專(zhuān)利名稱(chēng)：渦輪噴氣及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪噴氣及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括:外殼體；中心本體，通過(guò)結(jié)構(gòu)臂連接到所述外殼體并且與其配合以形成空氣入口套管及空氣流動(dòng)通道；以及至少一個(gè)第一空氣壓縮機(jī)級(jí)，包括第一轉(zhuǎn)子和設(shè)置在所述中心本體內(nèi)的第一渦輪，該第一轉(zhuǎn)子具有設(shè)置在所述空氣流動(dòng)通道中的多個(gè)葉片，并且能夠選擇性地被所述第一渦輪驅(qū)動(dòng)以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、以及被順流交距(feathered)以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
文件EP0403372B1已披露了借助圖5和圖6中所示的類(lèi)型的后燃型渦輪火箭及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣的現(xiàn)有技術(shù)的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有變化截面的二維空氣入口套管1，跟隨其后的是形狀過(guò)渡部分2，其提供了與形成在外殼體4與子彈形中心本體5之間的環(huán)形通道3的接合，子彈形中心本體5借助相對(duì)于環(huán)形通道3橫向設(shè)置的結(jié)構(gòu)臂7連接到外殼體
4。在臂7的下游與中心本體5的圓錐形后部6相同的平面限定有燃燒區(qū)域10，燃料噴射器11被設(shè)置在該區(qū)域中以便使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒區(qū)域10之后跟隨著后燃燒系統(tǒng)12，其包括由下游圓錐體6支承的火焰穩(wěn)定器環(huán)。燃燒區(qū)域10之后跟隨著噴管13，噴管13具有包括熱交換器14的殼體結(jié)構(gòu)，該熱交換器適于在使用液體燃料之前將能量傳遞到液體燃料，并且適于冷卻噴管的壁，該熱交換器之后跟隨著具有變化截面的收縮-擴(kuò)張型噴射噴管15。在圖5中可看到氣體發(fā)生器19的示意圖，氣體發(fā)生器19從下游被供給液態(tài)推進(jìn)齊U，以在固定的中心噴射室20中且通向環(huán)形上游室21的上游端處產(chǎn)生燃燒氣體，在該環(huán)形上游室21中，氣體從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被驅(qū)向由兩個(gè)交錯(cuò)的對(duì)轉(zhuǎn)的(contrarotating,反轉(zhuǎn)的)模塊22和23構(gòu)成的亞音速動(dòng)力渦輪，這兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)的模塊分別連接到壓縮機(jī)的上游模塊8和下游模塊9。在驅(qū)動(dòng)渦輪22和23之后，來(lái)自發(fā)生器19的氣體經(jīng)由穿過(guò)中心本體5的壁的縱向通道24噴射到燃燒區(qū)域10中的壓縮的空氣通道中。氣體發(fā)生器19經(jīng)由管路25被供給由渦輪泵26從容器27泵吸的氧，并且經(jīng)由管路32被供給由渦輪泵29從容器28泵吸的氫。由渦輪泵29泵吸的氫初始經(jīng)由第一支路30供給熱交換器14，在該熱交換器處，氫在通過(guò)管路32供給到氣體發(fā)生器19之前逐漸變成氣態(tài)以供渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，或者經(jīng)由管路33供給到噴射器11以供沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。三端口(三通)L型閥31被設(shè)置在熱交換器14的出口以及管路32和33的入口處。由渦輪泵29泵吸的氫還經(jīng)由第二支路34和三端口 T型閥35供給兩個(gè)冷卻回路36和37，用以冷卻壓縮機(jī)的上游和下游模塊8和9的轉(zhuǎn)子的葉片。熱交換器53和54設(shè)置在冷卻回路36和37中，以確保液氫的初始加熱。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的這種類(lèi)型的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用以氫和氧供給動(dòng)力的氣體發(fā)生器循環(huán)，用于渦輪噴氣循環(huán)，并且來(lái)自該發(fā)生器的氣體用于供給驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的兩個(gè)階段的亞音速對(duì)轉(zhuǎn)渦輪。