發(fā)動機(jī)的制作方法
【專利說明】發(fā)動機(jī)
相關(guān)申請的交叉引用
[0001 ] 本申請根據(jù)35U.S.C.§119(a)要求在2013年10月11日于英國提交的專利申請?zhí)朑B1318108.6以及根據(jù)35U.S.C.§§120和365要求在2014年6月5日提交的美國申請?zhí)?4/296，620的優(yōu)先權(quán)，這兩個文獻(xiàn)各自通過援引并入本文。
領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及例如可以在航空航天應(yīng)用中使用類型的發(fā)動機(jī)。本披露還涉及用于運(yùn)行此類發(fā)動機(jī)的方法、以及包括此類發(fā)動機(jī)的飛行器、飛行機(jī)器或航空航天運(yùn)載工具。
背景
[0003]已經(jīng)嘗試生產(chǎn)單級入軌(SSTO)運(yùn)載工具。為了是商業(yè)上可行的，這樣的運(yùn)載工具一般要求高的有效載荷部分，以便可以適配成滿足不同的運(yùn)行要求。此外，這樣的運(yùn)載工具將是地面上容易操縱的并且具有短的維修周轉(zhuǎn)期。
[0004]因此理論上有可能實現(xiàn)具有高性能火箭推進(jìn)的SST0。然而，從起飛時使用火箭必然要求氧化劑(例如液態(tài)氧)的高有效載荷，這將給運(yùn)載工具增加可觀的質(zhì)量。一種選擇是給火箭發(fā)動機(jī)增加替代的動力推進(jìn)單元并且然后才僅依靠火箭推進(jìn)來完成上升入軌。
[0005]GB-A-2240815描述了雙模式或混合式航空航天推進(jìn)發(fā)動機(jī)。在這種發(fā)動機(jī)中，在第一運(yùn)行模式中，發(fā)動機(jī)采用液態(tài)氫燃料來預(yù)冷卻渦輪壓縮機(jī)的進(jìn)氣空氣以便將其以高壓作為氧化劑輸送到火箭型燃燒器/噴管組件中。在高馬赫數(shù)下，例如馬赫數(shù)超過5時，發(fā)動機(jī)變成作為常規(guī)高性能的火箭發(fā)動機(jī)來運(yùn)行的第二運(yùn)行模式而通過使用運(yùn)載工具上攜帶的液態(tài)氧來氧化該液體氫燃料。
[0006]這樣的混合式發(fā)動機(jī)可以通過為其增加吸氣能力來擴(kuò)展火箭發(fā)動機(jī)的性能?；鸺l(fā)動機(jī)被認(rèn)為是實現(xiàn)必要的速度以完成入軌、例如以約4500m/s的有效真空排氣速度(Vef)入軌的最適當(dāng)?shù)陌l(fā)動機(jī)。
[0007]為了使得在這兩種推進(jìn)模式(S卩，火箭模式和吸氣模式)中都可以采用常見的燃燒與噴管系統(tǒng)，進(jìn)入空氣典型地必須被壓縮到與火箭運(yùn)行中(大致150巴)類似的但不必相同的高壓。為了做到這點(diǎn)，進(jìn)入空氣首先被冷卻，以保持輸送溫度在實際界限內(nèi)(低于800K)并且以便將渦輪壓縮機(jī)所需的壓縮機(jī)做功最小化。
[0008]然而，此類發(fā)動機(jī)可能是難以控制的。本披露嘗試至少在某種程度上減輕這些問題和/或至少在某種程度上解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本披露的第一方面，提供了一種發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)包括:用于燃料和氧化劑的燃燒的火箭燃燒室；用于向所述燃燒室提供加壓氧化劑的壓縮機(jī);具有入口和出口的第一熱交換器，該第一熱交換器被安排成使用熱傳遞介質(zhì)將有待供應(yīng)至所述壓縮機