一種航空、航天、航海于一體的混合發(fā)動機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)，更具體地說涉及一種沖壓發(fā)動機(jī)與燃料系統(tǒng)發(fā)動機(jī)混合的發(fā)動機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]航天飛機(jī)被認(rèn)為是一種可從普通機(jī)場起飛，輕松進(jìn)入軌道的飛行器，此前美國曾研發(fā)過空天飛機(jī)，由于技術(shù)原因空天飛機(jī)一直無法問世，其最大的難點(diǎn)在于動力系統(tǒng)?？仗祜w機(jī)需要穿越大氣層進(jìn)入軌道，因此需要吸氣式發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)，混合動力是空天飛機(jī)遲遲未能出現(xiàn)的技術(shù)瓶頸。
[0003]美國空軍研宄實(shí)驗(yàn)室目前正在研制可用于空天飛機(jī)的吸氣式火箭發(fā)動機(jī)，并且可能與英國的公司進(jìn)行合作，為未來的空天飛機(jī)提供動力。英國公司目前也正在研制空天飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)，其裝備的發(fā)動機(jī)為SABRE吸氣式火箭發(fā)動機(jī)，可像普通飛機(jī)那樣從機(jī)場起飛，然后通過組合動力加速至高超音速，最終達(dá)到入軌的速度，進(jìn)入軌道執(zhí)行各種任務(wù)。
[0004]SABRE吸氣式火箭發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是體積小、推力大，可在短時間內(nèi)加速到高超音速，屬于超燃沖壓發(fā)動機(jī)，支持超音速燃燒而不會熄火，因此這樣的發(fā)動機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)有著更強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢，空天飛機(jī)使用這樣的動力系統(tǒng)后，在大氣層內(nèi)可以通過吸氣支持燃燒，而不使用消耗大量推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機(jī)。
[0005]除了美國外，歐洲也有自己的空天飛機(jī)項目，比如歐洲空間局的Skylon空天飛機(jī)原型機(jī)，其裝備有兩臺SABRE吸氣式火箭發(fā)動機(jī)，具備高超音速的飛行能力，可輕松將速度提升到五倍音速以上。當(dāng)Skylon空天飛機(jī)將進(jìn)入100公里以上的外太空時，就會啟動火箭發(fā)動機(jī)，這時候飛行器的速度進(jìn)一步提升，滿足進(jìn)入軌道的要求。
[0006]沖壓發(fā)動機(jī)本身沒有活動的部分，氣流從前端進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動機(jī)之后，利用涵道截面積的變化，讓高速氣流降低，并且提高氣體壓力。壓縮過后的氣體進(jìn)入燃燒室，與燃料混合之后燃燒。由于沖壓發(fā)動機(jī)維持運(yùn)作的一個重要條件就是高速氣流源源不絕的從前方進(jìn)入，因此發(fā)動機(jī)無法在低速或者是靜止下繼續(xù)運(yùn)作，只能在一定的速度以上才可以產(chǎn)生推力。為了讓沖壓發(fā)動機(jī)加速到適合的工作速度，必須有其他的輔助動力系統(tǒng)自靜止或者是低速下提高飛行速度，然后才點(diǎn)燃沖壓發(fā)動機(jī)。
[0007]由于沒有活動組件，沖壓發(fā)動機(jī)與一般噴氣發(fā)動機(jī)比較起來，重量較低，結(jié)構(gòu)也比較簡單，不過沖壓發(fā)動機(jī)在低速時的氣體壓縮效果有限，因此低速時效率比較差。
[0008]沖壓噴氣發(fā)動機(jī)是一種利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機(jī)。它通常由進(jìn)氣道(又稱擴(kuò)壓器)、燃燒室、推進(jìn)噴管三部組成。沖壓發(fā)動機(jī)沒有壓氣機(jī)(也就不需要燃?xì)鉁u輪)，所以又稱為不帶壓氣機(jī)的空氣噴氣發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中減速，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能(例如進(jìn)氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍)。