對(duì)于在某一速度之上的沖壓噴氣(發(fā)動(dòng)機(jī))操作，氣體發(fā)生器被停止，上游和下游壓縮機(jī)模塊的葉片被順流交距，并且僅進(jìn)行后燃燒。氣體發(fā)生器循環(huán)的使用需要在飛行器上具有可獲得的液態(tài)氧以供渦輪噴氣階段運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣由于涉及特定的安全手段，并且增加了飛行器上的重量，因此存在著缺陷。由來(lái)自氣體發(fā)生器的熱氣體驅(qū)動(dòng)而被使用的渦輪是亞音速類(lèi)型的，并且不具有優(yōu)化的操作。此夕卜，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片在高馬赫數(shù)下因從葉片噴射到壓縮部中的氫的流出而被冷卻，并且因此可能導(dǎo)致燃燒劣化。還已知由日本JAXA公司開(kāi)發(fā)的空氣渦輪沖壓噴氣膨脹器循環(huán)(ATREX)發(fā)動(dòng)機(jī)也是公知的，但其開(kāi)發(fā)已經(jīng)被放棄。在圖4中示出了這種類(lèi)型的渦輪沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理。氫供給回路的渦輪泵65和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪67借助液氫的膨脹而驅(qū)動(dòng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪67圍繞子彈形中心本體66設(shè)置在以非對(duì)轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉片的柵格68的外圍。潤(rùn)輪67被供給經(jīng)上游和下游熱交換器64和69加熱的氫。潤(rùn)輪67驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉片68的柵格，從而壓縮經(jīng)由入口部61引入到空氣通道63中并且被上游熱交換器64冷卻的空氣，該熱交換器64構(gòu)成位于潤(rùn)輪67的上游的預(yù)冷卻器。燃燒為后燃燒類(lèi)型，并且在產(chǎn)生推力的同時(shí)傳遞能量，用以經(jīng)由下游熱交換器69驅(qū)動(dòng)渦輪67。渦輪67為超音速類(lèi)型。用于渦輪67的供給壓力是通過(guò)具有冷渦輪的渦輪泵65獲得的，該冷渦輪被供給再生的氫。在圖4中能夠看到子彈形本體62、限定變化截面的環(huán)形空氣入口 61、預(yù)冷卻器64、子彈形中心本體66 (渦輪67和壓縮機(jī)葉片的柵格68圍繞該中心本體旋轉(zhuǎn))、具有第一噴射裝置75的燃燒室70、下游熱交換器69、以及第二噴射裝置77。具有子彈形的中心本體72的收縮-擴(kuò)張型管71用于從燃燒室70向下游噴射氣體。來(lái)自一容器(未示出)并由渦輪泵65泵吸的液氫首先在形成預(yù)冷卻器64的一部分的區(qū)段73中流動(dòng)，并且之后在收縮-擴(kuò)張型噴管71的壁的區(qū)段74中流動(dòng)，從而在被應(yīng)用到第一噴射裝置75以及應(yīng)用到通入第二噴射裝置77的下游熱交換器69的回路76之前，冷卻所述壁并且連續(xù)被加熱。下游熱交換器69可被結(jié)合在碳-碳基體中。渦輪泵65的冷渦輪接納已在預(yù)冷卻器64中和下游噴管的壁中被加熱，但是還未經(jīng)過(guò)下游熱交換器69的氫。相比之下，渦輪67則被供給已在下游熱交換器69中被加熱的氫。空氣入口處的預(yù)冷卻器64或熱交換器的使用使壓縮機(jī)能夠被冷卻，但是會(huì)導(dǎo)致由于液態(tài)氫利用周?chē)目諝庠偕纬杀?。另外，由于下游熱交換器69被結(jié)合在碳-碳結(jié)構(gòu)中，使其無(wú)法優(yōu)化其性能。最終，設(shè)置在壓縮機(jī)葉片的柵格68外側(cè)的所謂的“葉尖”渦輪67的設(shè)計(jì)導(dǎo)致葉片非常短，并且由于高的外圍速度而導(dǎo)致高的機(jī)械壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的上述缺陷，尤其是避免使用液氧，同時(shí)還能夠獲得一個(gè)緊湊的、具有簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和降低的重量及提升的性能的實(shí)施方式。
