CN109826721A - 一种提供空气和富燃燃气的装置及其发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提供空气和富燃燃气的装置，所述装置包括：增压器、涡轮组件、空气输送管道、燃气发生器以及混合器，所述涡轮组件设置于增压器后端，所述空气输送管道一端与增压器相连，空气输送管道的另一端与混合器相连，所述空气输送管道用以输送空气，所述燃气发生器与涡轮组件相连，用以输送富燃燃气，所述混合器设于涡轮组件后部并与涡轮组件相联通。本发明还提供一种空气涡轮火箭发动机。本发明能够使得空气和富燃燃气混合均匀，很大程度提高发动机燃烧室的燃烧效率。

Description

一种提供空气和富燃燃气的装置及其发动机

技术领域

本发明属于航空航天组合发动机技术领域，涉及一种提供空气和富燃燃气的装置及其发动机，具体涉及一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置及其发动机。

背景技术

近些年来，临近空间作为卫星和航空器之间的空域，越来越多的被相关国家所重视。在此空间内大气稀薄，且已经无法满足吸气式发动机的工作要求，为了解决临近空间大气稀薄无法满足吸气式发动机工作要求的问题，更好地利用这一空间，需要设计一种发动机不仅可以在对流层工作还可以在平流层工作。组合发动机的概念渐渐浮现在人们面前。因为这一空间，只有组合发动机能完全满足高超声速临近空间飞行器技术需求。涡轮冲压组合发动机虽然能满足这种条件的飞行但是其进排气的调节技术和结构热防护技术难以解决。空气涡轮火箭组合发动机尤为突出。空气涡轮火箭发动机的关键技术旨在保证在低速情况下启动，涡轮增压部分更好地保证在低速情况下启动，但涡轮与压气机之间的传动轴会由于驱动力的不均匀产生附加弯矩而影响寿命。实现燃料和空气的充分混合也是重点研究问题，使得组合发动机在低速条件下能够产生足够大的推力，从而保证组合发动机低速阶段的起飞动力。

空气涡轮火箭发动机结合涡轮喷气发动机和火箭发动机的优点。空气涡轮火箭发动机在航空器空域中利用空气中的氧气实现飞行器的自主起飞和着陆，而自身携带的推进剂可使相关飞行器在临近空间飞行。空气涡轮火箭发动机工作过程中的燃气发生器驱动涡轮时会对涡轮与压气机之间的传动轴施加一个附加弯矩严重影响传动轴和轴承的寿命；燃气发生器驱动涡轮，压气机压缩空气，产生的富燃燃气和经过管道输送而来的空气，在混合器中进行混合时容易出现混合不均匀的现象，严重影响后续两股气流在燃烧室燃烧效率，进而影响发动机产生推力的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置，能够使得空气和富燃燃气混合均匀，很大程度提高发动机燃烧室的燃烧效率。

本发明采用的技术方案是：本发明提供一种提供空气和富燃燃气的装置，其特征在于，所述装置包括：增压器、涡轮组件、空气输送管道、燃气发生器以及混合器，所述涡轮组件设置于增压器后端，所述空气输送管道一端与增压器相连，空气输送管道的另一端与混合器相连，所述空气输送管道用以输送空气，所述燃气发生器与涡轮组件相连，用以输出富燃燃气，所述混合器设于涡轮组件后部并与涡轮组件相联通。

优选的，所述增压器包括增压外壳、增压器体、压气机、增压口部，所述压气机设于增压器体的前端，所述增压外壳与增压器体相连，且增压外壳间隔设于压气机的外周，所述增压外壳前端开设有增压口部；

