一种新型水空跨介质发动机

本发明属于航空动力装置，具体涉及一种水空跨介质发动机。

背景技术：

1、水空跨介质发动机，指能够在空中、水下双重介质中任意切换且独立运行的动力系统。它不仅要满足在双重介质中的正常工作，还要能够任意切换介质并长续航持续工作。传统的航天、航空、航海动力系统无法满足应用要求。

2、关于水空跨介质发动机的研究主要是基于传统动力系统固有结构的简单组合或者变形，研究前景有限。例如公告号为cn110107401a的中国发明专利公开了一种“基于空水流道紧凑布局的跨介质飞航器动力装置”，该装置在空中飞行时以涡轮喷气推进模态工作，在水下潜航时以涡轮喷水推进模态工作。由于该装置无自带氧化剂结构，即其水下推进采用火箭推进或使用金属燃料，而且其涡喷主燃烧室结构也无法使用火箭推进，进水结构也无法满足金属燃料水冲压要求，因而存在水下难以作动的问题。因此该类动力装置本质上是基于传统涡轮喷气发动机的简单改造，存在明显缺陷。

3、另一类基于新概念作动原理的水空跨介质发动机研究主要针对跨介质导弹，以金属燃料作为推进剂，包含空中冲压模态和水冲压模态。由于空中冲压发动机的最低工作速度至少为2.0ma，水冲压发动机航速达到90m/s时驻点压力才能够将外界海水持续不断地压入燃烧室，因此制造这类发动机都存在零速或低速启动问题。

4、综上，对水空跨介质动力问题的现有解决方案一般是采用冲压发动机与固体火箭组合的推进方式，虽然解决了零速或低速启动问题，但会使结构变得更加复杂，进一步增加了发动机的重量，降低了使用性能。此外，该类冲压发动机由于其较高的巡航速度，只能应用于要求高速度的导弹等武器领域。应用范围较窄，难以应用于要求低速和安全可靠的民用跨戒指航行器领域。

5、鉴于上述问题，设计一种新型水空跨介质发动机是非常有必要的。

技术实现思路

1、为解决现有水空跨介质发动机存在的水下无法作动、零速或低速启动困难和巡航速度较高的问题，本发明提出一种新型水空跨介质发动机，空中采用空气涡轮火箭发动机(atr)模态，水下采用泵喷推进模态。该新型水空跨介质发动机由火箭燃气驱动涡轮，因此具备在水空任一介质中零速或低速启动的能力。同时该发动机的空中atr模态具备超音速及亚音速巡航能力，水下泵喷推进模态航速0～60kn可调，应用范围宽广，不仅可以应用于高速打击的武器领域，更能够应用于要求低速安全可靠的民用跨介质航行器领域。

2、为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

3、一种新型水空跨介质发动机，

4、包括燃气发生器喷嘴组件(1)、涡轮(2)、主轴(9)、空气流道密封组件、泵推系统密封组件、机匣(11)和尾喷管(12)；

5、所述空气流道密封组件包括进气道(3)、燃气导管(4)、压气机(5)、空气导管(7)和混合室(8)；

6、所述泵推系统密封组件包括进水道(6)和泵喷推进器(10)；

7、所述燃气发生器喷嘴组件(1)和尾喷管(12)分别设置在机匣(11)的最前端和最后端；所述主轴设置在机匣(11)的中心轴线上，涡轮(2)、压气机(5)和泵喷推进器(10)从前到后依次同轴设置在主轴(9)上，组成转子系统；

8、所述燃气导管(4)设置在涡轮(2)后端并与混合室(8)的进口相连；所述进气道(3)设置在机匣(11)侧面并与压气机(5)的进口相连；所述空气导管(7)一端设置在压气机(5)的外侧，另一端与混合室(8)的进口相连；所述尾喷管(12)与混合室(8)的出口相连；

9、所述燃气发生器喷嘴组件(1)喷出富燃燃气推动涡轮(2)转动，所述涡轮(2)旋转带动主轴(9)驱动压气机(5)及泵喷推进器(10)转动，燃气导管(4)收集通过涡轮(2)的富燃燃气并输送至混合室(8)；所述进气道(3)将空气吸入压气机(5)进行压缩后进入混合室(8)中，所述压缩后的空气与燃气导管(4)收集的富燃燃气在所述混合室(8)内混合并再次充分燃烧后进入尾喷管(12)，尾喷管(12)排出燃气产生推力；

