伴流循环波航空发动机

本发明涉及航空燃气涡轮发动机和燃气轮机，具体涉及一种伴流循环波发动机。

背景技术：

1、对于常规轴流式航空发动机，在进口空气流量固定的情况下，提升其性能即提高其理想循环功及改善其热效率的途径主要有提高压气机压比及压气机及涡轮的部件效率、提升涡轮前燃气温度等。对于压气机及涡轮，其属于叶轮机械，对于其气动与结构的研究已较为深入，性能提升空间有限；对于涡轮前燃气温度，由于涡轮制造材料及冷却的限制，提升潜力十分有限。

2、专利文献cn113864050公开了一种爆震增压航空发动机，参阅图1，图1出示了爆震增压燃烧(1-2-a-b-3-4)、定容燃烧(1-2-3-4)和定压燃烧(1-2-3b-4b)的热力循环图，如图所示，采用爆震增压方式的定容燃烧循环主要包括5个步骤：注入新鲜空气和可燃气体，预压缩，定容燃烧和完成燃烧后预膨胀以及排出高压燃气到涡轮。爆震增压燃烧的循环相对于没有激波增压的定容燃烧循环和定压燃烧循环相比。熵增最小，循环功最大。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的缺陷，提供一种采用新型燃烧方式及新型燃烧室结构设计的伴流循环波发动机，通过改变热力循环方式提高发动机效率，并提供优化的发动机结构设计，解决燃烧室燃烧组织与保护的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种伴流循环波航空发动机，包括：机匣，以及固定在该机匣内沿轴向依次设置的压气机、燃烧室和涡轮，以及沿所述燃烧室的中轴线贯通所述压气机和涡轮的转子轴，其特点在于，

4、所述燃烧室包括循环波燃烧室和内外流混合室，其中，所述循环波燃烧室由呈环向圆周阵列分布的多个沿轴向延伸的循环波通道组成，每根循环波通道上均设有燃油喷嘴与点火器，且均固定在所述机匣上，所述循环波燃烧室的两端分别由进气导流转子和出气导流转子密封；在所述循环波燃烧室外设有燃烧室外伴流通道，该燃烧室外伴流通道的上游设有伴流通道调节活门，可根据伴流通道调控装置控制进入燃烧室外伴流通道的气体流量；

5、空气经所述压气机增压后，通过进口端通道进入所述燃烧室，一部分通过所述进气导流转子上的进气口进入所述循环波燃烧室，并与所述燃油喷嘴喷出的燃油喷雾在循环波通道中混合燃烧反应后形成高温燃气，经所述出气导流转子上的出气口排入所述内外流混合室，另一部分通过所述伴流通道调节活门进入所述燃烧室外伴流通道，直接排入所述内外流混合室；经所述出气口排出的高温燃气与经所述燃烧室外伴流通道排出的气体在所述内外流混合室中掺混后，通过出口端通道排入所述涡轮，所述气体在所述涡轮中将一部分能量转化为动能，通过所述转子轴带动压气机，所述高温燃气经所述涡轮喷出产生推力。

6、所述的进气口与出气口交错分布，确保气体在所述循环波燃烧室内的燃烧过程中进出口两端封闭。

7、所述内外流混合室其下游安装所述出口端通道。

8、所述过渡段通道包括进口端通道以及出口端通道，所述进口端通道连通于燃烧室与压气机出口之间，出口端通道连通于内外流混合室于涡轮之间。

9、所属的伴流通道包括循环波燃烧室外伴流通道，伴流通道调节活门以及伴流通道调控装置。所述的燃烧室外伴流通道设置于所述的循环波燃烧室与所述的机匣间。

10、所述燃烧室外伴流通道其上游设置有伴流通道调节活门，可根据伴流通道调控装置控制进入伴流通道的气体流量；另部分进入燃烧室的增压空气经过所述的伴流通道调节活门，经过所述燃烧室外伴流通道，进入所述内外流混合室，与经所述的出气导流转子排出的高温燃气掺混后通过出口端通道进入涡轮。