根據(jù)本發(fā)明，這些目的是通過(guò)渦輪噴氣及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括:外殼體；中心本體，通過(guò)結(jié)構(gòu)臂連接到所述外殼體，并且與該外殼體配合以形成空氣入口套管和空氣流動(dòng)通道；以及至少一個(gè)第一空氣壓縮機(jī)級(jí)，包括第一轉(zhuǎn)子和設(shè)置在所述中心本體內(nèi)的第一渦輪，該第一轉(zhuǎn)子具有設(shè)置在所述空氣流動(dòng)通道中的多個(gè)葉片，并且能夠選擇性地被所述第一渦輪驅(qū)動(dòng)以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣(發(fā)動(dòng)機(jī))、以及被順流交距以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；該發(fā)動(dòng)機(jī)的特征在于，其還包括渦輪泵，該渦輪泵包括泵和驅(qū)動(dòng)所述泵的亞音速渦輪，該泵被供給來(lái)自氫容器的液氫，以便將氫注入到設(shè)置在所述中心本體的下游的所述外殼體內(nèi)的加熱器中；該渦輪接納在該加熱器的出口處收集的部分膨脹的氫，在該亞音速渦輪中部分膨脹的氫被應(yīng)用到作為超音速渦輪的所述第一渦輪，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自該第一超音速渦輪的氫隨后被收集在所述中心本體內(nèi)部的第一管中，以被傳送到限定在所述中心本體的下游的殼體中的燃燒室，同時(shí)在該亞音速渦輪中部分膨脹的氫由多個(gè)噴射器直接傳送到所述燃燒室中，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。有利地，該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)還包括:用于從該第一超音速渦輪獲得一小部分氫的裝置；用于將該部分氫引入到形成在該第一轉(zhuǎn)子的葉片內(nèi)部的第一內(nèi)部通道中的裝置；以及用于在該部分氫沿所述第一內(nèi)部通道流過(guò)之后，將該部分氫經(jīng)由所述第一管排放到所述燃燒室的裝置。在一個(gè)具體實(shí)施例中，該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)還包括第二空氣壓縮機(jī)級(jí)，該第二空氣壓縮機(jī)級(jí)包括:第二超音速渦輪，設(shè)置在所述中心本體中；以及第二轉(zhuǎn)子，具有設(shè)置在所述空氣流動(dòng)通道中的對(duì)轉(zhuǎn)葉片，并且能夠選擇性地被所述第二渦輪驅(qū)動(dòng)以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及被順流交距以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，所述第二渦輪還接納已經(jīng)在該亞音速渦輪中部分膨脹的氫，并且來(lái)自該第二超音速渦輪的氫隨后被收集在所述中心本體的內(nèi)部的第二管中，以便被傳送到所述燃燒室，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。在此情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的方案，該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括:用于從該第二超音速渦輪獲得一小部分氫的裝置；用于將該部分氫引入到形成在該第二轉(zhuǎn)子的葉片內(nèi)部的第二內(nèi)部通道中的裝置；以及用于在該部分氫沿所述第二內(nèi)部通道流過(guò)之后，將該部分氫經(jīng)由所述第二管排放到所述燃燒室的裝置。該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有火焰穩(wěn)定器環(huán)的后燃燒裝置，該火焰穩(wěn)定器環(huán)被設(shè)置在位于該中心本體的后部與外殼體的包含所述加熱器的部分之間的所述燃燒室中。加熱器可包括具有多個(gè)再生壁和鰭片的熱交換器。作為示例，該加熱器可包括具有多個(gè)壁的熱交換器，這些壁由具有基于銅或高溫鎳的材料制成并具有多個(gè)銑削的(milled)通道。


通過(guò)以下參照附圖并作為示例給出的特定實(shí)施例的描述，將顯而易見(jiàn)本發(fā)明的其他多個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)。圖1是本發(fā)明的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的第一實(shí)施例的示意性軸向剖視圖，該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)具有膨脹器循環(huán)，并且具有用以供給兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)超音速渦輪；
