CN114645799A - 一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，属于航空航天设备技术领域。解决了传统混动发动机难以满足飞行器高速需求的问题。它包括进气道中心锥、发动机外壳、固定导向柱、高速电机、压气机、燃油喷嘴、稳燃器和喷管，进气道中心锥通过固定导向柱设置在发动机外壳的前端内部，高速电机设置在进气道中心锥的内部，压气机与高速电机相连，压气机后端的发动机外壳内部为燃烧室，燃油喷嘴数量为多个，多个燃油喷嘴沿燃烧室入口圆周方向均布在发动机外壳内壁上，稳燃器数量为多个，多个稳燃器沿燃烧室入口圆周方向均布在燃烧室靠近中心的区域上，发动机外壳后端与喷管相连。它主要用于全速域冲压发动机。

Description

一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机
技术领域
本发明属于航空航天设备技术领域，特别是涉及一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机。
背景技术
具有水平起降能力的空天飞行器是未来航空航天领域的重要发展方向，而具有水平起降能力的空天飞行器的关键技术之一就是可实现Ma0～6+飞行的宽速域发动机。当前的宽域发动机方案所面临的主要问题在于适用于高超声速飞行的双模态冲压发动机无法在马赫数较低时运行，所以宽域发动机大多采用组合动力的方式，以火箭发动机、涡轮发动机以及冲压发动机三种动力方式的组合为主进行组合。由火箭与冲压发动机组合的火箭冲压发动机在低马赫数时比冲较小，载荷能力弱；涡轮冲压发动机结构复杂，对于涡轮发动机技术要求严苛，必须采用预冷等方式提高涡轮发动机的运行马赫数；由以上三种发动机组成的发动机结构更加复杂，推重比更是难以满足空天飞行器的需求。
而随着高能量密度航空电池等技术的发展，混合动力逐渐成为一种具有潜力的未来飞行器的发展方向。一般的油电混动***大致分为串联式、并联式与串+并联式混合动力***，比常规的内燃机***具有更佳的比冲，并且与纯电动***相比，航程更远，充电时间更短，电池尺寸更小。目前混动案例有德国西门子公司的DA36 E-Star2串联式混动飞机、基于Czech UL-2研发的Song并联式混动飞机和由美国Ampaire公司改装的Cessna 337改并联式混动飞机等。然而传统混动发动机受到电机输出功率、电池大小等因素的影响运行速度较小，难以满足飞行器在高速甚至超声速时的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，以解决传统混动发动机难以满足飞行器高速需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，它包括进气道中心锥、发动机外壳、固定导向柱、高速电机、压气机、燃油喷嘴、稳燃器和喷管，所述发动机外壳前端为空气入口，所述进气道中心锥通过固定导向柱设置在发动机外壳的前端内部，所述高速电机设置在进气道中心锥的内部，所述压气机与高速电机相连，通过高速电机驱动压气机工作，所述压气机后端的发动机外壳内部为燃烧室，所述燃油喷嘴数量为多个，多个燃油喷嘴沿燃烧室入口圆周方向均布在发动机外壳内壁上，所述稳燃器数量为多个，多个稳燃器沿燃烧室入口圆周方向均布在燃烧室靠近中心的区域上，所述发动机外壳后端与喷管相连。
更进一步的，所述固定导向柱为中空结构，中空结构内设置有线路，高速电机通过线路与外部电源相连。
更进一步的，所述稳燃器为V型稳燃、支板稳燃或凹腔稳燃结构。
更进一步的，所述固定导向柱围绕发动机外壳周向设置。
更进一步的，所述压气机前端的进气道中心锥为收缩状结构。
更进一步的，所述稳燃器通过支架设置在燃烧室内。
更进一步的，所述喷管为拉法尔喷管结构。
更进一步的，所述喷管为几何可调尾喷管。
更进一步的，所述燃烧室为环形结构。
