CN107842423A - 适用于小型涡喷发动机的喷水或甲醇的增推*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮喷气发动机，包括：进气道，空气通过进气道进入涡轮喷气发动机；压气机，压气机设置在进气道之后，以提高通过进气道进入的空气的压力；燃烧室，空气经过压气机以后进入燃烧室内与燃油混合燃烧，膨胀做功；涡轮，涡轮与压气机同轴地安装在发动机轴上，从燃烧室流出的高温高压燃气推动涡轮转动；尾喷管，从涡轮中流出的高温高压燃气在尾喷管中继续膨胀，并且沿着发动机轴向后排出；和增推装置，增推装置朝向进气道喷入液体，以增加涡轮喷气发动机的进口流量。

Description

适用于小型涡喷发动机的喷水或甲醇的增推***

技术领域

本发明涉及一种航空领域，更具体地涉及航空发动机及其增推***，主要适用于小型高速无人机及其涡喷动力装置。

背景技术

小型高速无人机可用作侦查、探测、攻击、靶标等用途，飞行高度多在12000米以下，巡航时间较短，一般不超过2小时。同时由于其特殊的战术目的，要求飞机短时可达0.7～0.9马赫的高亚音速，个别超音速类型甚至要达到1.2～1.5马赫的超音速飞行，这就对飞机的动力***提出了较高的要求，需要发动机具备成本低、性能高、寿命短的基本性能，而且要能实现短时大推力输出。这一类无人机通常配备小型涡喷发动机作为其动力装置，地面标准推力多在200daN以下，采用单级离心而非多级轴流的设计，这种设计既能尽量提高压气机压比，增加发动机升限，同时也能简化发动机结构，缩短转子轴系，增强转子刚度。但采用离心压气机的设计，发动机的外径却相对较大，装配在无人机上会增大风阻面积，降低无人机飞行速度，无法满足飞机短时高速飞行的要求。

为了解决上述问题，现有技术提出了一些可行方案，其核心即是给发动机增加推力，其中通常采用的方法是发动机加力燃烧方案。该方案即是在发动机涡轮后增加一级加力燃烧室，通过涡轮排出气体的二次燃烧继续提高排气温度从而增加尾喷管排气速度，达到增推的目的。通过增加加力燃烧而提高发动机推力是目前主流的方法，在军用飞机上已广泛采用。但这种方法在小型无人机上使用仍有一定的局限性：采用加力方案需要增加加力燃烧室、点火器、火焰稳定器、可调尾喷管、作动机构等一系列部件，***结构大为复杂，重量增加；且发动机造价显著提高，特别是用在短寿无人机上经济性极差。

因此，需要寻求一种适用于小型涡喷发动机的增推***，能够针对小型高速无人机的特定需求，在保证动力装置使用经济性的前提下，有效增加发动机推力，满足无人机在不同工况下的推力需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、适用于小型高速无人机的涡喷发动机增推方法及***。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是对小型涡喷发动机喷水/甲醇增推，即飞机携带适量的水或甲醇，当飞行逼近最高速度需要发动机提供额外大推力的时候，往发动机进气道喷入一定量的水或甲醇，相当于增加发动机进口流量，从而达到增加发动机推力的目的。经试验测试，往发动机进气道喷入充分雾化的水或甲醇，发动机推力显著增加，且不影响发动机可靠性及寿命。例如，往进气道喷入相当于7％空气流量的雾化水或甲醇，发动机推力增加达到35％，完全能满足飞机对发动机动力增加的需求。

水和甲醇是工业上常用的原材料，易于获取，价格便宜，因此作为发动机增推的喷射原料。而这两者不同的物理属性也决定其分别适用于不同类型的无人机。水比重大、体积小、易雾化，但冰点高，在高空低温环境易结冰，适于低空飞行无人机，譬如掠海靶机等；而甲醇冰点低至-97℃，适于高空飞行无人机，譬如高空侦察机、靶弹等。

