CN1354322A - 一种喷气旋转发动机 - Google Patents

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本发明给出一种喷气旋转发动机,其核心结构为一喷气转子(2),喷气旋转发动机的空气压缩装置(12)、燃烧室(13)以及喷射管(14)都设置在喷气转子(2)上。其工作原理,在喷气旋转发动机工作时,由转子喷射管(14)喷出的切向气流推动转子转动作功,从而把热能转化成机械能。

Description

一种喷气旋转发动机
本发明涉及一种喷气旋转发动机，属于动力工程，特别是发动机领域。
现有的发动机根据其热功转换装置不同可以分三大类：活塞式、涡轮式、喷气式。活塞式发动机的基本原理是高温气体在活塞内膨胀，并推动活塞作功，从而把热能转化为机械能。其典型机型是柴油机和汽油机，统称为内燃机。内燃机的出现已有一百多年的历史，其生产技术已非常成熟，并广泛用于各种动力领域，内燃机具有效率较高、运转可靠、起动停机方便、加速减速迅速、功率和转速调节运转范围宽的优点；直到现在，它仍然是汽车不可替代的动力。其缺点是污染高、噪音大、功率重量比较小。如何开发出一种污染小且性能优良，适应用汽车的新型发动机来取代以前的内燃机，是当今技术最迫切的问题之一。涡轮式发动机的基本原理是高温气体在流动通道内膨胀加速，高速气流推动涡轮旋转作功，从而把热能转化为机械能。涡轮发动机的典型代表是蒸气轮机和燃气轮机，蒸气轮机主要用于发电设备和大型动力，燃气轮机主要用于发电、大型船舶动力及航空领域。燃气轮机是最优秀的发动机之一，它具有运转平稳、排放污染极小、效率高的优点，其不足是速度和功率难以调节，小功率型难度较大，难以用于汽车发动机。喷气发动机的基本原理是高温气体在喷管内膨胀加速，并以高速喷出，同时高速气流对喷管产生反作用力推动飞行器作功，从而把热能转化为机械能。喷气发动机分为用于航空领域的空气喷气发动机和用于航天领域的火箭发动机两种。喷气发动机的优点是功率重量比大、结构简单可靠、效率高，特别适合用作高速飞行器动力，其不足是不能用于固定机械动力或低速车辆动力。
本发明给出一种喷气旋转发动机，其核心结构为一内设燃气通道和燃油通道的喷气转子(2)。其工作原理是由燃气通道的喷射管(14)喷出的切向气流推动转子转动作功，从而把热能转化成机械能。这种喷气旋转发动机既具有喷气发动机结构简单、功率重量比大的优点，又具有涡轮发动机运转平稳、排放污染小、效率高的优点，且可小型化。
喷气旋转发动机由机体(1)、喷气转子(2)、燃油系(3)、燃气系(4)、起动系(5)、功率输出装置(6)六部分构成。
喷气旋转发动机机体(1)的功能是给每一个部件提供安装位置，并把各部件连成一个整体。
喷气转子(2)的外形和质量分布相对于转轴严格对称，并具有足够大的结构强度，转子通过转轴、轴承安装在机体(1)上；在转子内部设有两条或两条以上相互之间分布对称的转子气路(7)和转子油路(8)；每条转子气路(7)由进气口(11)、离心空气压缩管(12)、燃烧室(13)、喷射管(14)四部分构成；进气口(11)在转子端面轴心附近，离心空气压缩管(12)连通进气口(11)和燃烧室(13)，燃烧室(13)在转子外侧，燃烧室(13)到轴心的距离远大于进气口(11)到轴心的距离，喷射管(14)的入口在燃烧室(13)，出口在转子侧面，喷射管(14)的中心线一般与转子切线平行，也可以跟转子切线有一小的夹角；燃烧室(13)和喷射管(14)的内壁衬有