11、所述的伴流通道调控装置包括来流状态传感器，伴流通道气体状态传感器、控制芯片和活门伺服调节机构。所述来流状态传感器包括电子气体测速装置和电子气体测压装置，位于所述的进气导流转子上游，可测量当前工况下所述的进气导流转子处的气流压力和流速，并转换为电信号输入所述控制芯片；所述伴流通道气体状态传感器包括电子气体测速装置和电子气体测压装置，位于伴流通道进口处，可测量当前工况下所述的伴流通道的气流压力和流速，并转换为电信号输入所述控制芯片；所述控制芯片基于预置的来流状态-伴流通道状态曲线，根据输入的来流状态传感器电信号，计算当前工况下的伴流通道最佳流量，从而产生对所述伴流通道调节活门的控制信号；所述活门伺服调节机构为带伺服作动器的机械传动机构，根据所述控制芯片的控制信号调节伴流通道控制活门的目标位置。

12、所述的进气导流转子和出气导流转子上均设有导流转子调速装置，根据前方来流状态控制进气导流转子和出气导流转子的转速。

13、所述的导流转子调速装置包括来流状态传感器，转子轴转速传感器，控制芯片和可调节减速器。所述来流状态传感器包括电子气体测速装置和电子气体测压装置，位于所述的进气导流转子上游，可测量当前工况下所述的进气导流转子处的气流压力和流速，并转换为电信号输入所述控制芯片；所述转子轴转速传感器可测量当前工况下转子轴转速并转换为电信号输入所述控制芯片；所述控制芯片基于预置的来流状态-导流转子转速曲线，根据输入来流状态传感器电信号，计算当前工况下的导流转子最优转速，并根据转子轴转速，计算所述可调节减速器的最优减速比，从而产生对所述可调节减速器的控制信号；所述可调节减速器为带伺服作动器的机械变速器，输入轴连接至转子轴，输出轴连接至所述的进气导流转子的转轴，根据所述控制芯片的控制信号调节减速比。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果

15、第一，与传统航空发动机的推进系统相比，本发明燃烧效率更高。计算结果表明：相较于传统定压燃烧室，伴流循环波发动机的循环热效率能提升20％以上，同等推力条件下燃油消耗率降低15％以上。

16、第二，本发明的转子质量与传统航发接近，不存在结构稳定性问题

17、第三，本发明采用固定燃烧室的设计方案，常规点火方式不受限制，避免了点火组织困难问题

18、第四，本发明采用固定燃烧室的设计方案，不存在离心力等其他因素影响燃烧

19、第五，本发明采用了燃烧室外伴流通道的设计方案，采用伴流直接吸收燃烧室可能的外泄气流，优化了燃烧室设计，提高了整体结构可靠性

20、第六，本发明采用燃烧室外伴流通道，同时帮助了燃烧室的冷却。

21、第七，本发明中，燃烧室内外流掺混的设计方案使涡轮进口温度更均匀，进一步降低涡轮防热压力

技术特征：

1.一种伴流循环波航空发动机，包括：机匣(100)，以及固定在该机匣内沿轴向依次设置的压气机(200)、燃烧室(300)和涡轮(400)，以及沿所述燃烧室(300)的中轴线贯通所述压气机(200)和涡轮(400)的转子轴(500)，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的伴流循环波航空发动机，其特征在于，所述进气导流转子(310)和出气导流转子(330)上均设有导流转子调速装置(370)，根据前方来流状态控制进气导流转子(310)和出气导流转子(330)的转速。

3.根据权利要求2所述的伴流循环波航空发动机，其特征在于，所述导流转子调速装置(370)包括来流状态传感器(371)，转子轴转速传感器(372)，控制芯片(373)和可调节减速器(374)；

4.根据权利要求1或2所述的伴流循环波航空发动机，其特征在于，所述进气口(311)与出气口(331)交错分布，确保气体在所述循环波燃烧室(320)内的燃烧过程中进出口两端封闭。

5.根据权利要求1所述的伴流循环波航空发动机，其特征在于，所述伴流通道调控装置(930)包括来流状态传感器(931)，伴流通道气体状态传感器(932)、伴流通道控制芯片(933)和活门伺服调节机构(934)；

技术总结
一种伴流循环波航空发动机，包括：机匣(100)，以及固定在该机匣内沿轴向依次设置的压气机(200)、燃烧室(300)和涡轮(400)，以及沿所述燃烧室(300)的中轴线贯通所述压气机(200)和涡轮(400)的转子轴(500)，其特征在于，所述燃烧室(300)包括循环波燃烧室(320)和内外流混合室(360)，与传统航空发动机的推进系统相比，本发明燃烧效率更高。

技术研发人员：陈方,孟宇,王晨阳
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31