CN111692013A - 一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，采用轴对称布局形式，涡轮发动机位于中间，旋转爆震冲压发动机位于外环流道，进气道唇罩平行移动调节进气道收缩比与流量捕获；通过平行移动模态转换装置，实现发动机三种模态之间转换。模态转换器前缘处于进气道喉道下游，构建扩张型冲压和涡轮流道，可将结尾激波限制在各自流道内，屏蔽共同工作状态下旋转爆震冲压发动机与涡轮发动机跨流道间的耦合干扰。唇罩和模态转换装置平行移动的调节方式，具有操作简单、易于实现、可操作性/可靠性强、便于密封等优点。

Description

一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机及控制 方法

技术领域

本发明涉及飞行器设计领域，具体是一种组合发动机。

背景技术

依靠单一动力难以满足空天一体宽速域、宽空域、高效率飞行需求，在此需求推动下基于多种类型动力的组合推进装置应运而生，包括涡轮基组合循环发动机(TurbineBased Combined Cycle-TBCC)，火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle-RBCC)以及涡轮/火箭基组合循环发动机(Turbine/Rocket Based Combined Cycle-T/RBCC)等。组合循环发动机核心是发挥各型发动机在其马赫数工作范围内的性能优势、拓展整个发动机的工作范围、提高发动机效率。

涡轮基组合循环发动机(TBCC)可以实现飞行器水平起降、重复使用、经济性好，是研究的热点。但受涡轮发动机与冲压发动机工作特性影响，涡轮基组合循环发动机在Ma2-2.5+模态区间推力较低，存在“推力陷阱”，成为制约该类发动机能否为Ma0-5+飞行提供动力的瓶颈。基于等压燃烧的冲压发动机其工作特性受来流总压影响较大，一般Ma>3.0才能够高效工作。为了填补该推力陷阱，目前主要技术思路是拓宽涡轮发动机马赫数工作范围，但从目前研究进展情况来说上述涡轮发动机研制技术难度较大。美国Aerojet公司提出的“Trijet”发动机、中国航天三院提出的涡轮辅助火箭增强冲压组合循环发动机(Turbo-aidedRocket-augmentedRamjetCombinedCycleEngine，TRRE)基于现有发动机技术水平将涡轮、火箭与冲压发动机集成，实现宽范围工作，该类发动机技术可实现性强，但集成度高、结构与控制***复杂。

此外，无论是火箭发动机、涡轮发动机，还是冲压发动机都是采用缓燃实现化学能向热能的转换。缓燃是由扩散现象主导的化学反应放热过程，较小的组份扩散速度和热扩散速度决定了缓燃波传播速度慢，一般是m/s量级，并且这种等压放热过程是熵增过程，热效率不高。

因此，需要发展一种新型组合动力方案，既能有效填补涡轮基组合循环发动机“推力缺陷”，又能避免涡轮辅助火箭增强冲压组合循环发动机集成度高、结构和控制***复杂的问题。提高组合发动机效率，为宽速域、宽空域、高效率飞行提供一种新的动力选择。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，利用旋转爆震冲压发动机自增压效应拓宽冲压发动机工作马赫数下限、增大模态转换过程推力，有效整合涡轮发动机与旋转爆震冲压发动机高比冲优势，填补现有涡轮基组合发动机设计方案普遍存在的“推力陷阱”。

本发明同时提供该发动机的控制方法。

为了达到上述目的，本发明轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机采用的技术方案如下：

一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，包括旋转爆震冲压发动机、位于旋转爆震冲压发动机内的涡轮发动机、位于涡轮发动机前端的环状的旋转爆震冲压流道环壁、位于旋转爆震冲压流道内环壁面前方的中心体；

所述旋转爆震冲压发动机具有环状的发动机外壁，涡轮发动机与发动机外壁之间形成的空间为自前向后延伸的旋转爆震冲压流道，涡轮发动机中心设有自前向后延伸的涡轮流道，该发动机外壁前方为围绕中心体的进气道唇罩，进气道唇罩与中心体形成进气道进口；所述旋转爆震冲压流道环壁的前端设有自前向后凹设的插槽，该插槽中设有模态转换器；

模态转换器为环状的移动装置，且模态转换器前端向外延伸呈喇叭状，模态转换器向前移动至最前端时与中心体相接，此时进气道进口与旋转爆震冲压流道连通，进气道进口与涡轮流道之间封闭；模态转换器向后移动至最后端时与发动机外壁内侧相接，此时进气道进口与涡轮流道连通，进气道进口与旋转爆震冲压流道之间封闭；当模态转换器移动至中间状态时，模态转换器位于中心体与发动机外壁之间，此时进气道进口同时与涡轮流道及旋转爆震冲压流道连通。