(jī)的氧化劑在其被所述壓縮機(jī)壓縮之前加以冷卻；用于所述熱傳遞介質(zhì)的熱傳遞介質(zhì)回路；用于輸送燃料的燃料輸送安排;第二熱交換器，該第二熱交換器被安排成以所述燃料輸送系統(tǒng)所輸送的燃料來冷卻所述熱傳遞介質(zhì)；第一循環(huán)器，該第一循環(huán)器用于使所述熱傳遞介質(zhì)繞所述熱傳遞介質(zhì)回路進(jìn)行循環(huán)并且將所述熱傳遞介質(zhì)輸送至所述第一熱交換器的所述入口；第二循環(huán)器，該第二循環(huán)器被安排在所述第一熱交換器的所述出口的下游;所述發(fā)動機(jī)被配置成以第一運(yùn)行模式運(yùn)行，在該第一運(yùn)行模式中所述第二循環(huán)器被配置成用于將熱傳遞介質(zhì)從所述第一熱交換器的出口輸送至所述第一熱交換器的入口。
[0010]以此方式，該熱傳遞介質(zhì)可以再循環(huán)返回至該第一熱交換器中，而無需首先被該燃料冷卻來調(diào)節(jié)和控制該第一熱交換器的溫度。這可以有助于控制該第一熱交換器上的霜凍形成并且允許了燃料的滿意使用。
[0011]該燃燒室可以連接噴管以提供推力。該燃燒室和/或噴管可以是空氣冷卻的。
[0012]該發(fā)動機(jī)可以被配置成推進(jìn)單元，以例如用于飛行器或其他此類運(yùn)載工具。
[0013]該熱傳遞介質(zhì)或流體也可以有用地用作工作流體，即它能夠膨脹和壓縮。這種流體可以用在發(fā)動機(jī)的動力回路中，例如用于驅(qū)動渦輪機(jī)。
[0014]雖然在本說明書中提及的是渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，但可以采用任何適當(dāng)?shù)摹⒖梢员辉摴ぷ髁黧w驅(qū)動或者可以壓縮該工作流體的機(jī)械。這樣，提及渦輪機(jī)應(yīng)理解為包括可以被流體(例如氣體)驅(qū)動的任何機(jī)器，并且提及壓縮機(jī)應(yīng)理解為是指可以壓縮流體的任何機(jī)器。
[0015]該壓縮機(jī)可以是軸流式渦輪壓縮機(jī)的一部分。該壓縮機(jī)可以被配置成具有150:1的壓縮比?？諝饪梢栽谠搲嚎s機(jī)中被壓縮。空氣的出口壓力可以是145巴。
[0016]可以是從深冷燃料儲器進(jìn)行燃料輸送的。
[0017]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括:第三熱交換器，該第三熱交換器被安排成使用所述燃料來冷卻來自該第一熱交換器的出口的所述熱傳遞介質(zhì);并且其中該發(fā)動機(jī)被配置成以第二運(yùn)行模式運(yùn)行，在該第二運(yùn)行模式中該第二循環(huán)器被配置成用于將來自該第一熱交換器的出口熱傳遞介質(zhì)在被所述第三熱交換器冷卻之后輸送至該第一熱交換器的入口與出口之間的中間點(diǎn)。
[0018]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括旁路，該旁路可以用來在所述第一運(yùn)行模式中使燃料繞過所述第三熱交換器。
[0019]可以提供閥來操作該旁路?？梢哉{(diào)整來自該第一熱交換器出口的熱傳遞介質(zhì)的比例來控制在該第一熱交換器中的溫度分布。
[0020]該第一熱交換器可以具有多個級。該熱交換器可以包括多個薄壁導(dǎo)管。這些導(dǎo)管可以是嵌套的。