所述增压外壳内部设置有环形增压通道，所述增压通道的外端相切设置有若干个增压出口，所述增压通道与空气输送管道相连通，且相连通处形成所述增压出口。

优选的，所述涡轮组件包括涡轮和涡轮外壳，所述涡轮外壳间隔设置于涡轮外周；

所述涡轮外壳内部设置有环形涡轮通道，所述燃气发生器通过燃气发生器弯管与涡轮外壳相连，且相连接处设置有喷嘴，所述喷嘴与涡轮外壳相切设置；

所述涡轮通道的内表面相切设置有若干个燃气出口，所述燃气出口与涡轮通道、涡轮外壳内部相连通。

优选的，所述混合器和所述涡轮外壳之间设置有燃气喷管，所述燃气喷管延伸至混合器内部并与混合器间隔设置。

优选的，所述涡轮外壳通过第二法兰与燃气喷管相连。

优选的，所述混合器外端设置有第四法兰，所述空气输送管道贯穿所述第四法兰与混合器相联通，和/或

所述涡轮外壳设于增压器体的后部，且涡轮外壳和增压器体之间通过第三法兰连接，和/或

增压外壳前端超过压气机的叶片高度，增压外壳后端通过第一法兰与增压器体相连。

优选的，所述混合器前端大，尾端小；混合器的尾端包括若干个凹部单元和若干个凸部单元，所述凹部单元和所述凸部单元间隔设置；

所述凹部单元包括第一凹部、第二凹部，以及与第一凹部和第二凹部平滑连接的第二过渡部；

所述凸部单元包括第一凸部、第二凸部，以及与第一凸部和第二凸部平滑连接的第一过渡部。

优选的，所述空气输送管道包括粗部、细部，以及与所述粗部和细部平滑连接的第三过渡部，所述粗部直径大于所述细部；

所述粗部的前端和后端直径相同，所述细部的前端和后端直径也相同，所述第三过渡部的直径从前端至后端直径逐渐减小。

优选的，所述涡轮和压气机之间设置有传动轴，所述传动轴贯穿所述增压器体；

所述增压器体内设置有润滑油进口和润滑油出口，润滑油进口直径小于润滑油出口；

所述润滑油进口、润滑油出口分别与传动轴相互垂直；

本发明的另一方面还提供一种空气涡轮火箭发动机，所述发动机包括燃烧室、拉瓦尔喷管和上述任意所述的装置，所述装置安装于燃烧室的前端，所述拉瓦尔喷管安装于所述燃烧室后端。

本发明的有益效果：

1.本发明提供一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置，能够使得空气和富燃燃气混合均匀，很大程度提高发动机燃烧室的燃烧效率。本发明提供的装置，能够进一步改善两股气流掺混情况。

2.燃气发生器在驱动涡轮时，容易导致涡轮与压气机中间的传动轴有附加弯矩，会严重影响传动轴的寿命和轴承的使用周期。本发明一方面采用润滑油进行润滑，另一方面在涡轮通道内设置若干个燃气出口，以均匀喷出驱动涡轮，减少附加弯矩，从而减少不必要的疲劳损伤。

3.本发明压气机压缩后的空气采用若干个空气输送管道，各空气输送管道一端端口与增压外壳相切以便于空气的流动，不至于在从增压外壳进入空气输送管道时有压力损失。空气输送管道另一端与混合器相连，空气经过空气输送管道输送，可与来自富燃燃气发生器产生的富燃燃气充分混合。采用多根空气输送管道优点在于与混合器相连处从多个角度喷气能实现与富燃燃气的充分混合。

4.本发明结构简单，但是又能满足空气涡轮火箭发动机的前端低速启动。对现有的空气涡轮火箭发动机进行改进，首先体现在对空气的引导方式上，本发明通过四根弯曲且横截面直径渐变的空气输送管道，将由压气机处压缩的空气输送至涡轮后混合器。这样做的优点在于来自压气机的空气从四个方向进入混合器能够与来自富燃燃气发生器的富燃燃气进行充分混合。

5.本发明所述的增压外壳与空气输送管道相切联通，增压外壳内部周围设计四个与空气输送管道相连接的四个气孔(增压出口)；增压外壳前端超过增压叶片高度，增压外壳后端与增压器体用法兰面连接；增压外壳内部运用环形槽道(增压通道)，将空气用输气管道从压气机前输送到涡轮后的混合器内，这样做的好处在于引导空气的过程中减少气流的压力和速度损失，防止降低混合部分的充分混合。所述的涡轮壳内设计了气体环道(涡轮通道)，便于由燃气发生器产生的富燃燃气介质均匀驱动涡轮各叶片，这样做的优势在于均匀驱动涡轮时能够延长涡轮和压气机中间的传动轴和轴承的寿命。

