被主流空气引射走；
可调喷管(8)产生的高焓产物经由加力燃烧室后连接可调喷管(8)排出，产生高速气流，从而形成推力；加力燃烧室后连接可调喷管(8)出口面积可调，用以增强发动机不同工作条件下的适应能力，并增加发动机推力。
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