用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统和燃烧系统部件的制作方法
【专利摘要】本披露涉及用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统和部件。任选地被分层以便于引擎启动的一个喷射系统将一种空气与燃料混合物提供到一个燃烧室。一个点火系统点燃该混合物。一个火焰稳定系统可以被定位成用于与该燃烧室连通，以迫使该空气与燃料混合物的一个被点燃的流流向该冲压喷射引擎内的旋转中心。该冲压喷射引擎可以包括一个用于得到改善的排气效率的分叉定子。点火可以在引擎进气口中发生。可替代地，点火可以使用一个双轮毂的被充电系统在该燃烧室内发生。一个冲击式涡轮机可以使用喷射燃料的再循环来冷却一个轮缘转子和/或减少该轮缘转子上的风阻。一个密封系统可以减少从一个燃料导管进入该引擎进气口中的气体泄漏。
【专利说明】用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统和燃烧系统部件
【技术领域】
[0001]本披露涉及旋转冲压喷射引擎的领域。更确切地说，本披露涉及用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统和燃烧系统部件。背景[0002]在航空航天应用中使用的冲压喷射引擎在通过一个飞机或导弹的向前运动所致的超音速下将空气摄入到一个引擎入口中。该空气被冲压到一个中心主体与引擎侧壁之间的一个较小开口中，从而产生一系列冲击波。这些冲击波将该空气压缩并减速到亚音速，同时急剧升高工作流压力和温度。冲压喷射作用也可以在一个静止平台中通过在一个转盘的轮缘上加工的突出部分上方传送一个加速空气流来实现。与转子的高旋转速率相结合，这产生了相对于转子轮缘的超音速流。轮缘的以超音速旋转的突出部分与静止引擎之间的相互作用产生一系列冲击波，这些冲击波以类似于一个超音速导弹或飞行器上的冲压喷射入口的方式来压缩空气流。
[0003]碳复合材料和类似材料的出现已经使得能够引入一种加强壁，称为轮缘转子，用于补偿由冲压喷射引擎的旋转部件产生的离心力。在一个轮缘转子旋转冲压喷射引擎(R4E)中，入口叶片用冲击波来压缩空气和燃料混合物，燃烧发生而增加流焓，并且最终，产物被出口叶片以高切线速度加速而产生轴功率。
[0004]仍需要对轮缘转子旋转冲压喷射引擎的改进，以便达到更好的燃料效率和功率输出。
概述
[0005]在第一方面中，本披露提供一种用于旋转冲压喷射引擎的点火系统。该点火系统包括一个进气口、一个燃料喷射系统以及一个点火器。该点火器在将空气与燃料接纳到燃烧室中之前点燃燃料。
[0006]在第二方面中，本披露提供一种用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统。该燃烧系统包括一个燃烧室、一个喷射系统、一个点火系统以及一个火焰稳定系统。该喷射系统将一种空气与燃料混合物提供到该燃烧室。该点火系统点燃该空气与燃料混合物。该火焰稳定系统被定位成用于与该燃烧室连通，并且被适配成用于迫使该空气与燃料混合物的一个被点燃的流流向该冲压喷射引擎内的一个旋转中心。
[0007]在第三方面中，本披露提供一种用于旋转冲压喷射引擎的点火系统。该点火系统包括两个自支撑轮毂、多个电连接以及一个电极。这些支撑轮毂与一个燃烧室同轴地定位。这些电连接在这两个自支撑轮毂之间施加一个电位差。该电极定位于这两个自支撑轮毂中的一者上，并且产生用于点燃该燃烧室内的燃料的一个火花。
[0008]在第四方面中，本披露提供一种用于旋转冲压喷射引擎的喷射系统。该喷射系统包括:一个外半径喷射器，用于在一个燃烧室的外周边附近递送燃料；以及一个内半径喷射器，用于在该燃烧室的内周边附近递送燃料。该外半径喷射器被适配成用于在该燃料比空气重的情况下在引擎启动期间递送燃料，并且在该燃料比空气轻的情况下在引擎启动之后递送燃料。该内半径喷射器被适配成用于在该燃料比空气轻的情况下在引擎启动期间递送燃料，并且在该燃料比空气重的情况下在引擎启动之后递送燃料。