6.燃气发生器通过不断提供富燃燃气来驱动涡轮转动，燃气发生器弯管处的喷嘴与涡轮外壳相切联通，富燃燃气驱动涡轮，通过涡轮与压气机之间的传动轴将转动传递给压气机，使压气机工作持续不断吸气，传动轴需要润滑，润滑油进口可以接通润滑油泵供给润滑油，润滑油出口接到油箱循环利用。

7.涡轮外壳内部的涡轮通道设计如图5所示，涡轮通道周围相隔相同角度布置燃气出口便于来自燃气发生器的富燃燃气均匀的驱动涡轮，减少转动过程中传动轴所受的附加力矩作用，这样有助于增加传动轴的寿命。

增压外壳部分内部增压通道的设计与来自空气输送管道相切连接的设计便于气体(空气)的引导，尽量减少来流的压力，密度等的损失。

8.本发明所述为空气涡轮火箭发动机提供富燃燃气的装置结构紧凑，燃气发生器布置可以在四根输送空气管道之间节省很多空间，也能增加混合器的掺混均匀度。所述混合器能充分混合来流空气和燃气为燃烧室提供混合均匀的燃料。后续燃烧室只提供燃气和空气的燃烧和喷射不驱动涡轮可以大大地提高燃气喷射效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置第二种角度的立体结构示意图；

图3是本发明实施例中混合器和涡轮外壳的连接关系示意图；

图4是本发明实施例中增压外壳部分剖视示意图；

图5是本发明实施例中涡轮外壳部分的剖视示意图；

图6是本发明实施例提供的一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置第三种角度的立体结构示意图；

图7是本发明实施例中混合器立体结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置剖视结构示意图。

附图标记：

1增压外壳；17增压出口；18增压通道；20压气机；21增压器体；26增压口部；

2空气输送管道；23粗部；24第三过渡部；25细部；

3第一法兰；8第二法兰；10第三法兰；22第四法兰；

4润滑油进口；11润滑油出口；9混合器；13传动轴；

5燃气发生器；6燃气发生器弯管；15喷嘴；16燃气喷管；19燃气出口；

7涡轮外壳；12涡轮；14涡轮通道；

9混合器；90第一凸部；91第一过渡部；92第二凸部；93第一凹部；94第二过渡部；95第二凹部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的具体实施方式对本发明的保护不起限制作用。本发明的保护范围以其权利要求书为准。

需要说明的是，本发明实施例中“前”、“后”是以空气和复燃燃气输送的方向来进行说明的，对本发明的保护范围不起限制作用。

如图1-8所示，本发明实施例提供一种提供空气和富燃燃气的装置，包括：增压器、涡轮组件、空气输送管道2、燃气发生器5以及混合器9，涡轮组件设置于增压器后端，空气输送管道2一端与增压器相连，空气输送管道2的另一端与混合器9相连，空气输送管道2用以输送空气，燃气发生器5与涡轮组件相连，用以输送富燃燃气，所述混合器9设于涡轮组件后部并与涡轮组件相联通。

本发明实施例提供一种给空气涡轮火箭发动机提供空气和富燃燃气的装置，能够使得空气和富燃燃气混合均匀，很大程度提高发动机燃烧室的燃烧效率。本发明实施例提供的装置，能够进一步改善两股气流掺混情况。

进一步，增压器包括增压外壳1、增压器体21、压气机20、增压口部26，压气机20设于增压器体21的前端，增压外壳1与增压器体21相连，且增压外壳1间隔设于压气机20的外周，增压外壳1前端开设有增压口部26；

