CN108869036A - 高速飞行器及涡喷发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涡喷发动机，涡轮轴包括顺序架撑核心压气机和燃气涡轮的前端涡轮轴，和架撑介质涡轮的后端涡轮轴，前端涡轮轴和后端涡轮轴之间设置有控制二者连接或断开的离合机构。还包括当高于飞行状态设定值时，连接离合机构，并控制燃气涡轮封闭，和低于飞行状态设定值时，离合机构断开，并控制燃气涡轮开启的控制装置。还包括与介质涡轮连通，并在离合机构连接时，驱动介质涡轮做功的预冷闭式循环***。通过将涡轮轴设置为分段控制结构，并在涡轮轴不同连接状态下控制燃气涡轮和介质涡轮工作状态的切换，预冷闭式循环***仅在高马赫数在进行工作，提高经济性，优化了高速飞行器的运行性能。本发明还提供了一种高速飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及高速飞行器技术领域，更具体地说，涉及一种高速飞行器及涡喷发动机。
背景技术
高速飞行器的发展是飞行器发展的一个重要方向。在军用方面，实施全球战略打击和时敏攻击必然需要高速飞行器；在民用方面，高速飞行器的发展会极大提高运输速度，为民用航空运输业会带来极大的经济效益，同时给人类带来巨大的便利。目前，在高速飞行研究中一个重要的问题是飞行器的推进***，虽然现在有多种高速飞行器推进***，但都有其各自的缺点。
人们之前曾研究过氢/氧火箭发动机，其较高的推重比可以为高速飞行器提供动力，但是受其发射方式限制且不能重复使用等问题，其应用具有很大的局限性；冲压发动机虽然可以在很高的飞行速度下工作，且具有良好的性能，但是在低速时无法自行起动，其低速时不能工作的限制决定了不能为今后的高速飞行器发展提供可靠的动力。
现有高速飞行器动力***中，有一部分采用强预冷模式的动力***。但是现有的强预冷模式高速飞行器动力***，在低马赫数飞行时，预冷循环***需要一直工作，为维持工作，则需要一直消耗低温燃料作为冷源，而在绝大多数低马赫数工况下，冷却所需要的燃料量远大于燃烧所需要的燃料量，导致作为冷却用的冷源燃料只能直接排放，造成了巨大的燃料浪费。在低速飞行时，燃料浪费严重，经济性差，限制了其应用前景。
因此，如何优化高速飞行器动力***不同动力下的运行性能，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种涡喷发动机，以优化高速飞行器动力***不同动力下的运行性能；本发明还提供了一种高速飞行器。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种涡喷发动机，包括机体和设置于所述机体进排气通道内的涡轮排气装置；
所述涡轮排气装置包括轴向沿所述进排气通道布置的涡轮轴，所述涡轮轴包括顺序架撑核心压气机和燃气涡轮的前端涡轮轴，和架撑介质涡轮的后端涡轮轴，所述前端涡轮轴和所述后端涡轮轴之间设置有控制二者连接或断开的离合机构；
还包括当高于飞行状态设定值时，连接所述离合机构，并控制所述燃气涡轮封闭，
和当低于飞行状态设定值时，断开所述离合机构，并控制所述燃气涡轮开启的控制装置；
还包括与所述介质涡轮连通，并在所述离合机构连接时，驱动所述介质涡轮做功的预冷闭式循环***。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述燃气涡轮的前端和后端设置有同步动作，控制所述燃气涡轮的排气通道开启或关闭的第一活门和第二活门。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述预冷闭式循环***上设置有伸出至所述核心压气机的前端，对其内的工质进行加热的第一换热器。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述预冷闭式循环***上还设置有与所述第一换热器连通，伸出至所述核心压气机的后端，对其内的工质进行二次加热的第二换热器。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述进排气通道包括位于所述核心压气机后端的燃烧室和位于所述介质涡轮后端的加力燃烧室，所述第二换热器设置于所述燃烧室内。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述预冷闭式循环***上还设置有位于所述介质涡轮的工质回路上，控制所述工质回路断开的第三活门。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述工质回路上还顺序设置有由所述工质驱动的膨胀涡轮，和由所述膨胀涡轮驱动对所述工质进行压缩的工质泵，所述膨胀涡轮和所述工质泵之间设置有连通所述工质回路和所述工质泵的流入端的工质二次换热回路。