进一步的，所述进气道唇罩沿发动机外壁前后移动。

进一步的，涡轮发动机的尾端设有可调尾喷管。

进一步的，模态转换器前缘位于进气道喉道下游。

本发明还提供了上述发动机的控制方法的技术方案：发动机马赫数工作范围为马赫数0～5+，设飞行马赫数为M0，0≤M0≤5+；

当0<M0≤2.0时，模态转换器位于最后位，此时模态转换器前缘与发动机外壁接触；

当0<M0≤2.0，随着马赫数增大，具体根据涡喷发动机流量需求调节唇罩，由最后位向上游平移，此时发动机处于涡轮模态；

当2.0≤M0≤3.0时，唇罩根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器向上游水平移动，发动机处于过渡模态；

当3.0≤M0≤5.0+时，唇罩根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器向上游水平移动至与中心体接触，发动机进入旋转爆震冲压模态。

有益效果：本发明提供的一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，在Ma0→2.0，涡轮模态；Ma2.0→3.0，过渡态；Ma3.0→5.0+，旋转爆震冲压模态。涡轮发动机与旋转爆震冲压发动机的组合有效缓解了涡轮基组合循环发动机的“推力陷阱”，采用旋转爆震冲压发动机向下拓展冲压发动机的马赫数工作范围、提高模态转换过程中发动机推力。中间涡轮发动机，外环旋转爆震冲压发动机的布局形式，具有结构紧凑，有利于为旋转爆震冲压发动机和涡轮发动机提供良好的进气条件。通过平动唇罩调节进气道流量捕获与面积收缩比，解决进气道自起动问题以及高马赫数条件下气流高效压缩问题；模态转换器采用平动调节，可以实现纯涡轮模态、过渡态、纯旋转爆震冲压模态的工作转换。模态转换器前缘位于进气道喉道下游形成扩张型的超声速冲压流道，可将结尾激波限制在给自流道内，屏蔽共同工作状态下旋转爆震发动机和涡轮发动机的耦合干扰。唇罩及模态转换器调节形式均为平动，该调节形式具有可操作性强、易于实现、便于调节与密封等优点。发明提供的一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机设计方案，充分利用爆震燃烧自增压效应与等容燃烧特性，拓宽冲压发动机工作马赫数下限、增大模态转换过程发动机推力，有效整合了涡轮发动机与旋转爆震冲压发动机高比冲优势，填补了现有涡轮基组合循环发动机设计方案普遍存在的推力陷阱。提高组合发动机的效率，保证此型组合发动机可以在宽泛的马赫数范围内有效工作，并获得较好的气动性能。

附图说明

图1是本发明一种采用轴对称内并联涡轮旋转爆震组合发动机剖面结构示意图。

图2是本发明中发动机涡轮模态下剖面结构示意图。

图3是本发明中发动机过渡模态下剖面结构示意图。

图4是本发明中发动机旋转爆震冲压模态下剖面结构示意图。

图中截面A₁-A₂表示旋转爆震冲压流道的扩张超声速流道，C表示冲压扩张流道内产生的一道结尾激波，D表示涡轮流道扩张段内产生的一道结尾激波。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，包括旋转爆震冲压发动机9、位于旋转爆震冲压发动机内的涡轮发动机8、位于涡轮发动机8前端的环状的旋转爆震冲压流道环壁5、位于旋转爆震冲压流道内环壁5面前方的中心体1。所述旋转爆震冲压发动机具有环状的发动机外壁7。涡轮发动机8与发动机外壁7之间形成的空间为自前向后延伸的旋转爆震冲压流道6。涡轮发动机8中心设有自前向后延伸的涡轮流道11。该发动机外壁7前方为围绕中心体的可前后移动的进气道唇罩3。进气道唇罩3与中心体1形成进气道进口2。所述旋转爆震冲压流道环壁5的前端设有自前向后凹设的插槽12，该插槽中设有模态转换器4。涡轮发动机的尾端设有可调尾喷管10。

在本实施方式中，通过模态转换器4的前后移动可以调整整体进气道结构的模态转换。模态转换器4为环状的移动装置，且模态转换器4前端向外延伸呈喇叭状。模态转换器4向前移动至最前端时与中心体1相接，此时进气道进口2与旋转爆震冲压流道6连通，进气道进口2与涡轮流道11之间封闭。模态转换器向后移动至最后端时与发动机外壁7内侧相接，此时进气道进口2与涡轮流道11连通，进气道进口2与旋转爆震冲压流道6之间封闭。当模态转换器4移动至中间状态时，模态转换器4位于中心体1与发动机外壁7之间，此时进气道进口2同时与涡轮流道11及旋转爆震冲压流道6连通。

涡轮发动机与旋转爆震冲压发动机组合是本发明的第一个关键点，利用旋转爆震燃烧的自增压效应和等容燃烧的特性向下拓展旋转爆震冲压发动机的马赫数工作范围、增大模态转换过程发动机推力，有效整合了涡轮发动机与旋转爆震冲压发动机高比冲优势，填补了涡轮基组合循环发动机的“推力陷阱”，提高组合发动机效率。