如图4所示，增压外壳1内部设置有环形增压通道18，增压通道18的外端相切设置有若干个增压出口17，增压通道18与空气输送管道2相连通，且增压通道18与空气输送管道2相连通处形成增压出口17。增压出口17与增压通道18相切设置是为了减少空气来流不必要的压力损失和速度损失。

本发明实施例中，空气由增压口部26进入增压通道18后，再经过增压出口17进入到空气输送管道2，再由空气输送管道2输送至混合器9。

进一步，涡轮组件包括涡轮12和涡轮外壳7，涡轮外壳7间隔设置于涡轮12外周；

如图5所示，涡轮外壳7内部设置有环形涡轮通道14，燃气发生器5通过燃气发生器弯管6与涡轮外壳7相连，且燃气发生器弯管6与涡轮外壳7相连接处设置有喷嘴15，喷嘴15与涡轮外壳7相切设置；环形涡轮通道14的设置可以帮助富燃燃气在内部沿着涡轮转动的方向运动便于下一步从燃气出口19流出时均匀驱动涡轮，喷嘴15和涡轮外壳相切设置便于减少富燃燃气在流动过程中的气流速度损失，提高下一步驱动涡轮的效率。

涡轮通道14的内表面相切设置有若干个燃气出口19，以避免阻碍气流的流动。燃气出口19与涡轮通道14、涡轮外壳7内部相连通。

由燃气发生器5产生的富燃燃气，经由燃气发生器弯管6输送，再经喷嘴15喷出至涡轮通道14内，再经过燃气出口19至涡轮内部，以驱动涡轮，再由涡轮内部流至燃气喷管16，最后喷出至混合器9中。

本发明实施例在涡轮外壳内设计环形的涡轮通道，做成一体化的集气腔，并在涡轮通道14内相隔120°设计三个燃气出口19便于来自燃气发生器的富燃燃气从三个燃气出口19处均匀排出驱动涡轮，在涡轮通道14周围设计三个燃气出口19的目的就是为解决均匀驱动涡轮问题。显然，本发明不限制燃气出口的数量，还可以设置为5个、7个。本发明不限制燃气出口的数量。

进一步，混合器9和涡轮外壳7之间设置有燃气喷管16，燃气喷管16向后端延伸至混合器9内部并与混合器9间隔设置。便于下一步空气和富燃燃气在混合器内部充分混合。空气经过空气输送管道2输送至混合器9，空气沿着混合器9内壁流动，富燃燃气是经过燃气喷管16喷至混合器9内部，本发明实施例将混合器9与燃气喷管16间隔设置，也是有助于空气和富燃燃气更好的混合。

进一步，涡轮外壳7通过第二法兰8与燃气喷管16相连。

进一步，混合器9外端设置有第四法兰22，空气输送管道2贯穿第四法兰22与混合器9相联通，和/或

涡轮外壳7设于增压器体21的后部，且涡轮外壳7和增压器体21之间通过第三法兰10连接，和/或

增压外壳1前端超过压气机20的叶片高度便于空气来流经压气机后沿增压外壳1内壁面流动至环形增压通道18，增压外壳1后端通过第一法兰3与增压器体21相连。

进一步，混合器9前端大，尾端小；混合器9的尾端包括若干个凹部单元和若干个凸部单元，凹部单元和凸部单元间隔设置；

凹部单元包括第一凹部93、第二凹部95，以及与第一凹部93和第二凹部95平滑连接的第二过渡部94；

凸部单元包括第一凸部90、第二凸部92，以及与第一凸部90和第二凸部92平滑连接的第一过渡部91。

本发明实施例混合器的设计如图7所示，便于进入燃烧室的空气和燃料先充分燃烧。本发明实施例所述的混合器9的设计采用喷口处有规则的变形，即混合器9的尾端采用凹部单元和凸部单元间隔设置，使由涡轮驱动后出的富燃燃气和由增压来的空气混合均匀在燃烧室进行下一步的燃烧，这样做的优势在于混合器的设计有助于对来流空气进行充分混合，混合均匀才有助于下一步在燃烧室进行充分燃烧。