优选地，在上述涡喷发动机中，所述工质二次换热回路上顺序设置有与所述工质泵流出的压缩工质进行换热的第三换热器，和对燃料管路进行换热的第四换热器。
优选地，所述飞行状态设定值为2-3.5。
一种高速飞行器，其推进***内设置有涡喷发动机，所述涡喷发动机为如上任意一项所述的涡喷发动机。
本发明提供的涡喷发动机，包括机体和设置于机体进排气通道内的涡轮排气装置；涡轮排气装置包括轴向沿进排气通道布置的涡轮轴，涡轮轴包括顺序架撑核心压气机和燃气涡轮的前端涡轮轴，和架撑介质涡轮的后端涡轮轴，前端涡轮轴和后端涡轮轴之间设置有控制二者连接或断开的离合机构。涡轮排气装置内设置可连接或断开的涡轮轴，涡轮轴断开时，前端涡轮轴带动核心压气机和燃气涡轮转动，涡轮轴连接时，前端涡轮轴和后端涡轮轴连接为一体结构，可同时带动介质涡轮工作。
还包括当高于飞行状态设定值时，连接离合机构，并控制燃气涡轮封闭，和低于飞行状态设定值时，离合机构断开，并控制燃气涡轮开启的控制装置。还包括与介质涡轮连通，并在离合机构连接时，驱动介质涡轮做功的预冷闭式循环***。涡喷发动机在高马赫数和低马赫数需求动力不同，低马赫数时，离合机构断开时，介质涡轮不工作，燃气涡轮为开启状态，此时涡喷发动机处于涡喷/涡扇工作模式，即可满足动力要求。高马赫数时，离合机构连接，介质涡轮随涡轮轴转动进行动力输出，燃气涡轮封闭断开，此时预冷闭式循环***介入工作，驱动介质涡轮工作，涡喷发动机处于涡喷/涡扇与预冷闭式循环***协同工作模式。通过将涡轮轴设置为分段控制结构，并在涡轮轴不同连接状态下控制燃气涡轮和介质涡轮工作状态的切换，预冷闭式循环***仅在高马赫数在进行工作，提高经济性，优化了高速飞行器的运行性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的涡喷发动机在涡喷/涡扇模式的工作结构示意图；
图2为本发明提供的涡喷发动机在涡喷/涡扇+预冷闭式循环***模式的工作结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种涡喷发动机，优化了高速飞行器动力***不同动力下的运行性能；本发明还提供了一种高速飞行器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1为本发明提供的涡喷发动机在涡喷/涡扇模式的工作结构示意图；图2为本发明提供的涡喷发动机在涡喷/涡扇+预冷闭式循环***模式的工作结构示意图。
本发明提供了一种涡喷发动机，包括机体和设置于机体进排气通道1内的涡轮排气装置；涡轮排气装置包括轴向沿进排气通道布置的涡轮轴，涡轮轴包括顺序架撑核心压气机3和燃气涡轮14的前端涡轮轴，和架撑介质涡轮9的后端涡轮轴，前端涡轮轴和后端涡轮轴之间设置有控制二者连接或断开的离合机构12。涡轮排气装置内设置可连接或断开的涡轮轴，涡轮轴断开时，前端涡轮轴带动核心压气机3和燃气涡轮14转动，涡轮轴连接时，前端涡轮轴和后端涡轮轴连接为一体结构，可同时带动介质涡轮9工作。
飞行状态设定值为判定涡喷发动机处于高马赫数还是低马赫数的临界值，低飞行马赫数(以下简称低马赫数)为马赫数低于该飞行状态设定值，高飞行马赫数(以下简称高马赫数)为马赫数高于该飞行状态设定值。
