一種分布式壓縮、旋流沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，具體為一種分布式壓縮、旋流沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)伴隨著發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)走過(guò)了百年的輝煌歷程。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，性能水平獲得了巨大提高。其中，世界在役軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已從2提高到7-9，總增壓比提高到25-45，不加力耗油率已從1.0?1.2kg /(daN?h)下降到0.6?0.7kg / (daN?h)。在研軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)9?11，已投入使用；民用高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力已超過(guò)57000daN，巡航耗油率已從20世紀(jì)50年代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的1.0 kg / (daN*h)下降到0.55 kg / (daN*h)，噪聲下降20dB，N0X下降45%:研制中的齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比已達(dá)11，油耗可再降9%。在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的同時(shí)，其可靠性、耐久性、環(huán)保性、適用性和經(jīng)濟(jì)性也有很大改善。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)更富創(chuàng)新性，更具競(jìng)爭(zhēng)力。
[0003]以F119、EJ200為標(biāo)志的第4代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和未來(lái)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能幾乎已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)完美的程度，要想進(jìn)一步提高航空燃?xì)廨啓C(jī)的性能，就必須提高壓比和渦輪前溫度，但提高是有限度的。圍繞著壓比、渦輪前溫度這二個(gè)指標(biāo)的研發(fā)方向，會(huì)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越復(fù)雜，過(guò)度復(fù)雜就會(huì)走向反面，走向死亡。因此，必須掌握21世紀(jì)航空動(dòng)力最前沿的關(guān)鍵技術(shù)，探索新原理、新技術(shù)，才能研發(fā)更高性能的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0004]航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)難度大，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。一臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括數(shù)以萬(wàn)計(jì)的零件，其中更有復(fù)雜的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其工作條件惡劣，因此對(duì)材料和加工要求苛刻。
[0005]沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、推重比大、速度快、效率高、故障少、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其無(wú)法在地面靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)，需用其他發(fā)動(dòng)機(jī)作為助推器，待其達(dá)到一定的飛行速度后才能有效工作，因此，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法單獨(dú)作為普通飛機(jī)的動(dòng)力裝置，應(yīng)用范圍受到極大限制，現(xiàn)僅用于導(dǎo)彈和靶機(jī)上。同時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)飛行狀態(tài)的改變較敏感，當(dāng)在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)飛行時(shí)，要對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣使得進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時(shí)，由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度高，難以設(shè)計(jì)，現(xiàn)有材料壽命很難達(dá)到其使用要求，若希望通過(guò)增加渦輪前溫度以提高其性能，難度較大。
[0006]沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)雖然可與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合，以作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用，但與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)配合的發(fā)動(dòng)機(jī)僅在飛機(jī)起飛、降落和低速飛行時(shí)工作，這種組合式動(dòng)力裝置喪失了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分優(yōu)點(diǎn)。
