专利名称：喷管式冲压喷气发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动诸如航空器、宇宙飞船、导弹和火箭的装置。该改善的发动机装置提供一种喷管和冲压喷气发动机部件的组合，以便在零至高超音速飞行的速度范围内能获得高效率的发动机性能。
背景技术：
目前在文献中公开了许多关于冲压喷气发动机构造以及喷射器与冲压式喷气发动机一起使用以构成一个与该发动机的冲压喷气发动机循环相配合工作的喷射器的技术。然而，对应于自零速到高超音速的飞行，看来还没有发展可供实用的喷管式冲压喷气发动机。
该喷管式冲压喷气发动机相对于常规的冲压喷气发动机具有一些优点，诸如海平面静止推力及在各种低海拨高度飞行速度下的发动机推力。相对于给定的飞行条件，喷管式冲压喷气发动机能提供比常规的冲压喷气发动机更大的推力。在载运器超音速加速和高超音速运行状态下，此时冲压喷气发动机的推力可能不满足载运器的要求，这或许是特别有利的。由于燃烧器中的高压和高温，还能获得改进的燃烧器性能，这允许燃烧器在比冲压喷气发动机可能达到的还要高的飞行高度上工作。该喷管式冲压喷气发动机还允许喷射过量的氧化剂，加浓燃烧器内的氧化剂，以进一步增大推力。
在1992年7月14日授权的美国专利No．5 129，227和1994年7月12日授权的美国专利No．5，327，721中，作为典型已公开了各种增大喷气发动机或冲压喷气发动机的方法。在美国专利5，129，227的情况下，将浓燃烧喷射剂引入一喷管的混合区内，形成一喷管。被喷入的气体的成分或当量比和温度受到控制，以防止在该混合区内燃烧。沿该喷管壁的速度流也受该喷射器结构的控制，以有助于防止燃烧自燃烧器向上游扩散。
关于美国专利No．5，327，721，一种对燃料输送的改进的较为复杂的系统已作为相关技术中的公开内容而提出。将一个喷射器调节来交变主流体喷口在喷管内的方向，以输送辅助流体。主喷口的摆动以基本上非粘性的方式在推进管内的主、辅流体之间产生紧急转变。
在1981年3月24日授权的美国专利No．4，257，224和由RichardB．Fancher撰稿的标题为“小面积比增大推力喷管”的论文中(“航空器”杂志，卷9，No．3，1972年3月刊)举例说明了用以混合流体或超混合的技术。No．4，257，224提出了一种利用一活动部件在混合区起点邻近改善两种流体混合的方法和装置。在围绕一根大致与该混合区流动轴线正交的轴线的两种流体中产生摆动。
Fancher的论文公开了各种超混合技术，并包含关于喷射器经验设计和安装调整的公开内容。所公开的设计采用一主喷咀，它被分段成11／2英寸长的24个部件。每一部件给出其现有的质量，一个与喷咀主轴线及流体流动轴线正交的速度分量。该侧向速度分量的方向自一部件至另一部件变换。
本发明采用一个冲压喷气发动机燃烧器，具有一个在出口喷咀中的可移动楔形块，一个具有槽形喷咀的喷射器组件，相对于发动机纵轴线或流体流动轴线交替定向，且处在混合区的上游端；以及供给装置，允许冲反喷气发动机的外部或内部燃烧器产生燃气，供给喷射器组件。对于驱动在零至高超音速范围内作业的飞行载运器的喷管式冲压喷气发动机，可在喷射器上采用液态空气循环过程，它利用储存在飞行载运器上的液态氢来液化作为喷射器燃烧腔氧化剂的周围空气。通过储存多余的液态空气，当飞行载运器的飞行高度使输送到进口内的空气流的压力不足以支持在燃烧器内燃烧时，它可用来加强输送到进口内的空气流动。
发明公开本发明的一个主要目的是提供一种在自零至高超音速范围内运转的喷管式冲压喷气发动机装置。另一个目的是提供一种能在自海平面至150，000英尺海拨高度范围内运转的喷管式冲压喷气发动机。
按照本文所述，当考察说明和附图时，本发明的其它目的会变得明显。
附图简介
图1表示喷管式冲压喷气发动机流体流动流主要部件的透视图，它们被割开显示内部结构，并具有一载运器外部安装的偏心出口；图2表示具有被截断进口的喷管式冲压喷气发动机的简略剖视图；图3表示具有喷射器排气喷咀槽的多环喷射器结构的平面图4表示具有喷射器排气喷咀的喷射器环的一部分，该喷咀相对于主流体流动轴线交替地偏置或倾斜；图5表示喷射器环的横截面，喷射器腔和喷射器排气喷咀自混合器中心线向外倾斜；图6表示喷射器环的横截面，喷射器腔和喷射器排气喷咀向混合器中心线倾斜。
