一种分布式压缩、旋流冲压发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空领域，尤其是航空发动机领域，具体为一种分布式压缩、旋流冲压发动机。
【背景技术】
[0002]现代航空发动机伴随着发展和应用，已经走过了百年的辉煌历程。半个多世纪以来，航空涡轮发动机技术不断进步，性能水平获得了巨大提高。其中，世界在役军用发动机的推重比已从2提高到7-9，总增压比提高到25-45，不加力耗油率已从1.0?1.2kg /(daN?h)下降到0.6?0.7kg / (daN?h)。在研军用发动机的推重比达9?11，已投入使用；民用高涵道比涡扇发动机的最大推力已超过57000daN，巡航耗油率已从20世纪50年代涡喷发动机的1.0 kg / (daN*h)下降到0.55 kg / (daN*h)，噪声下降20dB，N0X下降45%:研制中的齿轮传动涡扇发动机的涵道比已达11，油耗可再降9%。在航空涡轮发动机性能提高的同时，其可靠性、耐久性、环保性、适用性和经济性也有很大改善。新一代航空发动机更富创新性，更具竞争力。
[0003]以F119、EJ200为标志的第4代航空发动机和未来新一代航空发动机的性能几乎已经达到相当完美的程度，要想进一步提高航空燃气轮机的性能，就必须提高压比和涡轮前温度，但提高是有限度的。围绕着压比、涡轮前温度这二个指标的研发方向，会使航空发动机越来越复杂，过度复杂就会走向反面，走向死亡。因此，必须掌握21世纪航空动力最前沿的关键技术，探索新原理、新技术，才能研发更高性能的新型发动机。
[0004]航空燃气涡轮发动机研发技术难度大，周期长，费用高。一台燃气涡轮发动机包括数以万计的零件，其中更有复杂的转子系统，其工作条件恶劣，因此对材料和加工要求苛刻。
[0005]冲压发动机具有构造简单、成本低、重量轻、推重比大、速度快、效率高、故障少、寿命长等诸多优点，但其无法在地面静止状态下启动，需用其他发动机作为助推器，待其达到一定的飞行速度后才能有效工作，因此，冲压发动机无法单独作为普通飞机的动力装置，应用范围受到极大限制，现仅用于导弹和靶机上。同时，冲压发动机对飞行状态的改变较敏感，当在宽马赫数范围内飞行时，要对进气道进行调节，这样使得进气道结构复杂。同时，由于冲压发动机燃烧室温度高，难以设计，现有材料寿命很难达到其使用要求，若希望通过增加涡轮前温度以提高其性能，难度较大。
[0006]冲压发动机虽然可与涡喷发动机或涡扇发动机组合，以作为航空发动机使用，但与冲压发动机配合的发动机仅在飞机起飞、降落和低速飞行时工作，这种组合式动力装置丧失了冲压发动机的大部分优点。
[0007]因此，迫切需要一种新的冲压发动机，以解决上述问题。
【发明内容】
[0008]本发明的发明目的在于:针对现有的冲压发动机不能自身起动，需要助推器加速到一定速度才能工作，且对飞行状态的改变较敏感，而其与涡喷发动机或涡扇发动机组合作为航空发动机使用时，又丧失了冲压发动机大部分优点的问题，提供一种分布式压缩、旋流冲压发动机。本发明采用换热气体加热、冷却循环推动涡轮，并充分利用冲压气流的能量，有效提高了发动机的循环效率，降低了成本，利用旋流冲压，解决了现有冲压发动机不能低速启动和适应各种工况的问题。本发明构思巧妙，设计合理，可实现发动机的静态启动，并能适应各种工况，具有较好的应用前景。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种分布式压缩、旋流冲压发动机，包括涡轮机系统、机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、蓄能器、电动压缩栗、用于带动电动压缩栗工作的电动机、燃烧室、设置在燃烧室内的燃油喷嘴、与燃烧室相连的尾喷管，所述涡轮机系统为若干个，所述涡轮机系统包括离心压气机、涡轮，所述离心压气机与涡轮同轴相连；所述旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器依次设置在机匣内，所述燃烧室设置在机匣的尾端；
所述离心压气机与机匣内的旋流发生器相连，经离心压气机进气口进入的空气能进入旋流发生器中，旋流发生器分离后的气体能依次经导向叶片、冲压椎体外部进入燃烧室中；
所述中温换热器、高温换热器、蓄能器、涡轮、冲压椎体、低温换热器、电动压缩栗通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。
[0010]所述涡轮机系统为至少一个。
[0011]所述涡轮机系统为一至十个。
[0012]还包括设置在蓄能器与涡轮之间管道上的气体流量阀。
[0013]所述换热气体循环回路中的换热气体为氦气。