[0009]在第五方面中，本披露提供一种旋转冲压喷射引擎，包括:一个转子、被定位在该转子内的一个燃烧室、一个喷射系统、一个点火系统、以及被定位在该转子的下游的一个定子。该喷射系统将一种空气与燃料混合物提供到该燃烧室。该点火系统点燃该空气与燃料混合物。该定子包括多个出口叶片，这些出口叶片具有一种分叉形状以用于减少从这些出口叶片退出的气体的压力。
[0010]在第六方面中，本披露提供一种用于旋转冲压喷射引擎的冲击式涡轮机。该冲击式涡轮机包括:一个旋转燃烧室、被定位在该旋转燃烧室周围并且与其邻近的一个轮缘转子、一个燃料进口、两个燃料导管、以及一个喷射器。一个第一燃料导管从该燃料进口运载燃料通过该旋转燃烧室的一个外壁内的一个腔，并且沿着该轮缘转子的一个内部面运载。一个第二燃料导管进一步围绕该旋转燃烧室运载该燃料，沿着该轮缘转子的一个外部面运载，并且返回朝向该燃料进口运载。该喷射器从该第二导管接收该燃料并且用于将该燃料喷射到该旋转燃烧室中。
[0011]在第七方面中，本披露提供一种旋转冲压喷射引擎，该引擎包括:一个燃料喷射系统、一个燃烧室、一个进气口、一个燃料导管、以及一个密封系统。该进气口将空气接纳到该燃烧室中。该燃料导管将燃料从该燃料喷射系统运载到该燃烧室中。该密封系统减少从该燃料导管进入该进气口的气体泄漏。
[0012]通过阅读以下参考附图仅借助于实例给出的对本披露的说明性实施例的非限制性说明，上述特征和其他特征将变得更加清楚。
附图的简要说明
[0013]参考附图仅通过举例来说明本披露的实施例，在附图中:
[0014]图1是根据一个实施例的一个轮缘转子旋转冲压喷射引擎(R4E)的侧视局部剖开视图；
[0015]图2是示出图1的R4E的一些部件的分解视图；
[0016]图3是从一个前角所见的图1的R4E的透视局部剖开视图；
[0017]图4是从一个后角所见的图1的R4E的透视局部剖开视图；
[0018]图5是图1的R4E的侧视完全剖开视图；
[0019]图6是从一个后角所见的图1的R4E的透视完全剖开视图；
[0020]图7是图1的R4E的一个喷射系统的侧视剖开视图；
[0021]图8展示了图1的R4E的一个点火系统的第一实例；
[0022]图9a示出了图1的R4E的一个点火系统的第二实例；
[0023]图9b示出了图9a的一个轮毂的细节；
[0024]图10是图1的R4E的一个火焰稳定系统的透视剖开视图；
[0025]图11是示意图，示出了包括图10的火焰稳定系统的一个燃烧室中的气体流；
[0026]图12是示意图，示出了包括图10的火焰稳定系统的燃烧室中的温度梯度；
[0027]图13示出了图1的R4E的出口叶片的细节；
[0028]图14示出了一个R4E的实施例中的一个冲击式涡轮机；
[0029]图15示出了图14的冲击式涡轮机中的一条燃料路径；
[0030]图16示出了在根据一个实施例的R4E的静态零件与动态零件之间的一个气体密封系统的细节；
[0031]图17是一个R4E的局部前方剖开视图，示出了图16的气体密封系统的放置；
[0032]图18是示出了 R4E概念的一个实例的透视局部剖开视图；
[0033]图19是一个R4E原型设计的透视分解视图；
[0034]图20是图19的R4E原型的侧视截面图，以mm单位示出了尺寸；
[0035]图21是图19的R4E原型的细节的透视图，示出了一个火花位置；
[0036]图22是图19的R4E原型内的一个简化转子的示意图；
[0037]图23是根据一个实施例的一个柔性轮毂的自由体受力图；
[0038]图24示出了 一种AS4/PEEK管制造；
[0039]图25示出了图19的原型R4A的内部部件；并且
[0040]图26示出了一个测试台流体模块的横截面。
详细说明