当高马赫数时，连接离合机构12，并控制燃气涡轮14封闭，和低马赫数时，离合机构12断开，并控制燃气涡轮14开启的控制装置。还包括与介质涡轮9连通，并在离合机构12连接时，驱动介质涡轮9做功的预冷闭式循环***。涡喷发动机在高马赫数和低马赫数需求动力不同，低马赫数时，离合机构12断开时，介质涡轮9不工作，燃气涡轮14为开启状态，此时涡喷发动机处于涡喷/涡扇工作模式，即可满足动力要求。高马赫数时，离合机构12连接，介质涡轮9随涡轮轴转动进行动力输出，燃气涡轮14封闭断开，此时预冷闭式循环***介入工作，驱动介质涡轮9工作，涡喷发动机处于涡喷/涡扇与预冷闭式循环***协同工作模式。通过将涡轮轴设置为分段控制结构，并在涡轮轴不同连接状态下控制燃气涡轮14和介质涡轮9工作状态的切换，预冷闭式循环***仅在高马赫数在进行工作，提高经济性，优化了高速飞行器的运行性能。
在本案一具体实施例中，燃气涡轮14的前端和后端设置有同步动作，控制燃气涡轮14的排气通道开启或关闭的第一活门15和第二活门13。燃气涡轮14的前端设置第一活门15，燃气涡轮14的后端设置第二活门13，当燃气涡轮14开启时，第一活门15和第二活门13(如图1所示)为打开状态，燃气涡轮14工作，进气通过燃气涡轮14的内部流出。当燃气涡轮14关闭时，第一活门14和第二活门13(如图2所示)为闭合状态，燃气涡轮14不工作，进气由燃气涡轮14的周向排出。
在本案一具体实施例中，预冷闭式循环***上设置有伸出至核心压气机2的前端，对其内的工质进行加热的第一换热器2。预冷闭式循环***内设置超临界状体流体作为闭式循环的工质，可以采用液氢作为工质，介质涡轮9通过工质推动介质涡轮9做功，工质温度的高低影响介质涡轮的做功能力。
通过将预冷闭式循环***工质输送管路伸出至核心压气机3的前端，并设置与输送管路内工质进行换热的第一换热器2，则进排气通道1内的进气进入核心压气机3前，通入第一换热器2后流出，由涡喷发动机的进气提升工质的温度，进而提高介质涡轮9的做功能力。
在本案一具体实施例中，预冷闭式循环***上还设置有与第一换热器2连通，伸出至核心压气机3的后端，对其内的工质进行二次加热的第二换热器16。在涡喷/涡扇和预冷闭式循环***协同工作时，核心压气机3后的燃烧室内空气与燃料燃烧产生高温气体，通过第二换热器16对工质加热，在核心压气机3的后端设置第二换热器16，经第一换热器2流出的工质通入到第二换热器16后送入介质涡轮9，进一步提升工质温度，从而进一步提高介质涡轮9的做功能力。
在本案一具体实施例中，进排气通道1包括位于核心压气机3后端的燃烧室17和位于介质涡轮9后端的加力燃烧室10，第二换热器16设置于燃烧室17内。空气通过涡喷发动机的进排气通道1进入推进***中，首先经过核心压气机3压缩，高压气体在燃烧室17中与燃料掺混、点燃，高温高压燃气经燃气涡轮14所处的进排气通道流出。在燃气涡轮14工作时，高温高压气体经过燃气涡轮14内部，燃气涡轮14膨胀做功驱动核心压气机3，最后在加速状态下经加力燃烧室10点燃加热，在尾喷管11中膨胀加速产生推力。
而在燃气涡轮14封闭，高压高温气体与第二换热器16换热，由高温工质推动介质涡轮9做功以驱动核心压气机3，排气在加力燃烧室10内与燃料掺混、点燃，在尾喷管11中膨胀加速直接进行推力输出。
在本案一具体实施例中，预冷闭式循环***上还设置有位于介质涡轮9的工质回路上，控制工质回路断开的第三活门8。涡喷发动机包括燃气涡轮14和介质涡轮9轮流工作两种工作状态，在前端涡轮轴和后端涡轮轴断开时，介质涡轮9不工作，因此无需预冷闭式循环***内工质流通。通过在介质涡轮9的工质回路上设置第三活门8，通过第三活门8的通断控制预冷闭式循环***的导通或断开，实现与燃气涡轮14和介质涡轮9的同步切换动作。
在本案一具体实施例中，工质回路上还顺序设置有由工质驱动的膨胀涡轮7，和由膨胀涡轮7驱动对工质进行压缩的工质泵4，膨胀涡轮7和工质泵4之间设置有连通工质回路和工质泵的流入端的工质二次换热回路19。驱动介质涡轮9动作后的工质继续回流至工质泵4进行压缩，工质泵4通过膨胀涡轮7提供工作动力，工质经工质回路流回至膨胀涡轮7，由工质内的能量提供膨胀涡轮7的工作动力。考虑到介质涡轮9在工作时需要提升工质涡轮4排出的工质温度，将回流的工质经工质二次换热回路19，降低工质回路内的工质温度同时，提高工质泵流出的工质温度。
具体地，工质二次换热回路19上顺序设置有与工质泵4流出的压缩工质进行换热的第三换热器6，和对燃料管路18进行换热的第四换热器5。工质二次换热回路19上设置第三换热器6，工质泵4内流出的压缩工质通入第三换热器6，同时回流的工质经第三换热器6回流至工质泵4的入口，通过回流和流出的工质的换热，同时起到对流出的工质加温，对回流的工质降温工作。
