一種沖壓—渦輪噴氣復合航空發動機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空領域，尤其是航空發動機領域，具體為一種沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機。本發明作為一種低成本的沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機，具有較好的應用前景。
【背景技術】
[0002]航空發動機作為航空器提供飛行所需動力的發動機，其是一種高度復雜和精密的熱力機械。航空發動機作為飛機的心臟，被譽為“工業之花”，其直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。由于航空發動機的技術門檻很高，目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、法國等少數幾個國家能夠獨立研制高性能航空發動機。
[0003]按照運行機理的不同，航空發動機共分為活塞式航空發動機、燃氣渦輪發動機、沖壓發動機三類。
[0004]其中，活塞式航空發動機是早期在飛機或直升機上應用的航空發動機，主要用于帶動螺旋槳或旋翼。目前，活塞式航空發動機廣泛地用于輕型飛機、直升機及超輕型飛機上。
[0005]燃氣渦輪發動機是應用最為廣泛的航空發動機，其具有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪，主要類型包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。其中，渦輪螺旋槳發動機主要用于時速小于800千米的飛機；渦輪軸發動機主要用于為直升機提供動力；渦輪風扇發動機主要用于速度更高的飛機；渦輪噴氣發動機主要用于超音速飛機。
[0006]沖壓發動機具有無壓氣機和燃氣渦輪的特點，進入燃燒室的空氣利用高速飛行時的沖壓作用增壓。因而，其具有構造簡單、推力大的優點，特別適用于高速高空飛行。
[0007]然而，現有的航空發動機也存在一定的不足。燃氣渦輪發動機作為當今應用最多的航空發動機，其部件繁多，葉片結構復雜，因而其加工成本極高，且加工工藝極為復雜。另夕卜，隨著運行速度的提高，受氣流速度變高的影響，燃氣渦輪發動機的溫升也逐漸明顯，造成其難以工作，導致燃氣渦輪發動機的運行速度范圍有限。沖壓發動機由于基于高速空氣沖壓效果而作用，因此不能自行啟動，必須由其它推進裝置推動，以獲得啟動速度，也無法在低速下運行。同時，由于沖壓作用下進氣溫度的升高，對于整機抗高溫性能要求也進一步提高，其對于燃燒室的要求十分苛刻。另外，沖壓發動機的冷卻也一直是其本身難以解決的問題。
[0008]為此，迫切需要一種新的航空發動機，以解決上述問題。
【發明內容】
[0009]本發明的發明目的在于:針對現有的燃氣渦輪發動機結構復雜、運行速度范圍有限，而沖壓發動機不能自行啟動，無法在低速下運行，冷卻較為困難，且對整機抗高溫性能要求較高的問題，提供一種沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機。本發明有效利用沖壓效果和渦輪噴氣發動機的優點，并加入預冷卻處理，有效解決了沖壓發動機啟動和高速狀態進氣，以及發動機功率限制的問題。本發明結構簡單，成本低廉，效率高，運行速度范圍廣，整機運行溫度低，具有較好的應用前景。
[0010]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機，包括沖壓進氣錐體、外涵道機匣、進口導向葉片、用于與液氧裝置相連的液氧調節閥、用于與液氮裝置相連的液氮調節閥、設置在外涵道機匣內側的內涵道機匣、整流葉片、用于與燃油裝置相連的燃油調節閥、離心壓氣機、擴壓器、燃燒室、同心軸、渦輪、內涵道整流噴口、與內涵道機匣相連的啟動電機、與啟動電機相連的電力供應裝置、控制系統、設置在外涵道機匣內側的凸起；
所述沖壓進氣錐體的后部設置有空腔、與空腔相連的出氣孔，所述進口導向葉片為中空結構，所述沖壓進氣錐體通過進口導向葉片與外涵道機匣相連，所述液氧調節閥、液氮調節閥分別與進口導向葉片內的中空結構相連，所述沖壓進氣錐體與外涵道機匣形成沖壓流道;
所述整流葉片為中空結構，所述內涵道機匣通過整流葉片與外涵道機匣相連，所述燃油調節閥通過整流葉片與燃燒室相連，所述擴壓器、燃燒室依次設置在內涵道機匣內，所述離心壓氣機經擴壓器與燃燒室相連，所述同心軸穿過燃燒室，所述燃燒室的出口設置有靜子葉片，所述靜子葉片位于燃燒室與渦輪之間，所述內涵道整流噴口設置在渦輪后端，所述離心壓氣機、渦輪分別與同心軸相連，所述啟動電機與同心軸相連且啟動電機能帶動同心軸轉動；