[0041 ] 在图式的说明中，相同数字表示本披露的相同元件。
用于旋转冲压喷射引擎中的燃烧系统和燃烧系统部件的概念
[0042]本披露介绍对用于旋转冲压喷射引擎的燃烧系统做出的改进。这些改进中的一些适用于各种类型的冲压喷射引擎，包括但不限于轮缘转子旋转冲压喷射引擎(R4E)的应用。在此呈现的冲压喷射引擎的各种实施例不同于较早期的设备的地方在于它们的燃烧系统的配置的一个或多个以下方面:
[0043]在启动与运行阶段之间可以修改的一种喷射配置；
[0044]提供轮缘转子减阻和冷却的一个冲击式涡轮机；
[0045]两个点火系统，包括以下至少一者:
[0046]一个进气点火系统；以及
[0047]一个双轮毂集成火花点火系统；
[0048]一个用于高g场燃烧的火焰稳定系统，根据一个连通燃烧室来适配；
[0049]一个出口叶片配置，根据一个连通燃烧室来适配；
[0050]一个分叉的出口定子，用来使引擎的功率最大化；以及[0051 ] 一个密封系统，用来使冷却、反应物和燃烧产物分离。
[0052]一些冲压喷射引擎实施例可以包括上文列出的改进中的一个、若干个或全部。
[0053]现在参考附图，其中图1是根据一个实施例的一个轮缘转子旋转冲压喷射引擎(R4E)的侧视局部剖开视图。图2是示出图1的R4E的一些部件的分解视图。R4E100总体上包括一个进气口 102，也称为入口，还包括一个转子104、一个定子106、一个出口 108以及一个输出动力轴HO。冲压喷射叶片112和冲击式涡轮机叶片组件(后面的图上示出)是分多个区段来构造，从而允许在旋转速度增加时展开。如上文所表达，离心荷载由一个轮缘转子114支撑。零件是通过在多个电极118上滑动以允许变形而组装在一个轮毂116上。一个滑动接头120也可以由一个柔性接头(未示出)代替。
[0054]图3到图6上提供其他R4E100的视图。图3是从一个前角所见的图1的R4E的透视局部剖开视图。图4是从一个后角所见的图1的R4E的透视局部剖开视图。图5是图1的R4E的侧视完全剖开视图。图6是从一个后角所见的图1的R4E的透视完全剖开视图。下文介绍在图1到图6上出现的一些元件。 喷射
[0055]图7是图1的R4E的一个喷射系统的侧视剖开视图。图7详细说明在图5上由虚线A-A识别的一个区域。燃料可以在已经预混合的R4E100的一个燃烧室121中递送或者在形成一种分层喷射的两个喷射器中递送:在进气口的外半径上的一个喷射器122(顶部)，以及在进气口的内半径上的一个喷射器124(底部)。对于一种轻气体，例如氢气，顶部外半径喷射器122使用由箭头“g”说明的高离心力重力场(g场)的作用来递送燃料并且进而使混合最大化。由于氢气比空气轻，因此浮力往往在箭头126所示的方向上将氢气推向旋转中心。另一方面，底部内半径喷射器124也使用g场来在箭头128所示的方向上在内半径上递送燃料。这种技术用来在燃烧室的底部上获得一种浓混合物，用来帮助用最少量的燃料进行点火。
[0056]对于比空气重的燃料，例如丙烷或液体燃料，顶部和底部喷射的使用是相反的:底部124使混合最大化，并且顶部122往往在外半径上使燃料分层。
[0057]分层喷射因此在R4E100的各个使用阶段期间使用引擎的g场的作用来使由于浮力作用所致的混合最大化或最小化点火
[0058]开发了两种点火技术:在引擎进气口中的流动点火，以及用于在旋转框架中的点火的一种双轮毂配置。
进气点火
[0059]本披露介绍了用进气口中的火焰对一个旋转冲压喷射引擎进行点火。图8展示了图1的R4E的一个点火系统的第一实例。进气点火的概念是在引擎的在燃烧室121之前的一个前部区段中点燃空气与燃料混合物。图1的R4E100的元件在图8上再现。在图8上添加了一个点火点130，该点火点具有一个点火器(未特定示出)，用于点燃一个火焰132，该火焰传播到燃烧室121中。火焰132是在位于进气口 102中的点火点130处起始。点火器点燃被接纳到进气口 102中的空气，该空气是与经由喷射器122和124中的一者或两者被接纳的燃料混合的。火焰132接着在引擎中传播，并且对燃烧室121进行点火。用于一个引燃火焰的燃料可以在点火器之前的一个点喷射，可以来自分层喷射器122和124 (顶部、底部)中的一者或两者，或者在轴向速度高于火焰传播速度的情况下可以完全预混合。在点火点130处的点火器可以包括一个火花塞、一个电热塞或一个火花源(熔融金属)。