所述轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机布局采用轴对称布局形式，涡轮发动机8位于中间，旋转爆震冲压发动机9位于外环流道是本发明的第二个关键点。旋转爆震冲压发动机9是一种利用连续爆震燃烧来产生推力的新概念发动机，这类发动机通常采用环形燃烧室。所述组合发动机的布局形式有利于促进旋转爆震发动机稳定工作，改善旋转爆震发动机的工作特性，结构紧凑，减少发动机迎风阻力。

进气道唇罩3采用平行移动方式调节进气道流量捕获与面积收缩比是本发明的第三个关键点，平行移动的调节方式操作简单、易于实现、可操作性/可靠性强强，便于密封，可缓解进气道自起动与高效压缩之间的矛盾。

模态转换装置4平行移动进行发动机工作模态转换是本发明的第四个关键点。平行移动的调节方式操作简单、易于实现、可操作性/可靠性强强，便于密封。可实现纯涡轮模态、过渡模态、旋转爆震冲压模态之间的转化。

模态转换器前缘位于进气道喉道下游是本发明的第五个关键点。如图三所示，截面A₁-A₂是旋转爆震冲压流道的扩张超声速流道。共同工作时冲压扩张流道内产生一道结尾激波C，涡轮流道扩张段内产生一道结尾激波D，将结尾激波限制在各自流道内，可屏蔽共同工作状态下旋转爆震发动机与涡轮发动机跨流道间的耦合干扰。

本发明一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机在不同飞行马赫数下，发动机工作过程中具体操作如下：

此型组合发动机马赫数工作范围为马赫数0～5+，设其飞行马赫数为M₀(0≤M₀≤5+)。Ma₀0→2.0，涡轮模态；Ma₀2.0→3.0，过渡态；Ma₀3.0→5.0+，旋转爆震冲压模态。(1)当0<M₀≤2.0时，模态转换器4位于最后位，此时模态转换器前缘与发动机外壁7接触，如图2所示。(2)当0<M₀≤2.0，随着马赫数增大，具体根据涡喷发动机流量需求调节可移动唇罩2，由最后位向上游平移，此时发动机处于涡轮模态。(3)参照图3所示，当2.0≤M₀≤3.0时，唇罩2根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器4向上游水平移动，发动机处于过渡模态。(4)参照图4所示，当3.0≤M₀≤5.0+时，唇罩2根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器4向上游水平移动至与中心体1接触，发动机进入旋转爆震冲压模态。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明实施方式之一。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，其特征在于：包括旋转爆震冲压发动机、位于旋转爆震冲压发动机内的涡轮发动机、位于涡轮发动机前端的环状的旋转爆震冲压流道环壁、位于旋转爆震冲压流道内环壁面前方的中心体；

所述旋转爆震冲压发动机具有环状的发动机外壁，涡轮发动机与发动机外壁之间形成的空间为自前向后延伸的旋转爆震冲压流道，涡轮发动机中心设有自前向后延伸的涡轮流道，该发动机外壁前方为围绕中心体的进气道唇罩，进气道唇罩与中心体形成进气道进口；所述旋转爆震冲压流道环壁的前端设有自前向后凹设的插槽，该插槽中设有模态转换器；

模态转换器为环状的移动装置，且模态转换器前端向外延伸呈喇叭状，模态转换器向前移动至最前端时与中心体相接，此时进气道进口与旋转爆震冲压流道连通，进气道进口与涡轮流道之间封闭；模态转换器向后移动至最后端时与发动机外壁内侧相接，此时进气道进口与涡轮流道连通，进气道进口与旋转爆震冲压流道之间封闭；当模态转换器移动至中间状态时，模态转换器位于中心体与发动机外壁之间，此时进气道进口同时与涡轮流道及旋转爆震冲压流道连通。

2.根据权利要求1所述的轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，其特征在于：所述进气道唇罩沿发动机外壁前后移动。

3.根据权利要求2所述的轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，其特征在于：涡轮发动机的尾端设有可调尾喷管。

4.根据权利要求1或2或3所述的轴对称内并联涡轮基旋转爆震冲压组合发动机，其特征在于：模态转换器前缘位于进气道喉道下游。

5.一种如权利要求1至4中任一项所述发动机的控制方法，其特征在于：发动机马赫数工作范围为马赫数0～5+，设飞行马赫数为M0，0≤M0≤5+；

当0<M0≤2.0时，模态转换器位于最后位，此时模态转换器前缘与发动机外壁接触；

当0<M0≤2.0，随着马赫数增大，具体根据涡喷发动机流量需求调节唇罩，由最后位向上游平移，此时发动机处于涡轮模态；

当2.0≤M0≤3.0时，唇罩根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器向上游水平移动，发动机处于过渡模态；

当3.0≤M0≤5.0+时，唇罩根据发动机流量需求水平向上游移动，同时模态转换器向上游水平移动至与中心体接触，发动机进入旋转爆震冲压模态。

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