[發明專利]空氣預冷壓縮航空發動機及高超聲速飛機

有效

• 申請號: 201610396976.4
• 申請日: 2016-06-07
• 公開（公告）號: CN106014637B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 劉衛東;劉世杰;蔣露欣;任春雷;張韜;岳曉菲;李西鵬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: F02C3/20
• 分類號: F02C3/20;F02C7/143;F02C7/16
• 代理公司: 長沙智嶸專利代理事務所43211
• 代理人: 胡亮

技術領域

本發明涉及航空發動機領域，特別地，涉及一種空氣預冷壓縮航空發動機。此外，本發明還涉及一種包括上述空氣預冷壓縮航空發動機的高超聲速飛機。

背景技術

目前在航空領域得到應用的發動機主要有三大類：活塞式內燃機、渦扇/渦噴發動機、渦軸/渦槳發動機。

1903年美國萊特兄弟利用一臺4缸水冷汽油內燃機，制造出世界第一架載人飛機，開創了活塞式內燃機成為飛機動力裝置的新紀元。但由于大功率活塞式內燃機非常笨重，并且只能采用螺旋槳推進，不能使飛機實現超聲速飛行。

1937年4月英國人惠特爾研制出世界第一臺燃氣渦輪噴氣發動機。1937年9月德國人奧海因也獨立研制了一臺渦輪噴氣發動機，并在1939年8月成功進行了試飛，標志著人類進入了渦輪噴氣飛行時代。燃氣渦輪發動機由于沒有限制飛行速度的螺旋槳，而且單位時間流入發動機的空氣量比活塞式發動機大得多，從而能產生很大的推力，可以使飛機實現超聲速飛行。二戰后，燃氣渦輪發動機得到了迅猛發展，并衍生出渦扇、渦槳、渦軸等發動機變種，目前廣泛應用于飛機、艦船、電力等領域。

目前，在軍/民用飛機上最常用的渦扇發動機主要由進氣道、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等組成。不管飛機是超聲速飛行還是亞聲速飛行，空氣經過進氣道壓縮后，壓力和溫度上升，氣流速度都降為亞聲速?？諝饬鹘涍^風扇壓縮后分成兩部分。大部分空氣經過外涵道膨脹產生推力后排向大氣環境；小部分空氣進入內涵道，經過壓氣機壓縮后進入燃燒室，在燃燒室內與噴入的航空煤油進行燃燒，燃燒產生的高溫燃氣吹動渦輪，渦輪為風扇和壓氣機提供動力。燃氣經過渦輪膨脹做功后，壓力和溫度降低、速度加快，最后通過噴管產生推力并排向大氣環境。這種傳統的渦輪風扇發動機主要存在兩方面不足：一是在高超聲速飛行時(通常大于5倍聲速)不能正常工作。在高超聲速飛行時，空氣經過進氣道壓縮后變成亞聲速氣流，這時空氣溫度超過1000K，高速旋轉的風扇和壓氣機葉片難以承受這種熱負荷，并且空氣密度低，壓氣機壓縮效率低。更嚴重的是，空氣經過壓氣機壓縮后溫度還會進一步提高，按照10倍壓比計算，進入燃燒室的空氣溫度會達到2000K，即使不噴油燃燒，也已接近渦輪葉片材料的耐溫極限。二是由于受渦輪葉片材料耐溫限制，即使在低速飛行時，燃燒溫度也不能太高(目前最高不能超過1700℃)，遠沒有到達空氣和煤油的理論燃燒溫度，燃氣的做功潛力沒有充分利用，導致發動機推力性能不高。歸納起來就是，風扇和壓氣機限制了飛行速度，渦輪限制了燃燒溫度，以傳統燃氣渦輪發動機為動力的飛機不能進行高超聲速飛行。

如果采用額外的冷卻劑對進氣道壓縮后的空氣進行冷卻，那么在高超聲速飛行時遇到的壓氣效率和熱防護難題都可以得到解決。如果渦輪不采用高溫燃氣驅動，那么燃燒溫度就不會受渦輪葉片材料的制約，發動機性能可大幅提高。

文獻AIAA-1996-4553報道了日本空間與航空科學研究所(ISAS)提出的一種膨脹循環空氣渦輪沖壓發動機(ATREX，Air Turbine Ramjet of Expander Cycle)。參照圖1，ATREX主要由換熱器1、風扇2、葉尖渦輪3、燃燒室4、換熱器5、燃料噴注器6、噴管7、液氫泵8、渦輪9組成。液氫經過液氫泵8增壓后進入換熱器1對空氣進行冷卻，然后進入燃燒室4的殼體夾套冷卻燃燒室變成氣態氫，之后分成兩路，一路通過燃料噴注器6噴入燃燒室直接燃燒，另一路經過換熱器5進一步加熱后去吹動葉尖渦輪3和渦輪9。葉尖渦輪3帶動風扇2對冷卻后的空氣增壓，渦輪9驅動液氫泵8為液氫增壓。驅動渦輪后的氫氣最后進入燃燒室和空氣燃燒，產生的燃氣通過噴管7排出，產生推力。與傳統的渦輪沖壓發動機不同，ATREX采用低溫液氫作為燃料，液氫冷卻空氣后，在燃燒室內通過換熱器進一步加熱升溫，加熱后的氫氣大部分流量去吹動葉尖渦輪以帶動壓氣機，小部分流量去驅動液氫泵，最后都進入燃燒室燃燒。但是，由于只采用兩級風扇，空氣壓縮比為2.5，燃燒室壓力低，產生的推力不大。另外為了滿足驅動渦輪和液氫泵的要求，需要比正常燃燒時更多的氫氣，導致燃料比沖不高，因此該方案在經過原理發動機試驗后就被放棄。