[0060]进气点火概念可以在小规模引擎应用中应用，因为从存在旋转零件的燃烧室121移除点火零件使复杂性和死料最小。
双轮毂火花点火
[0061]本披露介绍了一种双轮毂配置,具有一个电正性轮毂和一个电负性轮毂。图9a示出了图1的R4E的一个点火系统的第二实例。图9b示出了图9a的一个轮毂的细节。即刻参见图9a和图9b，使用一种双轮毂配置来在两个轮毂116A和116B上施加一个电位差。在早先的图上将这两个轮毂示出为轮毂116。轮毂116A和116B与燃烧室121同轴地定位。如图示，一个轮毂116A具有稍微小于另一个轮毂116B的直径，使得电极118的尖端突出到燃烧室121中。根据燃烧室121的希望形状以及根据轮毂116AU16B和燃烧室121的相对放置，可以使用其他轮毂配置。轮毂116A和116B通过一个电隔离器135彼此分离，并且通过另一个电隔离器139与燃烧室121分离。轮毂116A和116B例如通过使用滚珠轴承(未示出)或等效的支撑件而自支撑在R4E100的旋转轴线上，并且不会将任何荷载传递到轮缘转子114上。
[0062]如图9a上所示，对轮毂116A充负电，同时对轮毂116B充正电。在两个轮毂116A与116B之间的电位差产生一个火花，在图8上标识为“火花2”;这个火花也可以在轮毂116A具有高于轮毂116B的电压或电荷电位的情况下在燃烧室中产生。这两个轮毂中的一个可以接地，同时对另一个轮毂充正电或充负电。可以例如通过对轮毂116A施加一个正电荷以及通过将轮毂116B接地来实现电位差。在两个轮毂上产生电位差或电荷差的其他方式是本领域的普通技术人员众所周知的。电位差在燃烧室121中产生火花2，从而点燃空气与燃料混合物。
[0063]电连接在两个轮毂116A与116B之间施加电位差。在一个实施例中，可以用一个固定电极136与轮毂116B之间的一个火花(火花I)或者用一个电刷(未示出)来对该正轮毂116B进行充电。可以通过轮毂116A与一个电极138之间的一个火花(火花3)、一个电刷(未示出)或者直接通过轴承或流体力学衬套(同样未示出)来对该负轮毂116A进行放电。燃烧室121中的火花2可以在两个电极118之间发生从而点燃燃料，或者在一个电极118与燃烧室121中的一个导体(未示出)之间发生。这个导体可以实现为一个涂层或者添加到燃烧室121的一个小零件。
[0064]虽然在图9b的轮毂116上示出了多个电极118，但实施例可以依赖于每一轮毂116上的单个电极118，火花2是在单对的电极118之间产生。另外，即使电极108可以定位在轮毂116A和116B的圆周上的多个位置处，从而形成多对电极118，轮毂116A和116B上的电荷的释放也可以在任何给定时间以随机方式在任一单对的电极118上产生火花2。本文因此介绍了在一个连通燃烧室的单个点对一个旋转冲压喷射引擎进行点火。
[0065]另外，在电极上滑动的叶片允许轮缘转子的伸长。图2的滑动接头120(或上文提到的柔性接头)可以定位在自支撑轮毂116A和116B与冲压喷射引擎100的轮缘转子114之间。
燃烧
[0066]此处介绍具有高g场燃烧的根据旋转冲压喷射引擎而适配的一个连通燃烧室的配置。包括定位在入口叶片上的三个火焰稳定器的一种配置的实例是根据旋转冲压喷射引擎中的连通燃烧室来适配。一个顶部火焰稳定器可以用一种正配置附接到入口叶片上。一个竖直火焰稳定器是从底部到顶部配置。还介绍一个底部火焰稳定器。