圖2是本發(fā)明的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的第二實(shí)施例的示意性軸向剖視圖，該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)具有膨脹器循環(huán)，并且具有用于供給壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的單個(gè)超音速渦輪；圖3A是可在本發(fā)明的背景中使用的熱交換器的區(qū)段的立體圖；圖3B是示出沿圖1的線IIIB-1IIB觀察的圖3A的熱交換器區(qū)段的截面圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的ATREX類(lèi)型的膨脹器循環(huán)渦輪沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性軸向剖視圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)的渦輪火箭及沖壓噴氣組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性軸向剖視圖；以及圖6是圖5的現(xiàn)有技術(shù)的渦輪火箭及沖壓噴氣組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的特定實(shí)施例的軸向剖視圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，可看到本發(fā)明的渦輪噴氣及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例。該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)包括外殼體104,中心本體105設(shè)置在該外殼體中，中心本體105大體呈子彈形并且通過(guò)圍繞中心本體105規(guī)則地分布的橫向結(jié)構(gòu)臂107連接到外殼體104。圖1示出了用于支撐中心本體105的上游部的第一組臂107以及用于支撐中心本體105的下游部106的第二組臂107，以便更好地分配多個(gè)力。當(dāng)然，采用單組結(jié)構(gòu)臂107來(lái)支撐中心本體105的中心部同樣是可行的。環(huán)形空氣通道103形成在中心本體105與外殼體107之間?？諝馊肟谔坠?01使周?chē)耐獠靠諝饽軌虮灰氲娇諝馔ǖ?03中。第一轉(zhuǎn)子108和第二轉(zhuǎn)子109的第一和第二空氣壓縮機(jī)級(jí)被設(shè)置在分別位于中心本體105的上游部和下游部106上的第一與第二組結(jié)構(gòu)臂107之間的空氣流動(dòng)通道103中，第一轉(zhuǎn)子108和第二轉(zhuǎn)子109具有對(duì)轉(zhuǎn)的葉片180和190。在渦輪噴氣運(yùn)行階段期間，借助位于構(gòu)成第一轉(zhuǎn)子108和第二轉(zhuǎn)子109的多個(gè)壓縮機(jī)葉片的柵格的轂中的第一超音速渦輪122和第二超音速渦輪123，第一轉(zhuǎn)子108和第二轉(zhuǎn)子109被驅(qū)動(dòng)而沿相反方向繞中心本體105旋轉(zhuǎn)。在沖壓噴氣運(yùn)行階段期間，轉(zhuǎn)子108及109的葉片180和190被順流交距。渦輪泵129包括:泵129A，其被供給來(lái)自氫容器128的液氫，以將氫注入到設(shè)置在中心本體105的下游的外殼體104內(nèi)部的加熱器150中。渦輪泵129還具有亞音速渦輪129B，該亞音速渦輪129B用于驅(qū)動(dòng)泵129A并且接納從加熱器150的出口獲取的部分膨脹的氫。在沖壓噴氣運(yùn)行階段期間，已經(jīng)在亞音速渦輪129B中部分膨脹的氫在跟隨延伸在至少一個(gè)下游結(jié)構(gòu)臂107內(nèi)部的路徑之后被應(yīng)用到超音速渦輪122和123，以便滲入到中心本體105中并且供給位于每個(gè)超音速渦輪122和123的入口處的環(huán)形氫噴射管。來(lái)自位于上游的超音速渦輪122的氫被收集在管124中，管124沿發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線獲取氫流，并隨后將氫流經(jīng)由縱向中心管125向中心本體的下游部106傳送，使得氫的流動(dòng)經(jīng)由環(huán)形出口排放到限定在中心本體105的下游的殼體104內(nèi)部的燃燒室110中。在亞音速渦輪129B的出口與外殼體104的內(nèi)部的入口之間的氫路徑上設(shè)有三端口 T型閥，以便能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)的沖壓噴氣操作期間將已經(jīng)在亞音速渦輪129B中部分膨脹的氫經(jīng)由設(shè)置在中心本體105的下游端106附近的噴射器111直接傳送到燃燒室110中。
