一種液體噴射輔助式渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型組合發(fā)動(dòng)機(jī)，特別涉及一種應(yīng)用于高超聲速飛行器的可重復(fù)使用的液體噴射輔助式禍輪沖壓組合循環(huán)(Mass Inject1n-Assistant Turbine-BasedCombined Cycle,簡(jiǎn)稱 M1-TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速飛行器是未來航空航天領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向，其關(guān)鍵在于動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。目前基本的動(dòng)力系統(tǒng)主要有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類。飛行器在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)可以利用空氣中的氧氣作為氧化劑以獲得較高的比沖，因此相對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的優(yōu)勢(shì)。然而，高超聲速飛行器具有非常寬廣的飛行包線(高度從地面到臨近空間，速度從靜止到高超聲速)，目前任何一種吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)均無法滿足飛行器在整個(gè)飛行包線內(nèi)的動(dòng)力需求。
[0003]組合發(fā)動(dòng)機(jī)是一種理想的高超聲速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)方案。目前研究較多的組合發(fā)動(dòng)機(jī)主要有渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，前者一般由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成，后者由引射火箭和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成。在低馬赫數(shù)飛行階段，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖遠(yuǎn)高于引射火箭，因此渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的比沖優(yōu)勢(shì)。然而受目前技術(shù)水平的限制，現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最大可靠工作馬赫數(shù)僅在2.5左右，而雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般在馬赫數(shù)3以上才能夠啟動(dòng)并提供有效的推力。因此，對(duì)于渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，模態(tài)過渡階段時(shí)推力不足仍然是限制其發(fā)展的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)時(shí)推力不足的問題，提出一種液體噴射輔助式渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，即通過液體噴射以擴(kuò)大渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，輔助渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)的順利轉(zhuǎn)換，同時(shí)盡可能的發(fā)揮渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種液體噴射輔助式渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，該組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)含有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、加力燃燒室和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)含有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管，所述沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以并聯(lián)方式安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的下方；其特征在于:所述的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)還含有液體噴射裝置和切換調(diào)節(jié)裝置；液體噴射裝置包含多組以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸線為中心呈環(huán)形結(jié)構(gòu)排列的液體噴嘴，液體噴射裝置位于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)之前，并與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)；所述切換調(diào)節(jié)裝置包括渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口可調(diào)擋板、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)出口可調(diào)擋板、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)前緣和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)后緣。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)；所述的液體噴嘴采用壓力式噴嘴或離心式噴嘴；所述的液體噴射裝置噴射的液體為水、液氧或液氮。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果:①本發(fā)明通過向渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射液體彌補(bǔ)了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)過渡時(shí)的推力不足，使本發(fā)明具有組合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)級(jí)平穩(wěn)過渡的優(yōu)勢(shì)。②本發(fā)明中若沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，則可以避免雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上必須同時(shí)兼顧亞燃和超燃模態(tài)的問題，有利于提高超燃沖壓模態(tài)的工作性能；若沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，則組合發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍要求相對(duì)較低，液體噴射量較少，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體比沖。③本發(fā)明充分發(fā)揮渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)，在解決模態(tài)過渡時(shí)推力不足問題的前提下，整體比沖高于火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。④本發(fā)明通過將現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行較小的改動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)液體噴射裝置與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。
【附圖說明】
[0009]圖1為液體噴射輔助式渦輪沖壓組合循環(huán)(M1-TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0010]圖2為液體噴射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖中:1-飛行器前體；2_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道；3_飛行器機(jī)身；4_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐；5_液體噴射裝置；6_壓氣機(jī)；7_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；8_燃燒室；9_渦輪；10_加力燃燒室；11-渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管；12_飛行器后體；13_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)出口可調(diào)擋板；14_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管；15_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)后緣；16_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；17_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；18_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段；19_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道；20_沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)前緣；21_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口可調(diào)擋板；22-渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外機(jī)匣；23_渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐外表面；24_液體噴射裝置支架；25_液體噴嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程做進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0013]如圖1所示，本發(fā)明提出的一種液體噴射輔助式渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(M1-TBCC發(fā)動(dòng)機(jī))基于發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器一體化的基礎(chǔ)上，將液體噴射裝置5與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)7集成，通過液體蒸發(fā)冷卻的方式降低渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)5的入口氣流溫度，擴(kuò)大渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)5的工作范圍，解決渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)模式向沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式轉(zhuǎn)換時(shí)所面臨的推力不足的問題。該組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī))7、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī))16、液體噴射裝置5組成；渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)7由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道2、壓氣機(jī)6、燃燒室8、渦輪9、加力燃燒室10和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管11構(gòu)成，安裝在飛行器機(jī)身3的下部；液體噴射裝置5位于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)6前，與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)6進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，液體可以從液體噴射裝置5上的液體噴嘴25噴出，與來流空氣混合并進(jìn)行蒸發(fā)冷卻；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)16以并聯(lián)方式安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)7的下方，由沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道19、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段18、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室17和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