[0067]图10是图1的R4E的一个火焰稳定系统的透视剖开视图。用于在R4E100周围传送冲压喷射的单个连续燃烧室121用来使体积最大化并且用单个点火点进行点火。放置火焰稳定器以使燃烧效率最大化。在一个实施例中，将第一火焰稳定器140放置在燃烧室的顶部上以允许火焰从向外到向内传播。可以将一个第二火焰稳定器142添加到燃烧室的底部以将冲压喷射引擎与单个点火点连接在一起。一个第三火焰稳定器144可以将顶部竖直地连接到底部。火焰稳定器140、142和144可以放置于一个入口叶片146上。在一些变体中，包括一些或全部这三(3)个火焰稳定器140、142和144的一个火焰稳定器组可以放置在定位于转子104周围的多个入口叶片146中的每一者上，或放置在所有入口叶片146上。得益于本披露的本领域普通技术人员将容易想到其他变体和组合。
[0068]顶部火焰稳定器140允许火焰在轮缘转子114的一侧上维持。与早先已知的概念的差异在于正配置。并不是轮缘转子114中的材料移除，是添加的材料迫使流动流向旋转中心并且使用于维持火焰的零速度区最大化。这种正配置可以使用底部火焰稳定器144来为流动向下转弯流出足够的空间。另一个差异在于适用于连通燃烧室121的配置。在所示的实施例中，对每一个入口叶片146附加一个火焰稳定器,并且该火焰稳定器垂直于流而放置。
[0069]图11是示意图，示出了包括图10的火焰稳定系统的一个燃烧室中的气体流。图12是示意图，示出了包括图10的火焰稳定系统的燃烧室中的温度梯度。包含空气与燃料的混合物的反应物150进入燃烧室121。反应物150在顶部火焰稳定器140下游的一个点火点152处点燃，并且被顶部火焰稳定器140在向下方向上推向旋转中心158。当转子没有产生任何离心力(Og)时，这产生在顶部火焰稳定器140后部的零速度的一个区160，实质上接近燃烧室121的外半径。在低离心力的条件下，火焰锋总体上遵循一条近似直的线162，并且燃烧产物156被沿着出口叶片148排出。在转子104的高速度下，在高离心力(例如，400000g)下，火焰锋总体上遵循线164，并且被朝向旋转中心158驱动，从而到达实质上接近燃烧室121的内半径的一个火焰锋末端154。
[0070]返回到图10，包括喷射器122和124中的任一者或两者的喷射系统将形成反应物150的空气与燃料混合物提供到燃烧室121。上文说明的这些点火系统中的一个点火系统点燃空气与燃料混合物。与燃烧室121连通的火焰稳定系统迫使空气与燃料混合物的所得点燃的流朝向冲压喷射引擎100内的旋转中心158。火焰稳定系统可以针对高离心力重力场(g场)燃烧而适配。在各种实施例中，火焰稳定系统可以包括顶部火焰稳定器140、竖直火焰稳定器144以及底部火焰稳定器142中的一者或多者。火焰稳定系统可以定位在燃烧室121的一个或多个入口叶片146上。燃烧室121还可以包括能够承受超音速出口速度的多个弯曲出口叶片148。
[0071]返回到图8，上文介绍的进气点火概念可以与图10的火焰稳定系统相结合来使用。底部火焰稳定器142的几何形状允许从点燃的空气与燃料混合物获得的火焰得益于离心加速，从而在燃烧室121内稳定。竖直火焰稳定器144允许火焰抵抗离心力重力场内的浮力而传播。顶部火焰稳定器140维持燃烧室内的火焰。总体上，燃烧室121的火焰稳定系统通过从进气口 102捕获火焰并且将火焰朝向燃烧室121的顶部传播，来允许极端离心力重力场内的点火。
出口叶片
[0072]图13示出了图1的R4E的出口叶片的细节。在所有冲压喷射引擎在燃烧室121中连通的实施例中，不存在用来使流保持平行于入口叶片146的壁。因此，该流可以在燃烧期间轴向地转向，并且不使用直的出口叶片。弯曲的叶片148类似于一个超音速涡轮机定子，用来使流尽可能切线地转向。首先使用一个前缘半径166来针对速度角进行适配。流随后亚音速地向上转向到喉部168。该流在喉部168处达到I马赫，并且在一个超音速喷嘴中膨胀。
[0073]具有一个喉部168和一个喷嘴的弯曲出口叶片148因此可以从亚音速速率变为超音速速率。