隔热耐温材料；转子油路(8)由进油孔(15)、离心燃油增压管(16)、喷油咀(17)三部分构成；进油孔(15)在转子轴心并通过转动密封件与供油管相连通，离心燃油增压管(16)连通进油孔(15)和喷油咀(17)，喷油咀(17)的开口在燃烧室(13)；以上方案适合于采用液体燃料的喷气旋转发动机；根据所用燃料不同，喷气转子(2)还有另外两种方案：一种是气体燃料式，其结构特点是没有转子油路(8)，气体燃料在进入转子前先与空气混合，再通过进气口(11)进入转子气路(7)；还有一种是火箭燃料式，其特点是自带有液体燃料和液体氧化剂，不需要空气即可工作，因而喷气转子(2)没有进气口(11)和离心空气压缩管(12)。火箭燃料式喷气旋转发动机的运转特性是燃烧室(13)的工作压力跟转速无关，喷气旋转发动机不需外加起动装置可自己起动。
燃油系(3)由燃油箱(21)、供油速度控制器(22)、供油管(23)、转子油路(8)几部分构成，供油速度控制器(22)能根据所发出的指令以及发动机运转工况给出合适的供油速度。
燃气系(4)的最完整组成方案由滤清器(31)、进气管(32)、前级空气压缩装置(33)、转子气路(7)、后级燃气能量转化装置(34)、排气管(35)构成；其中只有转子气路(7)是燃气系(4)不可缺少的核心部分；最简单的燃气系(4)结构方案仅有转子气路(7)构成；另外一种方案是燃气系(4)设有前级空气压缩装置(33)，但没有后级燃气能量转化装置(34)；前级空气压缩装置(33)的结构为一离心压缩机或轴流压缩机，它可以由喷气转子(2)驱动，也可以由后级燃气能量转化装置(34)驱动；后级燃气能量转化装置(34)可以为一涡轮机构，也可以为一活塞机构，其功能是把高压高速的燃气能量转化为机械功。后级燃气能量转化装置(34)与喷气转子(2)之间的气流参数耦合方式可以采用速度耦合，即喷气转子(2)喷出的气体压力基本等于大气压，燃气能量基本上以动能形式存在，后级能量转化装置(34)的作用是把燃气的动能转化为旋转功；也可以采用压力耦合，即转子(2)喷出的气体速度基本为零，压力大于大气压，后级燃气能量转化装置(34)的作用是把燃气的压力势能转化为旋转功。
起动系(5)由起动机(41)、起动电路(42)、点火器(43)构成；起动机(41)的作用是在喷气旋转发动机起动时驱动喷气转子(2)转动，并使喷气转子(2)获得起动所必要的初速度；点火器(43)装在燃烧室(13)内，起动电路(42)和点火器(43)的共同作用是在喷气旋转发动机起动时，给燃烧室(13)进行初始点火；当喷气旋转发动机起动之后正常运转时，起动系(5)停止工作。
功率输出装置(6)的方案有四种：一是由喷气转子(2)的转轴直接输出，即由喷气转子(2)的转轴直接或通过齿轮驱动负载，是最普通的输出方式；二是由后级燃气能量转化装置(34)输出，这种方案的特点是喷气转子(2)仅作为燃气发生装置工作，它所产生的高压燃气在后级燃气能量转化装置(34)中转化为机械能，并驱动负载作功；三是以螺旋桨的方式输出，这种方案的结构特点是喷气转子(2)本身就做成外形为螺旋桨状，燃烧室(13)和喷射管(14)就设在桨叶的外端，喷气旋转发动机工作时喷射管(14)直接推动螺旋桨转动；四是轴向推力输出，其结构特点是喷气转子(2)的喷射管(14)并不与转子切向平行，而是有一轴向分量，在喷气旋转发动机工作时，喷射管(14)喷出的气流除了有一切向推力推动转子转动外，还可产生一轴向推力。
