一种冲压—涡轮喷气复合航空发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空领域，尤其是航空发动机领域，具体为一种冲压一涡轮喷气复合航空发动机。本发明作为一种低成本的冲压一涡轮喷气复合航空发动机，具有较好的应用前景。
【背景技术】
[0002]航空发动机作为航空器提供飞行所需动力的发动机，其是一种高度复杂和精密的热力机械。航空发动机作为飞机的心脏，被誉为“工业之花”，其直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。由于航空发动机的技术门槛很高，目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国等少数几个国家能够独立研制高性能航空发动机。
[0003]按照运行机理的不同，航空发动机共分为活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机、冲压发动机三类。
[0004]其中，活塞式航空发动机是早期在飞机或直升机上应用的航空发动机，主要用于带动螺旋桨或旋翼。目前，活塞式航空发动机广泛地用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机上。
[0005]燃气涡轮发动机是应用最为广泛的航空发动机，其具有压气机、燃烧室和燃气涡轮，主要类型包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。其中，涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800千米的飞机；涡轮轴发动机主要用于为直升机提供动力；涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机；涡轮喷气发动机主要用于超音速飞机。
[0006]冲压发动机具有无压气机和燃气涡轮的特点，进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。因而，其具有构造简单、推力大的优点，特别适用于高速高空飞行。
[0007]然而，现有的航空发动机也存在一定的不足。燃气涡轮发动机作为当今应用最多的航空发动机，其部件繁多，叶片结构复杂，因而其加工成本极高，且加工工艺极为复杂。另夕卜，随着运行速度的提高，受气流速度变高的影响，燃气涡轮发动机的温升也逐渐明显，造成其难以工作，导致燃气涡轮发动机的运行速度范围有限。冲压发动机由于基于高速空气冲压效果而作用，因此不能自行启动，必须由其它推进装置推动，以获得启动速度，也无法在低速下运行。同时，由于冲压作用下进气温度的升高，对于整机抗高温性能要求也进一步提高，其对于燃烧室的要求十分苛刻。另外，冲压发动机的冷却也一直是其本身难以解决的问题。
[0008]为此，迫切需要一种新的航空发动机，以解决上述问题。
【发明内容】
[0009]本发明的发明目的在于:针对现有的燃气涡轮发动机结构复杂、运行速度范围有限，而冲压发动机不能自行启动，无法在低速下运行，冷却较为困难，且对整机抗高温性能要求较高的问题，提供一种冲压一涡轮喷气复合航空发动机。本发明有效利用冲压效果和涡轮喷气发动机的优点，并加入预冷却处理，有效解决了冲压发动机启动和高速状态进气，以及发动机功率限制的问题。本发明结构简单，成本低廉，效率高，运行速度范围广，整机运行温度低，具有较好的应用前景。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种冲压一涡轮喷气复合航空发动机，包括冲压进气锥体、外涵道机匣、进口导向叶片、用于与液氧装置相连的液氧调节阀、用于与液氮装置相连的液氮调节阀、设置在外涵道机匣内侧的内涵道机匣、整流叶片、用于与燃油装置相连的燃油调节阀、离心压气机、扩压器、燃烧室、同心轴、涡轮、内涵道整流喷口、与内涵道机匣相连的启动电机、与启动电机相连的电力供应装置、控制系统、设置在外涵道机匣内侧的凸起；
所述冲压进气锥体的后部设置有空腔、与空腔相连的出气孔，所述进口导向叶片为中空结构，所述冲压进气锥体通过进口导向叶片与外涵道机匣相连，所述液氧调节阀、液氮调节阀分别与进口导向叶片内的中空结构相连，所述冲压进气锥体与外涵道机匣形成冲压流道;
所述整流叶片为中空结构，所述内涵道机匣通过整流叶片与外涵道机匣相连，所述燃油调节阀通过整流叶片与燃烧室相连，所述扩压器、燃烧室依次设置在内涵道机匣内，所述离心压气机经扩压器与燃烧室相连，所述同心轴穿过燃烧室，所述燃烧室的出口设置有静子叶片，所述静子叶片位于燃烧室与涡轮之间，所述内涵道整流喷口设置在涡轮后端，所述离心压气机、涡轮分别与同心轴相连，所述启动电机与同心轴相连且启动电机能带动同心轴转动；