更进一步的，所述燃油喷嘴数量为8-16个，所述稳燃器数量为4-8个。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用电动辅助增压的方式，冲压发动机作为加力燃烧室提供推力，可以保证发动机在Ma0～3时具有推力，相较于TBCC与RBCC方案可以有效提高发动机低马赫数时的比冲，降低发动机爬升加速段的油耗。当速度提升至Ma2～3时，使用宽域冲压发动机可以工作到Ma6甚至更高，并可以通过主动热防护的方案将废热进行发电，在提高热防护性能的同时存储低马赫数时需要的电力，是一种有效的全速域发动机方案。
本申请采用电动压气机满足冲压燃烧室入口的压力需求，以使冲压燃烧室在低马赫数时具有良好的性能，满足空天飞行器水平起降的任务需求。进气道为超声速进气道构型，前体伸出发动机外壳的前端，具有变几何结构，可以满足Ma2～6+的飞行工况；所述的电动压缩***由高速电机与多级压气机组成，由外部电池供电，使用高速电机驱动压气机工作；所述的燃烧室位于电动压缩***之后，含有喷油孔、点火器与稳燃器等；可调尾喷管可以根据飞行马赫数的变化调整出口面积，可使发动机在全速域中具有最佳性能。
本发明使用的电动增压***，降低了传统组合发动机的质量，因此可以提高发动机的推重比，减小组合发动机的尺寸。同时使用电动压缩的方式，可以使冲压燃烧室在低速时运行，拓宽冲压燃烧室的工作范围。此外，使用电池为发动机的增压部件提供能量，可以有效提高发动机的比冲，提高飞行器的有效载荷，并且延长发动机的使用寿命。
本发明通过电动增压的方式，可以使冲压发动机在低速时以加力燃烧室的模式工作。本发明中进气道后的隔离段长度较短，总压损失较低，之后采用扩张的方式，可以使来流减速至亚声速，可以有效避免超声速通流风扇压缩能力不足的问题。本发明相较于TBCC发动机没有涡轮部件，可以有效降低发动机的质量。本发明使用混合动力，可以降低全速域发动机的碳排放量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机结构示意图；
图2为本发明所述的燃油喷嘴及稳燃器位置示意图。
1-进气道中心锥，2-发动机外壳，3-固定导向柱，4-高速电机，5-压气机，6-燃油喷嘴，7-稳燃器，8-喷管。
具体实施方式
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
参见图1-2说明本实施方式，一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，它包括进气道中心锥1、发动机外壳2、固定导向柱3、高速电机4、压气机5、燃油喷嘴6、稳燃器7和喷管8，所述发动机外壳2前端为空气入口，所述进气道中心锥1通过固定导向柱3设置在发动机外壳2的前端内部，所述高速电机4设置在进气道中心锥1的内部，所述压气机5与高速电机4相连，通过高速电机4驱动压气机5工作，所述压气机5后端的发动机外壳2内部为燃烧室，所述燃油喷嘴6数量为多个，多个燃油喷嘴6沿燃烧室入口圆周方向均布在发动机外壳2内壁上，所述稳燃器7数量为多个，多个稳燃器7沿燃烧室入口圆周方向均布在燃烧室靠近中心的区域上，所述发动机外壳2后端与喷管8相连。
所述固定导向柱3为中空结构，中空结构内设置有线路，高速电机4通过线路与外部电源相连，通过外部电源为高速电机4供电，所述固定导向柱3围绕发动机外壳2周向设置。所述燃烧室为环形结构，稳燃方式可根据发动机具体构型与大小进行选择，如V型稳燃、支板稳燃或凹腔稳燃结构。
当飞行马赫数较低时，外部电源通过中空的固定导向柱3内的线路向高速电机4供电，高速电机4驱动压气机5工作，使燃烧室入口具有一定的压升。压气机5前端的进气道中心锥1为收缩状结构以保证流道截面积增大，使来流空气于压气机5前减速至亚声速，以确保压气机5的正常工作。如果采用大功率的高速电机4，压气机5提供较高压比，可以选择使用压气机5作为高速涵道风扇提供推力。如果高速电机4驱动的风扇无法提供足够的推力，则燃烧室工作以提供额外的推力。燃油喷嘴6在冲压通道的前端，环绕发动机一周，向燃烧室喷注燃料。稳燃器7置于燃油喷嘴6后侧，相较于燃油喷嘴6通过支架深入燃烧室。如图2所示为一种可选的燃烧室构型，由外壁面向燃烧室内喷油，燃油由燃油喷嘴6向燃烧室内喷注，部分燃油也可以通过稳燃器7向燃烧室内喷注，以保证燃烧的充分。燃油喷嘴与稳燃器的数量依照发动机燃烧室的尺度布置，优选的，所述燃油喷嘴6数量为8-16个，所述稳燃器7数量为4-8个。所述喷管8为拉法尔喷管结构。