喷气旋转发动机的核心构件是喷气转子(2)，在喷气转子(2)的内部要实现空气的压缩、燃油的增压、燃油与空气混合燃烧以及燃气膨胀高速喷出。由此可见，喷气旋转发动机的主要功能是在喷气转子(2)内完成的，所以喷气转子(2)的参数完全决定了喷气旋转发动机的性能参数。
理论分析表明，喷气旋转发动机最重要的结构参数有三个，一是燃烧室(13)转动线速度V，二是燃烧室(13)燃烧产物温度T，三是喷射管(14)临界截面面积Sκ；喷气旋转发动机的性能参数理想热功转化效率η和理想输出功率P可以表示为以上三个参数的函数，具体表示如下：η＝V2/(W0 2+V2)，P＝0.13Skρ0W0 3η(1-η-T0/T)/(1-η)5，其中，W0＝750米/秒，是标准状态下空气的最大喷射速度；ρ0＝1.3千克/立方米，是标准状态下空气的密度；T＝293K，是标准状态下空气温度。
由此可见，转子燃烧室(13)的转动线速度越大，燃烧产物温度越高，喷气旋转发动机性能越好。而燃烧室(13)最大允许转动线速度决定于转子的结构强度，燃烧产物的最高温度不能高于燃烧室(13)的耐温上限，这就要求喷气旋转发动机的喷气转子(2)应采用高比强材料，例如，高性能钛合金、碳纤维复合材料等，并且要求燃烧室(13)以及喷射管(14)应内衬耐高温材料，例如碳化硅、氮化硅、氧化铝等高性能陶瓷材料。
喷气旋转发动机由六个部件构成，每一个部件又有不同方案，这些方案可以组合出多种喷气旋转发动机方案，在下面的实施例中给出了这种组合的典型例子。
附图说明：
图一是喷气旋转发动机的喷气转子结构图；
图二是实施例一结构图；
图三是实施例二结构图；
图四是实施例三结构图；
图五是实施例四结构图；
图六是实施例五结构图；
图七是实施例六结构图。
实施例一：单转子轴输出喷气旋转发动机
结构：机体(1)、转子腔(9)、喷气转子(2)、燃油系(3)、燃气系(4)、起动系(5)。其结构特点是，转子类型为液体燃料型，燃气系(4)只有转子气路(7)构成，输出类型为转子转轴直接输出。
参数：临界截面面积Sk＝3平方厘米，额定转速n＝60000转/分，转子半径R＝13厘米，额定功率p＝100千瓦，气流量m＝0.43千克/秒，效率η＝41％，额定燃油速度G＝6克/秒。
实施例二：涡轮增压式喷气旋转发动机
结构：机体(1)、转子涡轮腔(9)、喷气转子(2)、燃油系(3)、起动系(5)、压缩叶轮(33)、涡轮(34)。其结构特点是，转子类型为液体燃料型，燃气系(4)包括前级压缩机(33)和后级燃气能量转化涡轮(34)，压缩机(33)由涡轮(34)驱动，功率由喷气转子(2)的转轴输出，喷气转子(2)与涡轮(34)之间的气流耦合为速度耦合，涡轮(34)为切向进流的涡轮。
参数：临界截面面积Sk＝3平方厘米，额定转速n＝60000转/分，转子半径R＝13厘米，额定功率p＝160千瓦，气流量m＝0.58千克/秒，效率η＝62％，额定燃油速度G＝6.5克/秒。
实施例三：涡轮输出式喷气旋转发动机
结构：机体(1)、转子腔(9)、喷气转子(2)、燃油系(3)、起动系(5)、涡轮(34)。其结构特点是，转子类型为液体燃料型，燃气系(4)包括前级压缩机(33)和后级燃气能量转化涡轮(34)，压缩机(33)由涡轮(34)驱动，功率由涡轮(34)输出。喷气转子(2)仅作为高压燃气发生器工作，喷气转子(2)与涡轮(34)之间的气流耦合为压力耦合。
参数：临界截面面积Sk＝3平方厘米，额定转速n＝60000转/分，转子半径R＝13厘米，额定功率p＝120千瓦，气流量m＝0.43千克/秒，效率η＝50％，额定燃油速度G＝6克/秒。