火焰穩(wěn)定器環(huán)112和112A設(shè)置在位于中心本體105的下游部106與殼體104的包含加熱器150的部分113之間的燃燒室110中。這些環(huán)可被緊固到殼體104的壁(環(huán)112A)或者緊固到中心本體105的下游部106 (環(huán)112)。來(lái)自位于下游的超音速渦輪123的氫被管126收集，這些管126大體沿縱向向中心本體105的下游端延伸并且經(jīng)由環(huán)形出口通向燃燒室110，該環(huán)形出口可選擇地與接納已在通過(guò)上游超音速渦輪122之后流過(guò)中心縱向管125的氫的這些管的環(huán)形出口一致。綜上，當(dāng)圖1的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為具有膨脹器循環(huán)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，氫通過(guò)與氫供給泵129A關(guān)聯(lián)的亞音速渦輪129B、以及通過(guò)與具有對(duì)轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)子108和109的兩個(gè)級(jí)關(guān)聯(lián)的超音速渦輪122和123被串聯(lián)地供給。更具體地，在氫泵129A的出口處，氫被注入到外殼體104的位于燃燒室110之后的壁113中的加熱器150中。在加熱器150的出口處收集的氫在用于驅(qū)動(dòng)泵129A的亞音速渦輪129B中部分膨脹。來(lái)自亞音速渦輪129B的氫被傳遞到超音速渦輪122和123，在此處氫被膨脹以驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)子108和109，每個(gè)渦輪122和123均與相應(yīng)的轉(zhuǎn)子級(jí)108或109關(guān)聯(lián)。之后，來(lái)自超音速渦輪122和123的氫被收集在渦輪124、125和126中，以便被傳送到燃燒室110中。就此而論，應(yīng)看到的是本發(fā)明的組合式高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)僅使用液氫作為燃料，并因此不需要攜帶液氧(LOX)容器，也不需要提供LOX泵。在燃燒室110的上游的中心本體105中不設(shè)置熱交換器，因此空氣入口不具有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。加熱器150是唯一的熱交換器，并且其位于后燃燒區(qū)域中，剛好處于燃燒室110合適的下游。發(fā)動(dòng)機(jī)的操作所需的所有能量均由再生氫獲得。超音速渦輪122和123承受非常小的溫度應(yīng)力，并且它們不需要冷卻。僅壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子108和109的葉片180和190需要借助流過(guò)在圖1中由虛線136和137表示的通道的氫進(jìn)行冷卻，并且之后在葉片180和190中流動(dòng)的氫返回到管124、125或126,以便隨后在中心本體105的下游部106處排放到燃燒區(qū)域或后燃燒區(qū)域110中。應(yīng)看到的是，該發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)非常簡(jiǎn)單。不需要特殊的起動(dòng)裝置，并且在熱交換器150的慣性的基礎(chǔ)上來(lái)執(zhí)行起動(dòng)。本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的性能，并且其最佳的操作能夠達(dá)到約馬赫5。例如，與燃燒煤油的傳統(tǒng)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的3000s (的比推力)相比，(本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的)比推力(比沖量)ISP因此可以為約4000秒(S)。作為示例，甚至能夠以燃燒氫的
0.8馬赫渦輪噴氣獲得約7000s的ISP。在沖壓噴氣操作中，圖1的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)如下:壓縮機(jī)柵格108和109的葉片180和190被順流交距。在氫泵129A的出口處，氫被注入到設(shè)于燃燒室110之后的加熱器150中，之后氫在加熱器150的出口處被收集，以便在驅(qū)動(dòng)泵129A的亞音速渦輪129B中被部分地膨脹(像在渦輪噴氣狀態(tài)中那樣)。其后，三端口 T型閥131從渦輪噴氣操作改變位置，使得在亞音速渦輪129B的出口處收集的氫被傳送到噴射器111，以被直接注入到燃燒室Iio中而不經(jīng)過(guò)超音速渦輪122和123 (它們因此被繞開(kāi))。因此，幾乎所有的氫被傳送到燃燒室110中。當(dāng)然，少量的氫仍然能夠從三端口 T型閥131被獲得以便繼續(xù)供給葉片180和190的冷卻回路(圖1中的流動(dòng)路徑136和137)，之后這些少量的氫經(jīng)由管124、125和126被傳送到燃燒室110，如上文所述。圖1的具有包括用以驅(qū)動(dòng)葉片壓縮機(jī)的局部噴射的兩個(gè)低速超音速渦輪122和123的實(shí)施例用于利用較小數(shù)量的級(jí)108和109，以及利用設(shè)置在壓縮機(jī)柵格的中心轂中的超音速渦輪122和123而獲得高的膨脹率，因此該組合式發(fā)動(dòng)機(jī)不僅重量小而且具有簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。