所述凸起位于出氣孔與離心壓氣機之間，所述控制系統分別與液氧調節閥、液氮調節閥、燃油調節閥相連。
[0011]經沖壓流道的氣體能夠與出氣孔流出的氮氣、氧氣碰撞，實現熱量交換。
[0012]所述凸起沿外涵道機匣徑向方向的剖視圖呈三角形。
[0013]所述控制系統設置在內涵道機匣靠近沖壓進氣錐體的一端。
[0014]還包括與液氧調節閥相連的液氧裝置、與液氮調節閥相連的液氮裝置。
[0015]還包括與燃油調節閥相連的燃油裝置。
[0016]所述電力供應裝置為電源線。
[0017]針對前述問題，本發明提供一種沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機，具體為一種低成本的沖壓一渦輪噴氣復合航空發動機。其包括沖壓進氣錐體、外涵道機匣、進口導向葉片、用于與液氧裝置相連的液氧調節閥、用于與液氮裝置相連的液氮調節閥、設置在外涵道機匣內側的內涵道機匣、整流葉片、用于與燃油裝置相連的燃油調節閥、離心壓氣機、擴壓器、燃燒室、同心軸、渦輪、內涵道整流噴口、與內涵道機匣相連的啟動電機、與啟動電機相連的電力供應裝置、控制系統、設置在外涵道機匣內側的凸起。
[0018]以外涵道機匣設置沖壓進氣錐體的一端為前端，外涵道機匣內設置內涵道機匣的一端為后端。沖壓進氣錐體的后部設置有空腔、與空腔相連的出氣孔，進口導向葉片為中空結構，沖壓進氣錐體通過進口導向葉片與外涵道機匣相連，液氧調節閥、液氮調節閥分別與進口導向葉片內的中空結構相連，沖壓進氣錐體與外涵道機匣形成第一進氣通道。
[0019]整流葉片為中空結構，內涵道機匣通過整流葉片與外涵道機匣相連，燃油調節閥通過整流葉片與燃燒室相連，擴壓器、燃燒室依次設置在內涵道機匣內，離心壓氣機經擴壓器與燃燒室相連，同心軸穿過燃燒室，燃燒室的出口設置有靜子葉片，靜子葉片位于燃燒室與渦輪之間，內涵道整流噴口設置在渦輪后端，離心壓氣機、渦輪分別與同心軸相連，啟動電機與同心軸相連且啟動電機能帶動同心軸轉動。
[0020]凸起位于出氣孔與離心壓氣機之間，控制系統分別與液氧調節閥、液氮調節閥、燃油調節閥相連。本發明中，通過凸起實現換熱作用，即經沖壓流道的氣體能夠與出氣孔流出的氮氣、氧氣碰撞，實現熱量交換。進一步，凸起沿外涵道機匣徑向方向的剖視圖呈三角形。
[0021]進一步，控制系統設置在內涵道機匣靠近沖壓進氣錐體的一端，還包括與液氧調節閥相連的液氧裝置(即液氧儲存罐)、與液氮調節閥相連的液氮裝置(即液氮儲存罐)，還包括與燃油調節閥相連的燃油裝置，電力供應裝置為電源線。
[0022]本發明工作時，外涵道機匣前端進氣，沖壓進氣錐體與外涵道機匣共同形成沖壓流道。沖壓進氣錐體的前端形成椎體激波，其后端與外涵道機匣之間形成正激波。液氧、液氮分別通過液氧調節閥、液氮調節閥進入空腔中，并通過出氣孔流出。經氣孔流出的低溫氮氣、低溫氧氣，與經外涵道機匣前端進入的氣體在凸起(凸起的作用主要為換熱，即凸起為換熱器)的作用下混合，實現換熱。外涵道機匣中部通過整流葉片設置內涵道機匣，從而與外涵道機匣配合形成小涵道比結構。本發明在內涵道機匣的前端設置啟動電機，啟動電機連接同心軸，同心軸的前端設置離心壓氣機，同心軸的后端設置渦輪，擴壓器設置在內涵道機匣內，在擴壓器與渦輪之間布置有燃燒室和靜子葉片，燃氣經過渦輪后由整流噴口噴出。本發明中，進氣壓縮過程由沖壓進氣椎體和離心壓氣機配合完成，控制系統通過調節各個調節閥的供給，實現整機穩定運行。同時，通過進口導向葉片與整流葉片的配合使用，完成進氣預旋和外涵道氣流整流。
[0023]本發明中，沖壓形式與離心壓縮形式組合形成增壓段，壓縮效率更高；具備啟動電機，可實現無初速度啟動；整機運行速度范圍廣，能夠適應低速到超聲速的運行范圍；調控方式使用注入氣體與燃油聯合調節，方式更靈活，達到的效果更穩定；加入了預冷卻處理，使內部效率提高，另外使整機對抗高溫材料要求降低；采用的部件結構簡單，加工制造成本低。
[0024]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1)本發明中，采用沖壓壓縮配合一級離心壓縮，效率更高，其中，沖壓壓縮是依據空氣流速產生的，不需要外加驅動力，離心壓縮單級壓比更高，因而整個壓縮過程只需要對離心壓縮施加驅動，所消耗的能量少；
2)本發明中，預冷卻處理的加入，使整機運行溫度降低，進氣端壓縮效率更高，也使得整機對于冷卻系統的要求降低，抗高溫材料要求也同樣降低；
3)本發明在低速時，進氣與燃燒做功工作由一級的離心壓氣機配合燃燒室和渦輪實現，在經過跨聲速階段時，沖壓效果逐步顯著，解決了在高速運行時單機離心壓氣