工质二次换热回路19上还设置有第四换热器5，第四换热器5对燃料管路18和回流的工质进行换热，利用回流工质内高温提高燃料管路内燃料温度，提高燃料燃烧性能。
现结合附图1和附图2，对本实施例提供的涡喷发动机的工作状态进行详细说明。
当飞行马赫数低于飞行设定值时，动力***处理涡喷/涡扇工作模式下，主要涉及的工作结构包括进排气通道1、核心压气机3、燃烧室17、燃气涡轮14、加力燃烧室10、尾喷管11。
此时第一活门15、第二活门13打开，第三活门8关闭，预冷闭式循环***不工作，离合机构12脱开，介质涡轮9与前端涡轮轴脱开，介质涡轮9不工作，燃气涡轮14工作，燃烧室17点火，同时调节尾喷管11的相关截面面积，使推进***处于涡喷发动机模式。
在此工作模式中，空气通过进排气通道1进入推进***后，首先经过核心压气机3压缩，高压气体在燃烧室17中与燃料掺混、点燃，高温高压燃气经过燃气涡轮14膨胀做功来驱动核心压气机3，最后在加速状态下经过加力燃烧室10点燃加热，在尾喷管11中膨胀加速以产生推力。
当飞行马赫数高于飞行设定值时，动力***处理涡喷/涡扇+预冷闭式循环***工作模式下，主要涉及的工作结构还包括第一换热器2、第二换热器16、介质涡轮9、膨胀涡轮7、第三换热器6、第四换热器5、工质泵4。
此时第一活门15、第二活门13关闭和第三活门8打开，离合机构12闭合，燃气涡轮14不工作，介质涡轮9工作，预冷闭式循环***工作，燃烧室17点火，同时调节尾喷管11的相关截面面积，使推进***处于涡喷+预冷闭式循环***工作模式。
在此工作模式中，预冷闭式循环***的工质在第一换热器2中吸收来流空气热量升温，再通过第二换热器16与高温燃气换热升温，进而高温工质推动工质涡轮9做功以驱动核心压气机3，再流经膨胀涡轮7膨胀做功以驱动工质泵4，然后流经第三换热器6被工质泵4流出的低温工质冷却，再经过第四换热器5对燃料放热降温，之后在工质泵4中被压缩，最后流回第一换热器2形成封闭的循环，闭式循环***周而复始不断工作。
同时，流入推进***的空气经第一换热器2降温后，由核心压气机3压缩，流经燃烧室点燃为预冷闭式循环***的工质加热，之后流入加力燃烧室10与燃料掺混、点燃，在尾喷管11中膨胀加速以产生推力。
进排气通道1的前端设置有通道前端内径渐缩，后端内径渐扩的变径排气通道，核心压力机3设置于变径排气通道的前端。进排气通道的进气结构对涡喷发动机来流流量计流速有重要影响，通过进排气通道的前端变径排气通道结构设计，实现不同来流供应，优化涡喷发动机的燃烧效率。
马赫数是流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数，记为Ma。定义为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比，即Ma＝v/c。
与相同推力，相同空气流量的现有强预冷模式高速飞行器动力相比，现有涡喷/涡扇发动机与预冷闭式循环结合的方案中，闭式循环始终工作，即使在低马赫低进气温度时也工作，而为维持闭式循环工作，必须消耗低温冷源流体，在绝大多数情况下，为维持闭式循环工作所需的该冷却工质的量远远高于作为燃料所需的量，因而造成低温冷却介质的大量排放，造成燃料浪费。
而本实例在低马赫数时冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比有着突出的优势。
在Ma＝0工作时，原有强预冷模式高速飞行器动力采用甲烷作为燃料，冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为4.9。
在Ma＝0.9工作时，原有强预冷模式高速飞行器动力采用氢气作为燃料，加力燃烧室不工作时冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为1.97；在工质涡轮和工质泵采用一级的设计中，冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为7，而本发明在这种工况下冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为0。