[0014]所述涡轮机系统还包括与涡轮相匹配的发电机。
[0015]所述离心压气机与旋流发生器相连的管道的轴线与机匣的轴线垂直。
[0016]所述旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管分别设置在机匣的轴线上。
[0017]所述旋流发生器分离后的气体经低温换热器换热后，再流经导向叶片，然后被冲压椎体压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室燃烧，尾气从尾喷管喷出。
[0018]所述电动压缩栗能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器、高温换热器加热，再经蓄能器后，推动涡轮转动，然后换热气体再进入低温换热器中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩栗后，返回中温换热器、高温换热器换热，不断循环，推动涡轮工作。
[0019]针对前述问题，本发明提供分布式压缩、旋流冲压发动机，该发动机包括涡轮机系统、机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、蓄能器、电动压缩栗、用于带动电动压缩栗工作的电动机、燃烧室、设置在燃烧室内的燃油喷嘴、与燃烧室相连的尾喷管，机匣、旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管构成发动机的机身，涡轮机系统为若干个。
[0020]其中，涡轮机系统包括离心压气机、涡轮，离心压气机与涡轮同轴相连。旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器依次设置在机匣内，高温换热器设置在燃烧室内且高温换热器与中温换热器相连，燃烧室设置在机匣的尾端，尾喷管与燃烧室相连。
[0021]离心压气机与机匣内的旋流发生器相连，经离心压气机进气口进入的空气能进入旋流发生器中，旋流发生器分离后的气体能依次经导向叶片、冲压椎体外部进入燃烧室中。
[0022]中温换热器、高温换热器、蓄能器、涡轮、冲压椎体、低温换热器、电动压缩栗通过管道依次连接成封闭的换热气体循环回路。
[0023]本发明中，旋流发生器分离后的气体经低温换热器环流后，再流经导向叶片，然后被冲压椎体压缩形成高压空气，高压空气再通过燃烧室燃烧，尾气从尾喷管喷出。电动压缩栗能在启动时驱动换热气体循环回路内的换热气体流动，换热气体经中温换热器、高温换热器加热，再经蓄能器后，推动涡轮转动，然后换热气体再进入低温换热器中冷却后，冷却后的换热气体再经电动压缩栗后，返回中温换热器、高温换热器换热，不断循环，推动涡轮工作。
[0024]本发明工作时，空气经涡轮机系统的进气口吸入，进入旋流发生器，产生冷热气流分离现象，同时产生超声速旋流，再依次流经导向叶片、冲压椎体，并对冲压椎体压缩，形成高压空气，高压空气再通入燃烧室，喷入燃油后燃烧，燃烧产生的尾气从尾喷管喷出，从而产生推力。在此过程中，涡轮机系统的涡轮由换热气体循环回路的氦气来推动。换热气体首先在中温换热器和高温换热器中被加热，推动涡轮转动后，进入低温换热器被冷却，之后又回到中温换热器和高温换热器中再次被加热，如此不断循环工作来推动涡轮旋转，从而带动离心压气机工作。本发明利用旋流的冷气流和冲压后的高温气流来冷却、加热换热气体推动涡轮。
[0025]在发动机启动时，电动机带动电动压缩栗驱动换热气体循环回路内的换热气体循环流动，从而启动涡轮机系统的离心压气机吸入空气，在燃烧室中完成点火后，通过换热器来供给换热气体所需的能量，电动压缩栗用来压缩冷却换热气体，这时打开所有小型涡轮机系统，供给机身足够的空气流量，当空气旋流达到超音速时，发动机启动完成。
[0026]本发明中，蓄能器设置在涡轮的进口(中温换热器和高温换热器的出口)处，电动压缩栗设置在低温换热器的出口(中温换热器和高温换热器的进口)处。
[0027]进一步，涡轮机系统还包括与涡轮相匹配的发电机。涡轮机系统为至少一个，作为优选，涡轮机系统为一至十个。还包括设置在蓄能器与涡轮之间管道上的气体流量阀，换热气体循环回路中的换热气体为氦气。离心压气机与旋流发生器相连的管道的轴线与机匣的轴线垂直，旋流发生器、低温换热器、导向叶片、冲压椎体、中温换热器、高温换热器、燃烧室、尾喷管分别设置在机匣的轴线上。
[0028]综上，本发明应用分布式压缩，有效避免了复杂的旋转部件，能降低加工成本，同时，本发明应用激波压缩原理增大压缩比，采用氦气加热、冷却循环推动涡轮机，不但充分利用了冲压气流的能量，提高了发动机循环效率，而且降低了燃烧室的温度，增加了燃烧室的