[0007]因此，迫切需要一種新的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，以解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對(duì)現(xiàn)有的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不能自身起動(dòng)，需要助推器加速到一定速度才能工作，且對(duì)飛行狀態(tài)的改變較敏感，而其與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)，又喪失了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)大部分優(yōu)點(diǎn)的問(wèn)題，提供一種分布式壓縮、旋流沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明采用換熱氣體加熱、冷卻循環(huán)推動(dòng)渦輪，并充分利用沖壓氣流的能量，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率，降低了成本，利用旋流沖壓，解決了現(xiàn)有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不能低速啟動(dòng)和適應(yīng)各種工況的問(wèn)題。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)啟動(dòng)，并能適應(yīng)各種工況，具有較好的應(yīng)用前景。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種分布式壓縮、旋流沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，包括渦輪機(jī)系統(tǒng)、機(jī)匣、旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、蓄能器、電動(dòng)壓縮栗、用于帶動(dòng)電動(dòng)壓縮栗工作的電動(dòng)機(jī)、燃燒室、設(shè)置在燃燒室內(nèi)的燃油噴嘴、與燃燒室相連的尾噴管，所述渦輪機(jī)系統(tǒng)為若干個(gè)，所述渦輪機(jī)系統(tǒng)包括離心壓氣機(jī)、渦輪，所述離心壓氣機(jī)與渦輪同軸相連；所述旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器依次設(shè)置在機(jī)匣內(nèi)，所述燃燒室設(shè)置在機(jī)匣的尾端；
所述離心壓氣機(jī)與機(jī)匣內(nèi)的旋流發(fā)生器相連，經(jīng)離心壓氣機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入的空氣能進(jìn)入旋流發(fā)生器中，旋流發(fā)生器分離后的氣體能依次經(jīng)導(dǎo)向葉片、沖壓椎體外部進(jìn)入燃燒室中；
所述中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、蓄能器、渦輪、沖壓椎體、低溫?fù)Q熱器、電動(dòng)壓縮栗通過(guò)管道依次連接成封閉的換熱氣體循環(huán)回路。
[0010]所述渦輪機(jī)系統(tǒng)為至少一個(gè)。
[0011]所述渦輪機(jī)系統(tǒng)為一至十個(gè)。
[0012]還包括設(shè)置在蓄能器與渦輪之間管道上的氣體流量閥。
[0013]所述換熱氣體循環(huán)回路中的換熱氣體為氦氣。
[0014]所述渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括與渦輪相匹配的發(fā)電機(jī)。
[0015]所述離心壓氣機(jī)與旋流發(fā)生器相連的管道的軸線與機(jī)匣的軸線垂直。
[0016]所述旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、燃燒室、尾噴管分別設(shè)置在機(jī)匣的軸線上。
[0017]所述旋流發(fā)生器分離后的氣體經(jīng)低溫?fù)Q熱器換熱后，再流經(jīng)導(dǎo)向葉片，然后被沖壓椎體壓縮形成高壓空氣，高壓空氣再通過(guò)燃燒室燃燒，尾氣從尾噴管?chē)姵觥?br>[0018]所述電動(dòng)壓縮栗能在啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)換熱氣體循環(huán)回路內(nèi)的換熱氣體流動(dòng)，換熱氣體經(jīng)中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器加熱，再經(jīng)蓄能器后，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后換熱氣體再進(jìn)入低溫?fù)Q熱器中冷卻后，冷卻后的換熱氣體再經(jīng)電動(dòng)壓縮栗后，返回中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器換熱，不斷循環(huán)，推動(dòng)渦輪工作。
[0019]針對(duì)前述問(wèn)題，本發(fā)明提供分布式壓縮、旋流沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪機(jī)系統(tǒng)、機(jī)匣、旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、蓄能器、電動(dòng)壓縮栗、用于帶動(dòng)電動(dòng)壓縮栗工作的電動(dòng)機(jī)、燃燒室、設(shè)置在燃燒室內(nèi)的燃油噴嘴、與燃燒室相連的尾噴管，機(jī)匣、旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、燃燒室、尾噴管構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)身，渦輪機(jī)系統(tǒng)為若干個(gè)。