实施例四：火箭喷气螺旋桨
结构：喷气转子(2)外型为螺旋桨，所用燃料为液体火箭燃料，包括液体氧化剂和还原剂。这种形式的喷气旋转发动机结构非常简单，并且不需要起动装置可自己快速起动，适合于作为短时间飞行的飞行器动力。
实施例五：双转子喷气螺旋桨
结构：小转子(2)、大转子(34)、小转子腔(9)在大转子(34)的轴毂内，小转子(2)产生的高压燃气直接进入大转子(34)的燃气通道，并从大转子(34)的喷咀沿切向喷出。其结构特点是，具有一大一小两个转子，大转子(34)的外形为螺旋桨状，小转子(2)装入大转子(34)的轴毂内，小转子(2)运转时作为高压燃气发生器，大转子(34)利用小转子(2)产生的高压燃气工作。这种形式的喷气旋转发动机可以作为直升机螺旋桨。
参数：小转子临界截面面积Sk＝3平方厘米，小转子额定转速n1＝60000转/分，小转子半径R1＝13厘米，大转子额定转速n2＝600转/分，大转子半径R2＝5米，额定功率p＝44千瓦，气流量m＝0.50千克/秒，效率η＝35％，额定燃油速度G＝3克/秒。
实施例六：轴向推力式喷气旋转发动机
结构：机体(1)、喷气转子(2)、燃油系(3)、起动系(5)、转子喷射管(14)与切向的夹角为α。其结构特点是，喷气转子(2)的喷射管(14)并不与转子切向平行，而是有一轴向分量，在喷气旋转发动机工作时，喷射管(14)喷出的气流除了有一切向推力推动转子转动外，还可产生一轴向推力。这种形式的喷气旋转发动机可以作为小型飞行器的动力。
参数：临界截面面积Sk＝3cm2，额定转速n＝60000转/分，转子半径R＝13厘米，喷射管与转子切向夹角的正切为1/2，气流量m＝0.52千克/秒，额定燃油速度G＝0.9克/秒，额定推力F＝195牛顿。

Claims (2)

1.一种喷气旋转发动机，其特征在于，它由机体(1)、喷气转子(2)、燃油系(3)、燃气系(4)、起动系(5)、功率输出装置(6)六部分构成；
喷气转子(2)的外形和质量分布相对于转轴严格对称，并具有足够大的结构强度，转子通过转轴、轴承安装在机体(1)上；在转子内部设有两条或两条以上相互之间分布对称的转子气路(7)和转子油路(8)；每条转子气路(7)由进气口(11)、离心空气压缩管(12)、燃烧室(13)、喷射管(14)四部分构成；进气口(11)在转子端面轴心附近，离心空气压缩管(12)连通进气口(11)和燃烧室(13)，燃烧室(13)在转子外侧，燃烧室(13)到轴心的距离远大于进气口(11)到轴心的距离，喷射管(14)的入口在燃烧室(13)，出口在转子侧面，喷射管(14)的中心线一般与转子切线平行，也可以跟转子切线有一小的夹角；燃烧室(13)和喷射管(14)的内壁衬有隔热耐温材料；转子油路(8)由进油孔(15)、离心燃油增压管(16)、喷油咀(17)三部分构成；进油孔(15)在转子轴心并通过转动密封件与供油管相连通，离心燃油增压管(16)连通进油孔(15)和喷油咀(17)，喷油咀(17)的开口在燃烧室(13)；以上方案适合于采用液体燃料的喷气旋转发动机；根据所用燃料不同，喷气转子(2)还有另外两种方案：一种是气体燃料式，其结构特点是没有转子油路(8)，气体燃料在进入转子前先与空气混合，再通过进气口(11)进入转子气路(7)；还有一种是火箭燃料式，其特点是自带有液体燃料和液体氧化剂，不需要空气即可工作，因而喷气转子(2)没有进气口(11)和离心空气压缩管(12)；火箭燃料式喷气旋转发动机的运转特性是燃烧室(13)的工作压力跟转子转速无关，发动机不需外加起动装置可自己起动；