[0021]該發(fā)動機(jī)可以配備有一個或多個旁路燃燒器。在入口氧化劑的低流速下，例如在引入了此類發(fā)動機(jī)的運(yùn)載工具以低速行進(jìn)時，供應(yīng)了比所需要的更多的氧化劑。這些旁路燃燒器可以被停用，例如并不將燃料供應(yīng)至這些旁路燃燒器。這些旁路燃燒器可以調(diào)大或調(diào)小以匹配供應(yīng)至發(fā)動機(jī)的氧化劑，例如空氣。這些旁路燃燒器可以提供額外的推力。
[0022]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)被配置成使用來自該第一熱交換器的出口的熱傳遞介質(zhì)的一部分來驅(qū)動以便驅(qū)動所述壓縮機(jī)。
[0023]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括第四熱交換器，該第四熱交換器被配置成在所述熱傳遞介質(zhì)輸送至所述渦輪機(jī)之前將其加熱。
[0024]可選地，該發(fā)動機(jī)包括預(yù)燃燒器，該預(yù)燃燒器被配置成用于在燃料輸送至所述火箭燃燒室之前將其預(yù)加熱，來自所述預(yù)燃燒器的排氣連接至所述第四熱交換器以用于加熱所述熱傳遞介質(zhì)。
[0025]到該預(yù)燃燒器的燃料和氧化劑供應(yīng)可以被配置成在發(fā)動機(jī)以該第一模式和第二模式運(yùn)行時在該熱傳遞介質(zhì)從該第四熱交換器離開之后維持其大致恒定的溫度。
[0026]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括氧化劑儲器，所述發(fā)動機(jī)被配置成以第三運(yùn)行模式運(yùn)行，其中從所述氧化劑儲器供應(yīng)所述氧化劑。
[0027]在這個第三模式中，該氧化劑可以是僅從該氧化劑儲器供應(yīng)的。該壓縮機(jī)可以被繞過。
[0028]在該第三模式中，該熱傳遞介質(zhì)可以用來驅(qū)動與氧化劑供應(yīng)栗相聯(lián)接的渦輪機(jī)。
[0029]該第一和第二循環(huán)器可以被提供成壓縮機(jī)，可選地帶由徑向葉片。該第一循環(huán)器的最大功率輸出可以大于該第二循環(huán)器的最大功率輸出。該第一和第二循環(huán)器可以被燃料供應(yīng)源所驅(qū)動的渦輪機(jī)驅(qū)動。
[0030]該燃料輸送安排可以包括由渦輪機(jī)驅(qū)動的燃料栗。
[0031]可選地，該發(fā)動機(jī)被配置成使得該熱傳遞介質(zhì)繞過該第一熱交換器。
[0032]可選地，該發(fā)動機(jī)被配置成使得，該熱傳遞介質(zhì)繞過該第一循環(huán)器、并且被所述第二循環(huán)器驅(qū)使在該熱傳遞介質(zhì)回路中移動。
[0033]可選地，該發(fā)動機(jī)進(jìn)一步包括用于供應(yīng)空氣來作為所述氧化劑的空氣進(jìn)氣管。
[0034]可選地，該熱傳遞介質(zhì)被配置為閉合流動回路。
[0035]可選地，該發(fā)動機(jī)包括氦來作為該熱傳遞介質(zhì)回路中的熱傳遞介質(zhì)。可以用氖或任何其他適合的流體或氣體來作為該熱傳遞介質(zhì)。
[0036]可選地，該燃料輸送安排被配置成用于供應(yīng)氫來作為所述燃料。
[0037]根據(jù)本披露的第二方面，提供了一種用于運(yùn)行發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)包括:用于燃料和氧化劑的燃燒的火箭燃燒室；用于向所述燃燒室提供加壓氧化劑的壓縮機(jī)；
[0038]具有入口和出口的第一熱交換器，該第一熱交換器用于使用熱傳遞介質(zhì)將有待供應(yīng)至所述壓縮機(jī)的氧化劑在其被所述壓縮機(jī)壓縮之前加以冷卻；
[0039]用于所述冷卻介質(zhì)的熱傳遞介質(zhì)回路;其中