沖壓發(fā)動機(jī)的工作時，高速氣流迎面向發(fā)動機(jī)吹來，在進(jìn)氣道內(nèi)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后進(jìn)入燃燒室與燃油(一般為煤油)混合燃燒，將溫度提高到2000 — 2200°C甚至更高，高溫燃?xì)怆S后經(jīng)推進(jìn)噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機(jī)的推力與進(jìn)氣速度有關(guān)，如進(jìn)氣速度為3倍音速時，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過200千牛。
[0009]沖壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造簡單、重量輕、推重比大、成本低。但因沒有壓氣機(jī)，不能在靜止的條件下起動，所以不宜作為普通飛機(jī)的動力裝置，而常與別的發(fā)動機(jī)配合使用，成為組合式動力裝置。如沖壓發(fā)動機(jī)與火箭發(fā)動機(jī)組合，沖壓發(fā)動機(jī)與渦噴發(fā)動機(jī)或渦扇發(fā)動機(jī)組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器，在起飛時開動火箭發(fā)動機(jī)、渦噴或渦扇發(fā)動機(jī)，待飛行速度足夠使沖壓發(fā)動機(jī)正常工作的時，再使用沖壓發(fā)動機(jī)而關(guān)閉與之配合工作的發(fā)動機(jī)；在著陸階段，當(dāng)飛行器的飛行速度降低至沖壓發(fā)動機(jī)不能正常工作時，又重新起動與之配合的發(fā)動機(jī)。如果沖壓發(fā)動機(jī)作為飛行器的動力裝置單獨(dú)使用時，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時，才能將沖壓發(fā)動機(jī)起動后投放。
[0010]渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種，就必須遵循熱機(jī)的做功原則:在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)是相同的，都需要有進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發(fā)動機(jī)中這4個階段是分時依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機(jī)的各個部分，就對應(yīng)著活塞式發(fā)動機(jī)的四個工作位置。
[0011]空氣首先進(jìn)入的是發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道，當(dāng)飛機(jī)飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發(fā)動機(jī)，由于飛機(jī)飛行的速度是變化的，而壓氣機(jī)適應(yīng)的來流速度是有一定的范圍的，因而進(jìn)氣道的功能就是通過可調(diào)管道，將來流調(diào)整為合適的速度。在超音速飛行時，在進(jìn)氣道前和進(jìn)氣道內(nèi)氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機(jī)中的壓力提高倍數(shù)，因而產(chǎn)生了單靠速度沖壓，不需壓氣機(jī)的沖壓噴氣發(fā)動機(jī)。
[0012]進(jìn)氣道后的壓氣機(jī)是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機(jī)時，壓氣機(jī)工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時，壓氣機(jī)是氣流增壓的主要部件。
[0013]從燃燒室流出的高溫高壓燃?xì)?，流過同壓氣機(jī)裝在同一條軸上的渦輪。燃?xì)獾牟糠謨?nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)中，平衡狀態(tài)下氣流在渦輪中膨脹所做的功等于壓氣機(jī)壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經(jīng)過燃燒后，渦輪前的燃?xì)饽芰看蟠笤黾樱蚨跍u輪中的膨脹比遠(yuǎn)大于壓氣機(jī)中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機(jī)進(jìn)口高很多，發(fā)動機(jī)的推力就是這一部分燃?xì)獾哪芰慷鴣淼摹?br>[0014]從渦輪中流出的高溫高壓燃?xì)?，在尾噴管中繼續(xù)膨脹，以高速沿發(fā)動機(jī)軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)的速度大得多，使發(fā)動機(jī)獲得了反作用的推力。