图7表示具有燃料喷射器的扩压器导叶组件的平面图；图8表示本发明的简图，一喷射器热燃气发生器整体地包含在喷射器组件内；图9表示利用燃料的潜热，液体氢产生氧化剂液体空气的方法；图10表示本发明的简图，一喷射器热燃气发生器设置在该喷射器组件的外部，而该热燃气被输入喷射器腔内。
实现本发明的最佳模式喷管式冲压喷气发动机是一种增大的冲压喷气发动机，按通常理解那样具有进气口，混合器，扩压器，燃烧器和出口喷咀这些部件或部分，它们自进口到出口喷咀按顺序连接成整体。该发动机可为任何形状，以便于载运器安装，并促进每一部件在发动机工作循环中的性能。如在该优先实施例中所述那样，采取一圆形横截面发动机，具有矩形进口流线型罩。其内具有喷射器腔的一圆环形喷射器结构被安装在混合器部分的上游端，与发动机纵轴线正交，以构成一喷管部件。该喷射器环部件可连于一喷射器腔或在混合器外部的热燃气发生器，该发生器产生燃气，以便经喷射器的一些喷咀或该喷射器环中的一些槽喷入该混合器。
将燃料供给燃烧器部件的喷射器处在安装在扩压器部件中的导叶的下游端。该导叶有助于使经过扩压器部件的燃气流更快地膨胀，而不使流体和扩压器表面分离。一可移动楔形块安装在该中心体流线型罩上，以允许轴向调节来相对于节流器缩颈点界定燃烧器出口和出口喷咀的面积。该可移动楔形块控制发动机上游的压力状况来调节进口正常冲激波波阵面的位置，以有助于发动机正常的运转和燃烧，并界定该节流口最小点流通面积。该控制的方法允许所要求的面积和正常的冲激波波阵面位置最佳，以改善性能和有效推力。
现在参照图1至3，喷管式冲压喷气发动机(1)有一进口(2)，包含一喷管(ejector)3的混合器(4)，扩压器(5)，燃烧器(6)，节流口缩颈点(7)，出口喷咀(8)等部分或部件，它们沿纵轴线或流体流动轴线连接成整体。在一个优先实施例中，这些部件环绕发动机纵轴线(9)大致是对称的。然而，取决于喷管式冲压喷气发动(1)在各载运器结构中的安装，诸如出口喷咀(8)等部件相对于其它部件可以倾斜的，弧形的或弯曲的，以便引导排气流。对于典型的喷管式冲压喷气发动机(1)，会有一些刚性环，法兰和在流体流道外部的一些加强肋，成单壁轴对称结构设计，以提供必要的刚性来传递结构力，并将发动机安装于载运器中。取决于运转环境和发动机工作时间，可要求对发动机部件及发动机壁内外的隔热膜进行冷却。例如，燃烧室(6)和节流口缩颈点(7)可有冷却装置，诸如，该发动机壁可有一些区域，经这些区域，作为液态氢的燃料能被循环，以冷却该发动机，也加热该燃料来改善燃烧。
混合器(4)部件喷管(3)区内有一喷射器组件(10)，后者带一个或多个喷射器环(11)，由支杆(12)支承，安装在流体流束内。该喷射器环(11)可以是一种流线型空心管，带有喷射器排气喷咀(13)或在其内形成的槽，然而，喷射器环(11)最好是一个圆环组件，具有一空气动力学横截面，喷射器腔(25)沿喷射器环(11)周围间隔布置，如图4至6所示。喷射器排气喷咀(13)主轴线平行于发动机纵向空气流轴线，以引导流体沿下游流向逸出。然而，该喷射器排气喷咀(13)自平行于发动机纵轴线(9)以角度偏置或倾斜的相互交替方式构成，如图4至6所示。
参照图2至6，在一个实验中，将喷射器排气喷咀(13)制成为狭槽，其中相邻狭槽的纵轴线以15°径向离开和朝向发动机纵轴线(9)的交替方式取向。该槽这样构成，使喷射器排气喷咀(13)有一个平行于发动机纵轴线(9)的出口喷咀面(37)和一个偏置的出口喷咀面(38)，从而该槽形成了一个所希望的开口尺寸的喉口(39)，供喷管(3)工作之用。这提供了一个垂直于发动机纵轴线(9)和进口(2)流体流的出口排气速度分量。这使流体自交替向混合器(4)区域的发动机内壁(14)和发动机纵轴线(9)指向的相邻喷咀喷射。喷射器排气喷咀(13)按交替方式的偏置为喷射器环(11)导入的流体跟自进口(2)区吸入的或速度引射的空气的迅速混合提供了有利条件。这便允许在喷管式冲压喷气发动机中有短得多的混合器(4)区。在所进行的各个实验中，喷射器环(11)与长13英寸、直径8英寸的混合器(4)一起应用，这允许发动机长度显著缩短。在该实验中，喷射器燃烧器(15)或热燃气发生器处在混合器(4)区的外部，被输送到喷射器环(11)的燃烧气体经喷射器排气喷咀(13)或其内的窄槽排出，参看图10。