进一步，空气输送管道2包括粗部23、细部25，以及与粗部23和细部25平滑连接的第三过渡部24，粗部23直径大于细部25；所述粗部23、第三过渡部24、细部25沿空气输送的方向依次设置。

粗部23的前端和后端直径相同，以保证输送大量空气的口径；

细部的前端和后端直径也相同，使其空气输送管道2更好的与增压外壳相切连接；

第三过渡部24的直径从前端至后端直径逐渐减小，即第三过渡部24沿空气输送的方向逐渐减小。这样做是为了使来流空气速度和压力都有增加，后续在混合器中空气与来自富燃燃气发生器的富燃燃气可以更充分的混合，提高进入后续燃烧室的混合效率，燃烧更充分。本发明实施例在经过变直径的空气输送管道，速度相对变大对后续阶段的燃烧提供足够速度足够均匀的空气。

本发明实施例通过四根弯曲且横截面直径渐变的空气输送管道，将由压气机处压缩的空气输送至涡轮后混合器。这样做的优点在于来自压气机的空气从四个方向进入混合器能够充分和来自富燃燃气发生器的富燃燃气进行充分混合。本发明实施例燃气发生器5可以布置在四根输送空气管道2之间，以节省很多空间。

显然，本发明不限制空气输送管道2的数量，还可以设置为6根、8根(在不影响燃气发生器空间布置情况下)。空气输送管道2的数量与增压出口17的数量相对应。

进一步，涡轮12和压气机20之间设置有传动轴13，传动轴13贯穿增压器体21；涡轮12和压气机20同轴设置，传动轴13用以传递转动。当涡轮被驱动后，通过传动轴13传动，使其压气机开始工作。本发明实施例可以采用离心式压气机。

本发明实施例燃气发生器5通过不断提供富燃燃气来驱动涡轮12转动。本发明实施例涡轮12转动，还可以通过传动轴，带动压气机20工作。本发明实施例的燃气发生器5和涡轮12不仅可以用于输送复燃燃气，还可以用以驱动压气机20工作。

增压器体21内设置有润滑油进口4和润滑油出口11，润滑油进口4直径小于润滑油出口11；本发明实施例采用润滑油进口4小，压力大点儿，润滑的更好，润滑油出口11大，压力小点，一大一小配合使润滑油润滑更充分。

润滑油进口4、润滑油出口11分别与传动轴13相互垂直；进出口这样设置是为了当进口润滑油在润滑完成后能直接从润滑油出口流出至油箱依次循环不会造成润滑油的累积而无法散热。

本发明实施例的原理是：通过燃气发生器产生的富燃燃气来驱动涡轮，在涡轮外壳内部设计环形的涡轮通道，并在涡轮通道上相隔相同角度(120°)设计三个燃气出口，便于富燃燃气发生器均匀地驱动涡轮，防止不均匀地转动导致涡轮与压气机之间的传动轴有附加弯矩从而影响传动轴轴及轴承的寿命。涡轮被驱动后，通过传动轴13传动，使其同轴转动的压气机开始工作，对来流空气进行增压压缩。压缩之后的空气，从增压外壳的增压口部26进入到增压通道18，然后通过与增压外壳相切的四根空气输送管道2输送到混合器，然后与来自富燃燃气发生器的富燃燃气进行充分掺混。在混合器内充分混合的两股气流一起进入燃烧室进行燃烧。燃烧后的燃气排出尾喷管产生推力。

本发明实施例涡轮部分的工作过程：富燃燃气发生器5驱动涡轮12，然后富燃燃气从涡轮外壳7内排出，同时涡轮转动带动压气机20从大气内吸气，产生的高压气体(空气)通过空气输送管道2和富燃燃气共同进入混合器9中混合并高压排出进入燃烧室充分燃烧排出产生推力。.