[0020]其中，渦輪機(jī)系統(tǒng)包括離心壓氣機(jī)、渦輪，離心壓氣機(jī)與渦輪同軸相連。旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器依次設(shè)置在機(jī)匣內(nèi)，高溫?fù)Q熱器設(shè)置在燃燒室內(nèi)且高溫?fù)Q熱器與中溫?fù)Q熱器相連，燃燒室設(shè)置在機(jī)匣的尾端，尾噴管與燃燒室相連。
[0021]離心壓氣機(jī)與機(jī)匣內(nèi)的旋流發(fā)生器相連，經(jīng)離心壓氣機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入的空氣能進(jìn)入旋流發(fā)生器中，旋流發(fā)生器分離后的氣體能依次經(jīng)導(dǎo)向葉片、沖壓椎體外部進(jìn)入燃燒室中。
[0022]中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、蓄能器、渦輪、沖壓椎體、低溫?fù)Q熱器、電動(dòng)壓縮栗通過(guò)管道依次連接成封閉的換熱氣體循環(huán)回路。
[0023]本發(fā)明中，旋流發(fā)生器分離后的氣體經(jīng)低溫?fù)Q熱器環(huán)流后，再流經(jīng)導(dǎo)向葉片，然后被沖壓椎體壓縮形成高壓空氣，高壓空氣再通過(guò)燃燒室燃燒，尾氣從尾噴管?chē)姵觥ｋ妱?dòng)壓縮栗能在啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)換熱氣體循環(huán)回路內(nèi)的換熱氣體流動(dòng)，換熱氣體經(jīng)中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器加熱，再經(jīng)蓄能器后，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后換熱氣體再進(jìn)入低溫?fù)Q熱器中冷卻后，冷卻后的換熱氣體再經(jīng)電動(dòng)壓縮栗后，返回中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器換熱，不斷循環(huán)，推動(dòng)渦輪工作。
[0024]本發(fā)明工作時(shí)，空氣經(jīng)渦輪機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)氣口吸入，進(jìn)入旋流發(fā)生器，產(chǎn)生冷熱氣流分離現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生超聲速旋流，再依次流經(jīng)導(dǎo)向葉片、沖壓椎體，并對(duì)沖壓椎體壓縮，形成高壓空氣，高壓空氣再通入燃燒室，噴入燃油后燃燒，燃燒產(chǎn)生的尾氣從尾噴管?chē)姵觯瑥亩a(chǎn)生推力。在此過(guò)程中，渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪由換熱氣體循環(huán)回路的氦氣來(lái)推動(dòng)。換熱氣體首先在中溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器中被加熱，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，進(jìn)入低溫?fù)Q熱器被冷卻，之后又回到中溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器中再次被加熱，如此不斷循環(huán)工作來(lái)推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)離心壓氣機(jī)工作。本發(fā)明利用旋流的冷氣流和沖壓后的高溫氣流來(lái)冷卻、加熱換熱氣體推動(dòng)渦輪。
[0025]在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)壓縮栗驅(qū)動(dòng)換熱氣體循環(huán)回路內(nèi)的換熱氣體循環(huán)流動(dòng)，從而啟動(dòng)渦輪機(jī)系統(tǒng)的離心壓氣機(jī)吸入空氣，在燃燒室中完成點(diǎn)火后，通過(guò)換熱器來(lái)供給換熱氣體所需的能量，電動(dòng)壓縮栗用來(lái)壓縮冷卻換熱氣體，這時(shí)打開(kāi)所有小型渦輪機(jī)系統(tǒng)，供給機(jī)身足夠的空氣流量，當(dāng)空氣旋流達(dá)到超音速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成。
[0026]本發(fā)明中，蓄能器設(shè)置在渦輪的進(jìn)口(中溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器的出口)處，電動(dòng)壓縮栗設(shè)置在低溫?fù)Q熱器的出口(中溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器的進(jìn)口)處。
[0027]進(jìn)一步，渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括與渦輪相匹配的發(fā)電機(jī)。渦輪機(jī)系統(tǒng)為至少一個(gè)，作為優(yōu)選，渦輪機(jī)系統(tǒng)為一至十個(gè)。還包括設(shè)置在蓄能器與渦輪之間管道上的氣體流量閥，換熱氣體循環(huán)回路中的換熱氣體為氦氣。離心壓氣機(jī)與旋流發(fā)生器相連的管道的軸線與機(jī)匣的軸線垂直，旋流發(fā)生器、低溫?fù)Q熱器、導(dǎo)向葉片、沖壓椎體、中溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器、燃燒室、尾噴管分別設(shè)置在機(jī)匣的軸線上。
[0028]綜上，本發(fā)明應(yīng)用分布式壓縮，有效避免了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)部件，能降低加工成本，同時(shí)，本發(fā)明應(yīng)用激波壓縮原理增大壓縮比，采用氦氣加熱、冷卻循環(huán)推動(dòng)渦輪機(jī)，不但充分利用了沖壓氣流的能量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率，而且降低了燃燒室的溫度，增加了燃燒室的