参照图8和10，为在喷射器组件(10)上产生一股高能喷气流，喷射器组件可连于任何能供应流体的流体源上，以便在喷射器排气喷咀(13)上产生喷气流，使喷管(3)工作来吸入空气，以便有充足的流体流与燃气器(6)内的燃料混合，以求喷管式冲压喷气发动机(1)能高效地运转。在正常的运转中，可以在喷管式冲压喷气发动机(1)外部的喷射器燃烧室(15)中按化学当量比采用诸如氢的燃料和诸如空气的氧化剂，以产生一股由燃气导管(30)按规定路线输送到喷射器组件(10)的加压高能燃气流，或在喷射器组件(10)内部在供给喷射器腔(25)的燃料和氧化剂中产生燃烧。
参照图9，液体氢可储存在安装喷管式冲压喷气发动机(1)的载运器上。为创造更高效的载运器，该空气可从周围环境中取得。液体氢可用于换热器系统(36)，以液化空气作临时储存，并当载运器作业时使用，而非要求在作业前在载运器上处理或储存大量的液体空气或其它氧化剂。换热器系统(36)用燃料泵(26)自载运器燃料箱接收液体氢(34)或燃料，该燃料泵向空气液化装置(27)供给压力燃料。空气由空气液化装置进口(31)收集，并被输入空气液化装置(27)，在那里空气被冷凝且被收集在泵内。储槽泵(35)提交液化空气(33)的压力，并使其排入一储存罐或发动机液化空气供应出口(28)。氢排出物(32)通常运送到发动机燃料供应出口(29)。
参照图1和2，喷管式冲压喷气发动机(1)有一进口流线型罩(16)和进口(2)，为在运转范围内有适当的几何形状，它可包含用于调节输入空气的载运器骨架结构。一中心体流线型罩(17)形成扩压器(5)，燃烧器(6)的出口喷咀(8)，以提高性能，虽然它伸入扩压器(5)的范围取决于应用场合。为促进流体流动在扩压器(5)内迅速膨胀，可采用一导叶组件(18)。该导叶组件(18)由一个或多个圆锥导叶(19)组成，轴向安排在扩压器(5)区的流体流道内，并由叶片支柱(20)保持。在该实施例中，燃料喷射器(21)可以是在导叶(19)下游端(23)的燃料喷咀(22)。燃料喷咀(22)可平行于发动机纵轴线(9)喷射燃料，或可被交替地偏置，以促进流体混合，如前面对喷射器排气喷咀(13)所讨论的。
为使混合与燃烧更加有效，用一工具将一可移动楔形件(24)安装在中心体流线型罩(17)上，以控制或允许借助于一根连于中心体流线型罩(17)内活塞(未示)的杆对可移动楔形件(24)的位置进行调节该位置受发动机性能监测器系统的控制，以便沿发动机纵轴线(9)纵向控制。当相对于节流口缩颈点(7)调节可移动楔形块(24)时，燃烧器(6)区的面积发生变化，因而节气口最小流通面积点的横截面积和位置被改变，从而控制冲激波波阵面的空气动力学位置。显然，出口喷咀(8)的几何形状也被改位。在图2中，可变楔形块(24)被画成分开，以表示两个位置。该可移动楔形决(24)是产生可变几何状况以控制喷咀喉口最小流通面积点的一种方法，它也根据喷管式喷气发动机(1)的周围环境调节进口正常冲激波波阵面的空气动力学位置，发动机内部速度和压力。通常，可移动楔形块(24)会受诸在将燃料喷入燃烧器(6)之前经可移动喷咀(24)内冷却通道的液体氢的按规定路线输送的燃料的冷却。可变节气口面积出口喷咀(8)的采用允许发动机以最大进口(2)效率运转，而高效率允许混合器(4)出口更加接近但不达到音速。可变节气口出口喷咀(8)的采用确保在混合器(4)或扩散器(5)局部气哽不会发生。
权利要求
1．一种适用于速度范围自零至高超音速飞行的飞行载运器的喷管式冲压喷气发动机，包括a)一个固定于处在下游的混合器的横截面积较小的进口；b)该混合器有一安装在混合器流体流动区内的喷射器组件，靠近与进口的交会处形成一个喷管和一个连于该喷射器组件的流体供给系统；c)一个扩压器，具有一个与混合器相应的膨胀横截面积，固定在混合器下游；d)一个燃烧器，具有一个比混合器较大的横截面，固定在扩压器下游的，一燃料供应系统连于该燃烧器；e)一个出口喷咀，有一个与燃烧器相应的膨胀横截面积，安装在燃烧器的下游，一节气口缩颈点处在该燃烧器和出口喷咀之间；f)一个沿发动机纵轴线轴向安装在燃烧器和出口喷咀内的中心体流线型罩，且有一个安装在其内的可变出口喷咀控制系统。