在Ma＝2工作时，原有强预冷模式高速飞行器动力采用甲烷作为燃料，冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为9.09，而本发明在这种工况下冷却用燃油消耗量及燃烧用燃油消耗量之比为0。
由以上数据可以看出，在低马赫数下，介质涡轮不工作，可以使得低马赫数工作时冷却需要的低温燃料量为零，大大节省了工质冷却用燃油消耗量。在高马赫下，需要保证涡喷发动机具有足够的输出动力，因此需要启动介质涡轮，并将预冷闭式循环***开启满足介质涡轮的工作要求。
优选地，飞行状态设定值为2-3.5。即，根据涡喷发动机不同的使用环境和动力需求，可将飞行状态设定值设定为2-3.5范围内并取一优选值，在低马赫数处于飞行状态设定值以下时，燃气涡轮工作带动核心压气机，介质涡轮关闭；反之，介质涡轮工作带动核心压气机。通过对不同涡喷发动机飞行状态设定值的设定，可使涡喷发动机在不同的应用环境中，获得优化的涡喷/涡扇模式与涡喷/涡扇+预冷闭式循环***模式的切换，使得核心压气机在各种来流下处在最佳工作状态，提高了核心压气机在不同来流条件下的工作性能。
一种高速飞行器，其推进***内设置有涡喷发动机，所述涡喷发动机为如上任意一项所述的涡喷发动机。
基于上述实施例中提供的涡喷发动机，本发明还提供了一种高速飞行器，其推进***内设置有涡喷发动机，该高速飞行器上设有的涡喷发动机为上述实施例中提供的涡喷发动机。
由于该高速飞行器采用了上述实施例的涡喷发动机，所以该高速飞行器由涡喷发动机带来的有益效果请参考上述实施例。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种涡喷发动机，其特征在于，包括机体和设置于所述机体进排气通道内的涡轮排气装置；
所述涡轮排气装置包括轴向沿所述进排气通道布置的涡轮轴，所述涡轮轴包括顺序架撑核心压气机和燃气涡轮的前端涡轮轴，和架撑介质涡轮的后端涡轮轴，所述前端涡轮轴和所述后端涡轮轴之间设置有控制二者连接或断开的离合机构；
还包括当高于飞行状态设定值时，连接所述离合机构，并控制所述燃气涡轮封闭，
和当低于所述飞行状态设定值时，断开所述离合机构，并控制所述燃气涡轮开启的控制装置；
还包括与所述介质涡轮连通，并在所述离合机构连接时，驱动所述介质涡轮做功的预冷闭式循环***。
2.根据权利要求1所述的涡喷发动机，其特征在于，所述燃气涡轮的前端和后端设置有同步动作，控制所述燃气涡轮的排气通道开启或关闭的第一活门和第二活门。
3.根据权利要求1所述的涡喷发动机，其特征在于，所述预冷闭式循环***上设置有伸出至所述核心压气机的前端，对其内的工质进行加热的第一换热器。
4.根据权利要求3所述的涡喷发动机，其特征在于，所述预冷闭式循环***上还设置有与所述第一换热器连通，伸出至所述核心压气机的后端，对其内的工质进行二次加热的第二换热器。
5.根据权利要求4所述的涡喷发动机，其特征在于，所述进排气通道包括位于所述核心压气机后端的燃烧室和位于所述介质涡轮后端的加力燃烧室，所述第二换热器设置于所述燃烧室内。
6.根据权利要求4所述的涡喷发动机，其特征在于，所述预冷闭式循环***上还设置有位于所述介质涡轮的工质回路上，控制所述工质回路断开的第三活门。
7.根据权利要求4所述的涡喷发动机，其特征在于，所述工质回路上还顺序设置有由所述工质驱动的膨胀涡轮，和由所述膨胀涡轮驱动对所述工质进行压缩的工质泵，所述膨胀涡轮和所述工质泵之间设置有连通所述工质回路和所述工质泵的流入端的工质二次换热回路。
8.根据权利要求7所述的涡喷发动机，其特征在于，所述工质二次换热回路上顺序设置有与所述工质泵流出的压缩工质进行换热的第三换热器，和对燃料管路进行换热的第四换热器。
9.根据权利要求1所述的涡喷发动机，其特征在于，所述飞行状态设定值为2-3.5。
10.一种高速飞行器，其推进***内设置有涡喷发动机，其特征在于，所述涡喷发动机为如权利要求1-9中任意一项所述的涡喷发动机。
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