当飞行马赫数升高时，随着压气机5前来流速度的升高，电动压气机5提供足够的压升会减弱。此时进气道中心锥1作为压缩面，发动机外壳2的前端作为唇口，形成超声速进气道。此时风扇可以继续工作以降低阻力，发动机总体作为宽域冲压发动机运行。燃烧室前流道截面积的扩张较大，可以保证在宽马赫数范围内冲压燃烧室内的马赫数为亚声速。发动机的喷管8可优选为几何可调尾喷管，以保证发动机在较宽的速度范围内都拥有足够的推力。
高马赫数运行时高速电机停止对外做功，此时压气机5叶片以风车状态运行。由于本实施例中燃烧室前的流道采用扩张结构，压气机5叶片前空气速度可降低至亚声速，因此由压气机5叶片空转造成的能量损失较低，此时冲压燃烧室作为亚燃冲压燃烧室工作。如果发动机采用等直隔离段构型，则可选择使用超声速通流风扇作为压缩部件，并将叶片置于隔离段内，以保证在高马赫数飞行时空气通过压缩***后仍为超声速运行，此时燃烧室作为超燃冲压燃烧室工作。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：它包括进气道中心锥(1)、发动机外壳(2)、固定导向柱(3)、高速电机(4)、压气机(5)、燃油喷嘴(6)、稳燃器(7)和喷管(8)，所述发动机外壳(2)前端为空气入口，所述进气道中心锥(1)通过固定导向柱(3)设置在发动机外壳(2)的前端内部，所述高速电机(4)设置在进气道中心锥(1)的内部，所述压气机(5)与高速电机(4)相连，通过高速电机(4)驱动压气机(5)工作，所述压气机(5)后端的发动机外壳(2)内部为燃烧室，所述燃油喷嘴(6)数量为多个，多个燃油喷嘴(6)沿燃烧室入口圆周方向均布在发动机外壳(2)内壁上，所述稳燃器(7)数量为多个，多个稳燃器(7)沿燃烧室入口圆周方向均布在燃烧室靠近中心的区域上，所述发动机外壳(2)后端与喷管(8)相连。
2.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述固定导向柱(3)为中空结构，中空结构内设置有线路，高速电机(4)通过线路与外部电源相连。
3.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述稳燃器(7)为V型稳燃、支板稳燃或凹腔稳燃结构。
4.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述固定导向柱(3)围绕发动机外壳(2)周向设置。
5.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述压气机(5)前端的进气道中心锥(1)为收缩状结构。
6.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述稳燃器(7)通过支架设置在燃烧室内。
7.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述喷管(8)为拉法尔喷管结构。
8.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述喷管(8)为几何可调尾喷管。
9.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述燃烧室为环形结构。
10.根据权利要求1所述的一种使用电动辅助增压的轴对称全速域冲压发动机，其特征在于：所述燃油喷嘴(6)数量为8-16个，所述稳燃器(7)数量为4-8个。
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