为了实现以上技术方案，构建小型涡喷发动机的喷水/甲醇增推***，包括小型涡喷发动机、水/甲醇存储箱、管路、电机泵、电磁阀、过滤器、喷嘴、ECU控制器等。飞机正常飞行时，***的电磁阀处于关闭状态，当需要发动机提供大推力时，ECU控制电磁阀打开，同时控制电机泵运转，抽取存储箱内的水或甲醇，喷射入发动机进气道内，从而增大发动机推力。通过ECU调节电机泵转速控制喷入发动机进气道的水或甲醇的流量，进而调节发动机推力的增加幅度。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，包括：

进气道，空气通过所述进气道进入所述涡轮喷气发动机；

压气机，所述压气机设置在所述进气道之后，以提高通过所述进气道进入的空气的压力；

燃烧室，空气经过所述压气机以后进入所述燃烧室内与燃油混合燃烧，膨胀做功；

涡轮，所述涡轮与所述压气机同轴地安装在发动机轴上，从所述燃烧室流出的高温高压燃气推动所述涡轮转动；和

尾喷管，从所述涡轮中流出的高温高压燃气在所述尾喷管中继续膨胀，并且沿着发动机轴向后排出。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，还包括：

增推装置，所述增推装置朝向所述进气道喷入液体，以增加涡轮喷气发动机的进口流量。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述增推装置包括喷射装置，所述喷射装置设置在所述进气道的入口前方，以向所述进气道喷射液体。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述液体是水。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于低空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的水。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述液体是甲醇。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于高空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的甲醇。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述喷射装置包括一排雾化喷嘴，以将液体雾化并且喷射进入所述进气道。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述雾化喷嘴将进入所述进气道的液体雾化，使得雾化粒径达到50μm以下以与来流空气充分掺混。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，还包括：

存储箱，所述存储箱设置用于存储诸如水或甲醇的液体；和

控制器，所述控制器控制存储箱内液体进入所述进气道的流量。

采用本发明所述方案相比于传统的加力燃烧等增推方式，结构简单易实现，成本低廉且技术难度低，在不增加发动机结构复杂性、几乎不消耗电能的前提下，有效地实现了某些小型高速无人机短时增推的特殊要求。该发明在某小型无人机高空试飞取得了良好的效果。

附图说明

图1为本发明的***装置示意图。

标号说明：

水/甲醇存储箱1；

电机泵2；

电磁阀3；

管路4；

过滤器5；

喷嘴6；

涡喷发动机7；

ECU控制器8。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，包括：

进气道，空气通过所述进气道进入所述涡轮喷气发动机；

压气机，所述压气机设置在所述进气道之后，以提高通过所述进气道进入的空气的压力；

燃烧室，空气经过所述压气机以后进入所述燃烧室内与燃油混合燃烧，膨胀做功；

涡轮，所述涡轮与所述压气机同轴地安装在发动机轴上，从所述燃烧室流出的高温高压燃气推动所述涡轮转动；和

尾喷管，从所述涡轮中流出的高温高压燃气在所述尾喷管中继续膨胀，并且沿着发动机轴向后排出。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，还包括：

增推装置，所述增推装置朝向所述进气道喷入液体，以增加涡轮喷气发动机的进口流量。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述增推装置包括喷射装置，所述喷射装置设置在所述进气道的入口前方，以向所述进气道喷射液体。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述液体是水。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于低空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的水。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述液体是甲醇。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于高空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的甲醇。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述喷射装置包括一排雾化喷嘴，以将液体雾化并且喷射进入所述进气道。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，所述雾化喷嘴将进入所述进气道的液体雾化，使得雾化粒径达到50μm以下以与来流空气充分掺混。