2．按权利要求1所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该喷射器组件包括一个具有若干在其内被界定的喷射器排气喷咀的喷射器环，该喷射器排气喷咀主轴线平行于发动机纵轴线，其中，相邻喷射器排气喷咀以某个角度分别向着和离开发动机纵轴线交替地径向偏置，该喷射器环由若干固定于发动机内壁的支柱支承。
3．按权利要求2所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该喷射器排气喷咀有一窄槽构形，一出口喷咀面和偏置出口喷咀面在其内限定一喉口。
4．按权利要求1所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该流体供给系统是一个配置在该喷管外部的喷射器式燃烧器。
5．按权利要求4所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于有一个用以液化和储存用作喷射器式燃烧器中氧化剂的液体空气的换热系统。
6．按权利要求1所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该喷射器组件包括一个喷射器环，在其中有若干喷射器腔，分别连通于喷射器排气喷咀，该喷射器环由若干固定于发动机内壁的支柱支承，该流体供给系统是一个燃料和氧化剂流体供应源。
7．按权利要求6所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该喷射器排气喷咀主轴线平行于发动机纵轴线，其相邻喷射器排气喷咀以某一角度分别向着或离开发动机纵轴线交替地径向偏置。
8．按权利要求7所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该喷射器排气喷咀有一窄槽构形，一出口喷咀面和偏置出口喷咀面在其内限定一喉口。
9．按权利要求6所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于有一个用于液化和储存用作喷射器式燃烧器内的氧化剂的液态空气。
10．按权利要求1所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于有一个导叶组件，由若干固定于发动机内壁的叶片支柱所支承的导叶和安装于扩散器的流体流动区延伸到扩散器内的中心体流线型罩组成，该燃料供给系统是在导叶下游端，具有若干在其内界定的燃料喷咀，这些燃料喷咀连于一燃料源。
11．按权利要求1所述的喷管式冲压喷气发动机，其特征在于该可变出口喷咀控制系统包括一可移动的楔形块，用一工具轴向安装在燃烧器和出口喷咀内的中心体流线型罩上，以控制可移动楔形块的位置。
全文摘要
喷管式冲压喷气发动机(1)是一种推进喷管,具有标准的加大的冲压喷气部件:一进口(2),一混合器(4),一扩压器(5),一燃烧器(6)和一出口喷嘴(8)。在混合器(4)上游端,一喷射器组件(10)安装在流体流道内,以形成一喷管(3)。该喷射器组件(10)有一个或多个喷射器环(11),后者具有交替偏置的喷射器排气喷嘴(13)或窄槽,以引导流体分别朝向发动机内壁(14)或发动机纵轴线(9),以改善流体混合,以便采用一较短的混合器区。对喷射器排气喷嘴(13)的燃料供应可由连通于喷射器环(11)内的喷射器腔(25)的燃料流量泵(26)和其它部件,或由混合器(4)外部的喷射器或燃烧器(15)完成。一可移动楔形块(24)安装在中心体流线型罩(17)上,以提供在运转环境下对发动机(1)内的可变速度和压力的调节。这种速度/压力调节导致发动机推力的增加和脉冲性能的改善。扩压器(5)有导叶(19),以允许流体流更快地扩压。
文档编号F02K7/16GK1283253SQ98810052
公开日2001年2月7日 申请日期1998年8月7日 优先权日1997年8月12日
发明者J·J·伯雷恩, J·G·贝多特 申请人:太空通道有限公司