本发明的另一实施例提供一种空气涡轮火箭发动机，发动机包括燃烧室、拉瓦尔喷管和上述任意的装置，装置安装于燃烧室的前端，拉瓦尔喷管设置于燃烧室的后端。

空气和富燃燃气在混合器9中混合后进入燃烧室燃烧，燃烧后的燃气从后续拉瓦尔喷管排出产生推力从而提供发动机整体上的推力。

Claims (10)

1.一种提供空气和富燃燃气的装置，其特征在于，所述装置包括：增压器、涡轮组件、空气输送管道(2)、燃气发生器(5)以及混合器(9)，所述涡轮组件设置于增压器后端，所述空气输送管道(2)一端与增压器相连，空气输送管道(2)的另一端与混合器(9)相连，所述空气输送管道(2)用以输送空气，所述燃气发生器(5)与涡轮组件相连，用以输送富燃燃气，所述混合器(9)设于涡轮组件后部并与涡轮组件相联通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增压器包括增压外壳(1)、增压器体(21)、压气机(20)、增压口部(26)，所述压气机(20)设于增压器体(21)的前端，所述增压外壳(1)与增压器体(21)相连，且增压外壳(1)间隔设于压气机(20)的外周，所述增压外壳(1)前端开设有增压口部(26)；

所述增压外壳(1)内部设置有环形增压通道(18)，所述增压通道(18)的外端相切设置有若干个增压出口(17)，所述增压通道(18)与空气输送管道(2)相连通，且相连通处形成所述增压出口(17)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述涡轮组件包括涡轮(12)和涡轮外壳(7)，所述涡轮外壳(7)间隔设置于涡轮(12)外周；

所述涡轮外壳(7)内部设置有环形涡轮通道(14)，所述燃气发生器(5)通过燃气发生器弯管(6)与涡轮外壳(7)相连，且相连接处设置有喷嘴(15)，所述喷嘴(15)与涡轮外壳(7)相切设置；

所述涡轮通道(14)的内表面相切设置有若干个燃气出口(19)，所述燃气出口(19)与涡轮通道(14)、涡轮外壳(7)内部相连通。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合器(9)和所述涡轮外壳(7)之间设置有燃气喷管(16)，所述燃气喷管(16)延伸至混合器(9)内部并与混合器(9)间隔设置。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述涡轮外壳(7)通过第二法兰(8)与燃气喷管(16)相连。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合器(9)外端设置有第四法兰(22)，所述空气输送管道(2)贯穿所述第四法兰(22)与混合器(9)相联通，和/或

所述涡轮外壳(7)设于增压器体(21)的后部，且涡轮外壳(7)和增压器体(21)之间通过第三法兰(10)连接，和/或

增压外壳(1)前端超过压气机(20)的叶片高度，增压外壳(1)后端通过第一法兰(3)与增压器体(21)相连。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合器(9)前端大，尾端小；混合器(9)的尾端包括若干个凹部单元和若干个凸部单元，所述凹部单元和所述凸部单元间隔设置；

所述凹部单元包括第一凹部(93)、第二凹部(95)，以及与第一凹部(93)和第二凹部(95)平滑连接的第二过渡部(94)；

所述凸部单元包括第一凸部(90)、第二凸部(92)，以及与第一凸部(90)和第二凸部(92)平滑连接的第一过渡部(91)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气输送管道(2)包括粗部(23)、细部(25)，以及与所述粗部(23)和细部(25)平滑连接的第三过渡部(24)，所述粗部(23)直径大于所述细部(25)；

所述粗部(23)的前端和后端直径相同，所述细部的前端和后端直径也相同，所述第三过渡部(24)的直径从前端至后端直径逐渐减小。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述涡轮(12)和压气机(20)之间设置有传动轴(13)，所述传动轴(13)贯穿所述增压器体(21)；

所述增压器体(21)内设置有润滑油进口(4)和润滑油出口(11)，润滑油进口(4)直径小于润滑油出口(11)；

所述润滑油进口(4)、润滑油出口(11)分别与传动轴(13)相互垂直。

10.一种空气涡轮火箭发动机，其特征在于，所述发动机包括燃烧室、拉瓦尔喷管和权利要求1-9任意所述的装置，所述装置安装于燃烧室的前端，所述拉瓦尔喷管安装于所述燃烧室后端。