燃油系(3)由燃油箱(21)、供油速度控制器(22)、供油管(23)、转子油路(8)几部分构成，供油速度控制器(22)能根据所发出的指令以及喷气旋转发动机运转工况给出合适的供油速度；
燃气系(4)的最完整组成方案由空气滤清器(31)、进气管(32)、前级空气压缩装置(33)、转子气路(7)、后级燃气能量转化装置(34)、排气管(35)构成；其中只有转子气路(7)是燃气系(4)不可缺少的核心部分；最简单的燃气系(4)结构方案仅有转子气路(7)构成；另外一种方案是燃气系(4)设有前级空气压缩装置(33)，但没有后级燃气能量转化装置(34)；前级空气压缩装置(33)的结构为一离心压缩机或轴流压缩机，它可以由喷气转子(2)驱动，也可以由后级燃气能量转化装置(34)驱动；后级燃气能量转化装置(34)可以为一涡轮机构，也可以为一活塞机构，其功能是把高压高速的燃气能量转化为机械功，后级燃气能量转化装置(34)与喷气转子(2)之间的气流参数耦合方式可以采用速度耦合，即喷气转子(2)喷出的气体压力基本等于大气压，燃气能量主要以动能形式存在，后级能量转化装置(34)的作用是把燃气的动能转化为旋转功；也可以采用压力耦合，即转子(2)喷出的气体速度基本为零，压力大于大气压，后级燃气能量转化装置(34)的作用是把燃气的压力势能转化为旋转功；
起动系(5)由起动机(41)、起动电路(42)、点火器(43)构成；起动机(41)的作用是在喷气旋转发动机起动时驱动喷气转子(2)转动，并使喷气转子(2)获得起动所必要的初速度；点火器(43)装在燃烧室(13)内，起动电路(42)和点火器(43)的共同作用是在喷气旋转发动机起动时，给燃烧室(13)进行初始点火；当喷气旋转发动机起动之后正常运转时，起动系(5)停止工作；
功率输出装置(6)的方案有四种：一是由喷气转子(2)的转轴直接输出，即由喷气转子(2)的转轴直接或通过齿轮传动驱动负载，是最普通的输出方式；二是由后级燃气能量转化装置(34)输出，这种方案的特点是喷气转子(2)仅作为燃气发生装置工作，它所产生的高压燃气在后级燃气能量转化装置(34)中转化为机械能，并驱动负载作功；三是以螺旋桨的方式输出，这种方案的结构特点是喷气转子(2)本身就做成外形为螺旋桨状，燃烧室(13)和喷射管(14)就设在桨叶的外端，喷气旋转发动机工作时，喷射管(14)直接推动螺旋桨转动；四是轴向推力输出，其结构特点是喷气转子(2)的喷射管(14)并不与转子切向平行，而是有一轴向分量，在喷气旋转发动机工作时，喷射管(14)喷出的气流除了有一切向推力推动转子转动外，还可产生一轴向推力；
喷气旋转发动机的每个部件可以有不同方案，这些方案相互组合可以给出多种不同形式的喷气旋转发动机，每种组合的基本要求是各部件之间能够相互配合并能安装成一个谐调一致的整体；
2.根据权利要求1给出的一种喷气旋转发动机，其特征在于，参数之间的基本关系是η＝V2/(W0 2+V2)，P＝0.13Skρ0W0 3η(1-η-T0/T)/(1-η)5，其中，V为燃烧室(13)转动线速度；T为燃烧产物温度；Sκ为喷射管(14)临界截面面积；η为理想热功转化效率；P为发动机理想功率；ρ0为进气口(11)空气密度；T0为进气口(11)空气温度；W0为进气口(11)空气最大喷射速度。
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