[0015]一般來講，當(dāng)氣流從燃燒室出來時的溫度越高，輸入的能量就越大，發(fā)動機(jī)的推力也就越大。但是，由于渦輪材料等的限制，只能達(dá)到1650K左右，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)有時需要短時間增加推力，就在渦輪后再加上一個加力燃燒室噴入燃油，讓未充分燃燒的燃?xì)馀c噴入的燃油混合再次燃燒，由于加力燃燒室內(nèi)無旋轉(zhuǎn)部件，溫度可達(dá)2000K，可使發(fā)動機(jī)的推力增加至1.5倍左右。其缺點(diǎn)就是油耗急劇加大，同時過高的溫度也影響發(fā)動機(jī)的壽命，因此發(fā)動機(jī)開加力一般是有時限的，低空不過十幾秒，多用于起飛或戰(zhàn)斗時，在高空則可開較長的時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]針對沖壓噴氣發(fā)動機(jī)需要提供一定速度才能運(yùn)行，燃料發(fā)動機(jī)運(yùn)行效率低、能量損耗等問題，本發(fā)明提供一種混合發(fā)動機(jī)，在開始運(yùn)行時，啟動燃料系統(tǒng)發(fā)動機(jī)，當(dāng)運(yùn)行達(dá)到一定速度后，啟動沖壓發(fā)動機(jī)，同時設(shè)計能量利用裝置，將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，充分利用熱量，同時能夠增大發(fā)動機(jī)的推力。
[0017]本發(fā)明提供的第一種實(shí)施方案:
[0018]一種混合發(fā)動機(jī)，依次設(shè)有進(jìn)氣部分、沖壓部分、燃燒部分、增壓部分、噴氣部分、水-蒸汽轉(zhuǎn)化部分，其特征在于:進(jìn)氣部分包括空氣入口、空氣靜壓室和空氣出口，沖壓部分包括沖壓噴管、沖壓噴管控制閥、沖壓空氣噴口，燃燒部分包括燃料儲存箱、燃料噴嘴、助燃劑儲存箱、助燃劑噴嘴、燃燒室，增壓部分包括增壓室，噴氣部分包括尾噴口，水-蒸汽轉(zhuǎn)化部分包括水儲存箱、蒸汽生產(chǎn)室、蒸汽噴嘴、蒸汽出口；空氣出口連接沖壓噴管，沖壓空氣噴口與燃燒室連接或連通，燃燒室內(nèi)部側(cè)壁(或內(nèi)部側(cè)壁的四周)上設(shè)有燃料噴嘴和助燃劑噴嘴，燃燒室的出口端通向增壓室，增壓室的出口端和尾噴口鄰接或連通(即增壓室的出口與尾噴口相通)，蒸汽生產(chǎn)室圍繞沖壓部分、燃燒部分、增壓部分的外周設(shè)置，蒸汽噴嘴設(shè)置在增壓室的前端側(cè)壁上，水儲存箱設(shè)置在蒸汽生產(chǎn)室的外圍。
[0019]作為優(yōu)選，沖壓噴管的數(shù)量為1-200根，優(yōu)選2-100根，更優(yōu)選10_60根，例如15，20，30 根。
[0020]作為優(yōu)選，每一根沖壓噴管上設(shè)有沖壓噴管控制閥203。
[0021]作為優(yōu)選，燃料儲存箱的數(shù)量為1-10個，優(yōu)選1-8個，更優(yōu)選2-5個。
[0022]作為優(yōu)選，燃料噴嘴的數(shù)量為1-200個，優(yōu)選2-100個，進(jìn)一步優(yōu)選3_80個，更優(yōu)選4-60個。
[0023]作為優(yōu)選，助燃劑儲存箱的數(shù)量為1-10個，優(yōu)選1-8個，更優(yōu)選2-5個。
[0024]作為優(yōu)選，助燃劑噴嘴的數(shù)量為1-200個，優(yōu)選2-100個，進(jìn)一步優(yōu)選3_80個，更優(yōu)選 4-60 個，如 8，12，15，18，20，25，30 個。
[0025]作為優(yōu)選，蒸汽噴嘴的數(shù)量為1-200個，優(yōu)選2-100個，進(jìn)一步優(yōu)選3_80個，更優(yōu)選 4-60 個，如 8，12，15，18，20，25，30 個。
[0026]作為優(yōu)選，水儲存箱的數(shù)量為1-10個，優(yōu)選1-8個，更優(yōu)選2-5個。
[0027]作為優(yōu)選，蒸汽生產(chǎn)室對沖壓部分2、燃燒部分3和增壓部分4的外壁面積總和的覆蓋率為 30% -100%，優(yōu)選 50% -99.9%，更有選 60% -99%，如 80%。
[0028]作為優(yōu)選，水儲存箱對蒸汽生產(chǎn)室602的外壁面積的覆蓋率為30% _100%，