10、所述进水道(6)设置在机匣(11)侧面并与泵喷推进器(10)相连；

11、所述泵喷推进器(10)对介质水做功后加速排出产生推力；

12、其特殊之处在于：

13、所述燃气发生器喷嘴组件(1)包括8个喷嘴，位于发动机最前端，喷出匀速富燃燃气，并且所述8个喷嘴均以固定角度指向涡轮(2)的叶片；

14、所述8个喷嘴包括4个水下燃气喷嘴(17)和4个空中燃气喷嘴(16)，每个水下燃气喷嘴(17)和与其紧邻的空中燃气喷嘴(16)排列为一组喷嘴，上述4组喷嘴环形均布在发动机最前端。

15、进一步地，所述8个喷嘴的安装角为13度。

16、进一步地，所述燃气导管(4)和混合室(8)均有四个，每个燃气导管(4)都通向一个混合室(8)，四个燃气导管(4)和混合室(8)沿主轴(9)中心对称并设置在泵喷推进器(10)的外侧。

17、进一步地，所述混合室(8)采用基于航空发动机单管燃烧室设计的混合室，可使富燃燃气和新鲜空气充分燃烧。

18、进一步地，所述进气道口为沿机匣(11)周向均布的4个矩形开口，在空中时打开，在水下时关闭。

19、进一步地，所述进水道口为沿机匣(11)均布的4个矩形开口，在水下时打开，在空中时关闭。

20、进一步地，所述空气导管(7)包括空气导管进口(21)和空气导管出口(22)；所述空气导管进口(21)采用蜗壳形集气导气管路构成，环形设置在压气机(5)外侧收集整流；所述空气导管出口(22)有四个，均匀排出4股空气至混合室(8)。

21、进一步地，所述尾喷管(12)采用不可调节的收敛型扩展型尾喷管，其中心为泵喷推进器喷水口(13)，其外部环形喷口为气体尾喷口。

22、本发明的构思及原理：

23、燃气发生器喷嘴位于发动机最前端，以13°角指向涡轮叶片旋转平面的8个环形分布的燃气喷嘴。燃气喷嘴分为两类4组：4个沿环形均布的水下燃气喷嘴和4个沿环形均布空中燃气喷嘴。燃气喷嘴喷出匀速且高温高压的富燃燃气冲击位于后面的涡轮，驱动涡轮旋转，涡轮旋转带动同轴的压气机及泵喷推进器旋转。在空中飞行时，开启4个空中燃气喷嘴，经过压缩的空气和经过涡轮的高温富燃燃气进入混合室中，混合后再次进行充分燃烧，最后由尾喷管排出废气，产生推力。在水下工作时，再开启4个水下燃气喷嘴增大燃气流量，进一步增加涡轮输出功率，水流由进水道进入后，经过泵喷推进器做功后加速排出，产生推力。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1.本新型水空跨介质发动机采用空中atr模态及水下泵喷推进模态，由火箭燃气发生器在任意状态下驱动涡轮，相比于需要持续吸入空气或水的水空冲压模态，具备在水空任一介质中零速或低速启动的能力，有效的消除了现有水空跨介质发动机存在的零速或低速启动困难的问题。这增强了水空跨介质航行的实际应用能力。

26、2.本新型水空跨介质发动机具备在水空介质中低速及高速巡航能力，有效的消除了现有水空跨介质发动机只能工作在极高速度下的问题。应用范围更为宽广，不仅可以应用于高速打击的武器领域，更能够应用于要求低速安全可靠的民用跨介质航行器领域。

27、3.本新型水空跨介质发动机空中atr模态及水下泵喷推进模态采用一体化设计，atr涡轮、压气机与泵喷叶轮同轴驱动，实现了热力循环和结构的一体化，结构紧凑。同时相比于冲压式发动机，不使用固体火箭助推启动，使得整体结构简单，重量轻。