所述凸起位于出气孔与离心压气机之间，所述控制系统分别与液氧调节阀、液氮调节阀、燃油调节阀相连。
[0011]经冲压流道的气体能够与出气孔流出的氮气、氧气碰撞，实现热量交换。
[0012]所述凸起沿外涵道机匣径向方向的剖视图呈三角形。
[0013]所述控制系统设置在内涵道机匣靠近冲压进气锥体的一端。
[0014]还包括与液氧调节阀相连的液氧装置、与液氮调节阀相连的液氮装置。
[0015]还包括与燃油调节阀相连的燃油装置。
[0016]所述电力供应装置为电源线。
[0017]针对前述问题，本发明提供一种冲压一涡轮喷气复合航空发动机，具体为一种低成本的冲压一涡轮喷气复合航空发动机。其包括冲压进气锥体、外涵道机匣、进口导向叶片、用于与液氧装置相连的液氧调节阀、用于与液氮装置相连的液氮调节阀、设置在外涵道机匣内侧的内涵道机匣、整流叶片、用于与燃油装置相连的燃油调节阀、离心压气机、扩压器、燃烧室、同心轴、涡轮、内涵道整流喷口、与内涵道机匣相连的启动电机、与启动电机相连的电力供应装置、控制系统、设置在外涵道机匣内侧的凸起。
[0018]以外涵道机匣设置冲压进气锥体的一端为前端，外涵道机匣内设置内涵道机匣的一端为后端。冲压进气锥体的后部设置有空腔、与空腔相连的出气孔，进口导向叶片为中空结构，冲压进气锥体通过进口导向叶片与外涵道机匣相连，液氧调节阀、液氮调节阀分别与进口导向叶片内的中空结构相连，冲压进气锥体与外涵道机匣形成第一进气通道。
[0019]整流叶片为中空结构，内涵道机匣通过整流叶片与外涵道机匣相连，燃油调节阀通过整流叶片与燃烧室相连，扩压器、燃烧室依次设置在内涵道机匣内，离心压气机经扩压器与燃烧室相连，同心轴穿过燃烧室，燃烧室的出口设置有静子叶片，静子叶片位于燃烧室与涡轮之间，内涵道整流喷口设置在涡轮后端，离心压气机、涡轮分别与同心轴相连，启动电机与同心轴相连且启动电机能带动同心轴转动。
[0020]凸起位于出气孔与离心压气机之间，控制系统分别与液氧调节阀、液氮调节阀、燃油调节阀相连。本发明中，通过凸起实现换热作用，即经冲压流道的气体能够与出气孔流出的氮气、氧气碰撞，实现热量交换。进一步，凸起沿外涵道机匣径向方向的剖视图呈三角形。
[0021]进一步，控制系统设置在内涵道机匣靠近冲压进气锥体的一端，还包括与液氧调节阀相连的液氧装置(即液氧储存罐)、与液氮调节阀相连的液氮装置(即液氮储存罐)，还包括与燃油调节阀相连的燃油装置，电力供应装置为电源线。
[0022]本发明工作时，外涵道机匣前端进气，冲压进气锥体与外涵道机匣共同形成冲压流道。冲压进气锥体的前端形成椎体激波，其后端与外涵道机匣之间形成正激波。液氧、液氮分别通过液氧调节阀、液氮调节阀进入空腔中，并通过出气孔流出。经气孔流出的低温氮气、低温氧气，与经外涵道机匣前端进入的气体在凸起(凸起的作用主要为换热，即凸起为换热器)的作用下混合，实现换热。外涵道机匣中部通过整流叶片设置内涵道机匣，从而与外涵道机匣配合形成小涵道比结构。本发明在内涵道机匣的前端设置启动电机，启动电机连接同心轴，同心轴的前端设置离心压气机，同心轴的后端设置涡轮，扩压器设置在内涵道机匣内，在扩压器与涡轮之间布置有燃烧室和静子叶片，燃气经过涡轮后由整流喷口喷出。本发明中，进气压缩过程由冲压进气椎体和离心压气机配合完成，控制系统通过调节各个调节阀的供给，实现整机稳定运行。同时，通过进口导向叶片与整流叶片的配合使用，完成进气预旋和外涵道气流整流。
[0023]本发明中，冲压形式与离心压缩形式组合形成增压段，压缩效率更高；具备启动电机，可实现无初速度启动；整机运行速度范围广，能够适应低速到超声速的运行范围；调控方式使用注入气体与燃油联合调节，方式更灵活，达到的效果更稳定；加入了预冷却处理，使内部效率提高，另外使整机对抗高温材料要求降低；采用的部件结构简单，加工制造成本低。
[0024]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
1)本发明中，采用冲压压缩配合一级离心压缩，效率更高，其中，冲压压缩是依据空气流速产生的，不需要外加驱动力，离心压缩单级压比更高，因而整个压缩过程只需要对离心压缩施加驱动，所消耗的能量少；
2)本发明中，预冷却处理的加入，使整机运行温度降低，进气端压缩效率更高，也使得整机对于冷却系统的要求降低，抗高温材料要求也同样降低；
3)本发明在低速时，进气与燃烧做功工作由一级的离心压气机配合燃烧室和涡轮实现，在经过跨声速阶段时，冲压效果逐步显著，解决了在高速运行时单机离心压气