圖2示出了本發(fā)明的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)可行的實(shí)施例，其提供的推力性能沒(méi)有圖1中的那樣好，但是具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。在圖2的實(shí)施例中，空氣壓縮機(jī)具有包括葉片180的柵格的單個(gè)級(jí)108，因此僅需要提供一個(gè)超音速渦輪122。圖2的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作在渦輪噴氣模式和沖壓噴氣模式中均與圖1的類(lèi)似，它們共同具有的元件被以相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示，并且不再重復(fù)描述。兩者的不同僅在于省略了其中一個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的超音速渦輪。圖2示出了超音速渦輪122，在其下游端執(zhí)行用于超音速渦輪122的氫噴射，亦即，該單個(gè)超音速渦輪對(duì)應(yīng)于圖1的上游超音速渦輪122，并且壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子108同樣對(duì)應(yīng)于圖1的實(shí)施例中的壓縮機(jī)的上游級(jí)108。作為變型，當(dāng)然可以使用由圖1的下游超音速渦輪123構(gòu)成的單個(gè)超音速渦輪，并且將氫噴射到其上游端中。因此，這樣的變型實(shí)施例將具有圖1的下游超音速渦輪123以及壓縮機(jī)柵格級(jí)109，同時(shí)具有氫排放管126，而上游超音速渦輪122、壓縮機(jī)柵格級(jí)108以及氫排放管124和125將被省略。圖3A和圖3B示出設(shè)置在燃燒室110下游的殼體104的壁113中的熱交換器150的特定實(shí)施例。圖3A和圖3B示出熱交換器區(qū)段150，其包括再生內(nèi)圓柱形壁151以及沿該熱交換器的整個(gè)長(zhǎng)度徑向延伸的再生鰭片152。因此，熱交換器可采用與制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)張部分的壁使用的技術(shù)類(lèi)似的技術(shù)來(lái)制造，例如通過(guò)采用銑削的通道153以及基于銅、高溫鎳或者甚至基于鐵的材料來(lái)制造，這些技術(shù)既適用于圓柱形壁150也適用于鰭片152。作為示例，圖1和圖2示出包含在位于燃燒室110下游的后燃燒室的壁113中的、圖3A和圖3B的特定的熱交換器150，但是其他形式的熱交換當(dāng)然也是可行的。如圖3A和圖3B中可看到，熱交換器150由再生圓柱形部分151以及多個(gè)再生鰭片152構(gòu)成。圓柱形部分151的內(nèi)側(cè)貼皮構(gòu)成后燃燒室的壁113。再生壁151和152中所形成的縱向通道153在沿軸向的相對(duì)端處首先連接到入口歧管160，其次連接到出口歧管61。出口歧管161以機(jī)械方式連接到燃燒室110下游的殼體104，而入口歧管160以機(jī)械方式連接到構(gòu)成組合式發(fā)動(dòng)機(jī)的下游部的收縮-擴(kuò)張型排放噴管155 (見(jiàn)圖1和圖2)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪噴氣及沖壓噴氣的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括:外殼體(104);中心本體(105)，通過(guò)結(jié)構(gòu)臂(107)連接到所述外殼體(104)并且與該外殼體配合以形成空氣入口套管(101)和空氣流動(dòng)通道(103);以及至少一個(gè)第一空氣壓縮機(jī)級(jí)，包括第一轉(zhuǎn)子(108)和設(shè)置在所述中心本體(105)內(nèi)的第一渦輪(122)，該第一轉(zhuǎn)子具有設(shè)置在所述空氣流動(dòng)通道(103)中的多個(gè)葉片(180)，并且能選擇性地被所述第一渦輪(122)驅(qū)動(dòng)，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、以及被順流交距以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；該發(fā)動(dòng)機(jī)的特征在于，其還包括渦輪泵(129)，該渦輪泵包括泵(129A)，該泵被供給來(lái)自氫容器(128)的液氫，以便將氫注入到設(shè)置在所述中心本體(105)下游的所述外殼體(104)內(nèi)的加熱器(150)中，該渦輪泵還包括驅(qū)動(dòng)所述泵(129A)的亞音速渦輪(129B)，該渦輪接納在該加熱器(150)的出口處收集的部分膨脹的氫，在該亞音速渦輪(129B)中部分膨脹的氫被應(yīng)用到作為超音速渦輪的所述第一渦輪(122)，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自該第一超音速渦輪(122)的氫隨后被收集在所述中心本體(105)內(nèi)部的第一管(124、125)中，以被傳送到限定在所述中心本體(105)下游的所述殼體(104)中的燃燒室(110)，同時(shí)在該亞音速渦輪(129B)中部分膨脹的氫由多個(gè)噴射器(111)直接傳送到所述燃燒室(110 )中，以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該發(fā)動(dòng)機(jī)還包括第二空氣壓縮機(jī)級(jí)，該第二空氣壓縮機(jī)級(jí)包括:第二超音速渦輪(122)，設(shè)置在所述中心本體(105)中；以及第二轉(zhuǎn)子(109)，具有設(shè)置在所述空氣流動(dòng)通道(103)中的對(duì)轉(zhuǎn)葉片(190)，并且能夠選擇性地被所述第二渦輪(123)驅(qū)動(dòng)以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、以及被順流交距以使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為沖壓 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，所述第二渦輪(123)還接納已經(jīng)在該亞音速渦輪(129B)中部分膨脹的氫，并且來(lái)自該第二超音速渦輪(125)的氫隨后被收集在所述中心本體(105)內(nèi)部的第二管(126)中，以便被傳送到所述燃燒室(110)，從而使該發(fā)動(dòng)機(jī)被操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括:用于從該第一超音速渦輪(122)獲得一小部分氫的裝置；用于將該部分氫引入形成在該第一轉(zhuǎn)子(108)的葉片(180)內(nèi)部的第一內(nèi)部通道中的裝置；以及用于在該部分氫沿所述第一內(nèi)部通道流過(guò)之后，將該部分氫經(jīng)由所述第一管(124、125)排放到所述燃燒室(110)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該發(fā)動(dòng)機(jī)還包括:用于從該第二超音速渦輪(123)獲得一小部分氫的裝置；用于將該部分氫引入到形成在該第二轉(zhuǎn)子(109)的葉片(190)內(nèi)部的第二內(nèi)部通道中的裝置；以及用于在該部分氫沿所述第二內(nèi)部通道流過(guò)之后將該部分氫經(jīng)由所述第二管(126)排放到所述燃燒室(110)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有火焰穩(wěn)定器環(huán)(112U12A)的后燃燒裝置，該火焰穩(wěn)定器環(huán)設(shè)置在位于該中心本體(105)的后部(106)與該外殼體(104)的包含所述加熱器(150)的部分(113)之間的所述燃燒室(110)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該加熱器(150)包括具有多個(gè)再生壁(151)和鰭片(152)的熱交換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，該加熱器(150)包括具有多個(gè)壁(151)的熱交換器， 所述壁由基于銅或高溫鎳的材料制成并具有多個(gè)銑削的通道(153)。
全文摘要
組合式發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪泵(129)，該渦輪泵包括泵(129A)和用于驅(qū)動(dòng)泵(129A)的亞音速渦輪(129B)，該泵用于將氫注入到安置在中心線軸(105)下游的外部殼體(104)內(nèi)的再加熱器(150)中，該亞音速渦輪接納在再加熱器(150)的出口處收集的部分膨脹的氫，以便將氫應(yīng)用到超音速渦輪(122)，用以將該發(fā)動(dòng)機(jī)操作為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，從該超音速渦輪(122)散發(fā)出的氫隨后被收集在中心線軸(105)內(nèi)部的管道(124、125)中，以被傳送到限定在中心線軸(105)下游的燃燒室(110)，而已經(jīng)在亞音速渦輪(129B)中部分地膨脹的氫由多個(gè)噴射器直接傳遞到燃燒室(110)，用以將該發(fā)動(dòng)機(jī)操作為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)F02K7/16GK103221674SQ201180056380
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者讓-馬里耶·孔拉爾迪, 尼古拉斯·蘇利耶 申請(qǐng)人:斯奈克瑪公司