根据本发明的一种涡轮喷气发动机，还包括：存储箱，所述存储箱设置用于存储诸如水或甲醇的液体；和控制器，所述控制器控制存储箱内液体进入所述进气道的流量。

如图1所示，本实施例***适用于用于小型高速无人机及其涡喷动力装置，包括水/甲醇存储箱1、电机泵2、电磁阀3、管路4、过滤器5、喷嘴6、涡喷发动机7、ECU控制器8。在涡喷发动机7的进气道内安装设置喷嘴6，由ECU控制器8根据飞机指令打开电磁阀3并驱动电机泵2，引出水/甲醇存储箱1的水或甲醇，经管路4、过滤器5进入喷嘴6，喷射不同量水或甲醇，与发动机的来流空气掺混进入发动机。

本发明通过涡喷发动机7的ECU控制器8来控制增推***的开闭及增推幅度。在需要提高推力时，ECU控制器打开管路上的电磁阀3，并且驱动电机泵2抽取储存箱的水或甲醇，供给喷嘴6喷射入发动机。ECU控制器驱动电机泵不同的转速将对应喷入发动机不同的流量，同时飞机在不同的高度不同的环境压力也会影响喷射流量，因此需要提前针对不同的环境工况对增推***的喷射流量进行标定。

***所用管路4均采用无缝不锈钢管，使用前需用干净煤油循环清洗并烘干。另外在***中需设置过滤器5，过滤从水/甲醇存储箱1带来的杂质污物，一般过滤精度达到10～20μm，保证进入发动机的液体清洁，不至于污染、腐蚀发动机叶片。

喷嘴6需要采用精度较高的雾化喷嘴，保证喷入发动机进气道的水或甲醇能够充分雾化，且顺着气流方向。一般要求雾化粒径要达到50μm以下，喷嘴雾化锥角在60～90度，使得雾化的水或甲醇与来流空气充分掺混，保证喷入的液体能充分利用，提高增推效率。

由于通常小型高速无人机载荷及空间较小，其所能携带的水/甲醇存储箱体积有限，因此本发明所述增推***只适于需要短时增推的小型高速无人机及其涡喷动力***。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种涡轮喷气发动机，包括：

进气道，空气通过所述进气道进入所述涡轮喷气发动机；

压气机，所述压气机设置在所述进气道之后，以提高通过所述进气道进入的空气的压力；

燃烧室，空气经过所述压气机以后进入所述燃烧室内与燃油混合燃烧，膨胀做功；

涡轮，所述涡轮与所述压气机同轴地安装在发动机轴上，从所述燃烧室流出的高温高压燃气推动所述涡轮转动；和

尾喷管，从所述涡轮中流出的高温高压燃气在所述尾喷管中继续膨胀，并且沿着发动机轴向后排出。

2.根据权利要求1所述的涡轮喷气发动机，还包括：

增推装置，所述增推装置朝向所述进气道喷入液体，以增加涡轮喷气发动机的进口流量。

3.根据权利要求2所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：所述增推装置包括喷射装置，所述喷射装置设置在所述进气道的入口前方，以向所述进气道喷射液体。

4.根据权利要求2或3所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：

所述液体是水。

5.根据权利要求4所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：

在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于低空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的水。

6.根据权利要求2或3所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：

所述液体是甲醇。

7.根据权利要求6所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：

在所述涡轮喷气发动机使用在无人机时，并且所述无人机处于高空飞行时，所述喷射装置向所述进气道喷射雾化的甲醇。

8.根据权利要求3所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：所述喷射装置包括一排雾化喷嘴，以将液体雾化并且喷射进入所述进气道。

9.根据权利要求8所述的涡轮喷气发动机，其特征在于：所述雾化喷嘴将进入所述进气道的液体雾化，使得雾化粒径达到50μm以下以与来流空气充分掺混。

10.根据权利要求2所述的涡轮喷气发动机，还包括：

存储箱，所述存储箱设置用于存储诸如水或甲醇的液体；和

控制器，所述控制器控制存储箱内液体进入所述进气道的流量。