出口定子
[0074]本文介绍的定子配置允许降低转子104之后的压力。这增加了出口切线速度，并且因此增加了输出功率。在转子104的出口处的高速度随后首先通过分叉而被转换为压力，并且随后随着流的旋转而朝向轴向方向。最终，出口压力向大气压力降低。定子106的一些配置可以增加输出功率，在一些实施例中该增加高达25%。
[0075]返回到图1，如图示的定子106具有一种截头圆锥形状，它的圆周在旋转冲压喷射引擎100的出口 108的方向上分叉大约7度(7° )。另外，如图1中可以见到，定子106可以包括进一步弯曲以增加面积的多个叶片170。因此，在一个实施例中，R4E100包括转子104、定位于转子104内的燃烧室121、形成用于将空气与燃料混合物提供到燃烧室121的喷射系统的喷射器122和124中的一者或两者、上文说明的用于点燃空气与燃料混合物的点火系统中的一者，以及定位于转子104下游的具有用于减少从出口叶片退出的气体的压力的分叉形状的定子106。定子106可以例如具有7度的分叉。定子106可以进一步包括多个内部弯曲叶片170，这些叶片170例如在偏离引擎100的旋转轴线20度到60度之间的范围(图1中示出了大约45度的范围)内弯曲。这些叶片170可以进一步在它们的末端处弯曲而与引擎100的旋转轴线对准，从而从该旋转轴线垂直地延伸。
冲击式润轮机
[0076]根据本披露的一个方面，在冲压喷射引擎与轮缘转子114之间可以使用一个冲击式涡轮机。图14示出了一个R4E的实施例中的一个冲击式涡轮机。当使用气态氢气作为燃料时，来自燃料的高压力可以通过一个冲击式涡轮机172在轴功率中变换并且用作轮缘转子114冷却。氢气首先被一个输入定子174上的多个喷嘴加速，这产生高速度并且降低静态温度。动能随后通过冲击式涡轮机172而恢复，并且氢气的低温流提供了燃烧室121与轮缘转子114之间的冷却。随后在轮缘转子114的外表面上引导氢气以使风阻损失最小并且维持一个可以接受的温度。最终，在燃烧室121中喷射氢气。在一些实施例中，输入定子配置154可以使输出功率增加高达5%。
[0077]如果使用液体氢气，那么可以直接在轮缘转子114周围喷射极低温液体，用于冷却和风阻降低。冲击式涡轮机172可以由吸入低温气态氢气的冷却叶片(未示出)代替。最终在燃烧室121中喷射氢气。
[0078]图15示出了图14的冲击式涡轮机中的一条燃料路径。冲击式涡轮机172包括一个旋转燃烧室121。轮缘转子114被定位在该旋转燃烧室114周围并且与其邻近。在形成燃料进气口的一个高压腔176中喷射燃料。一个第一燃料导管178通过入口定子174和冲击式涡轮机172中的通路而形成，用于从燃料进口运载燃料通过该旋转燃烧室121的一个外部壁180内的一个腔182，并且沿着轮缘转子114的内部面184运载。一个第二燃料导管186进一步围绕旋转燃烧室121运载燃料，沿着轮缘转子114的外部面188运载，并且返回朝向燃料进口 176运载。燃料是在喷射器122处从第二导管186接收。喷射器122朝向该旋转燃烧室121将燃料递送到进气口 102中。进入以及围绕该旋转部件的燃料的流动使轮缘转子114和旋转燃烧室121冷却。
[0079]在一些应用中，燃料是一种气态燃料，在它通过第一导管和第二导管时它的压力减小。其结果，进入以及围绕该旋转燃烧室121的燃料的流动减少了轮缘转子114上的风阻。
[0080]在一个实施例中，可以对冲击式涡轮机172进行适配以在腔182中使用低温燃料，例如氢气或其他轻气体。在引擎周围经过的低温燃料(H2、CH4)可以冷却轮缘转子114的外部表面188，同时也使风阻损失最小。在一种变体中，可以在轮缘转子114以及定位于轮缘转子114与冲压喷射引擎之间的自吸入冷却叶片(未示出)周围喷射低温燃料。
密封系统
[0081]在一种变体中，曲径密封件使一个旋转冲压喷射引擎100中的不同气体交换最小，并且在不同气体区段之间存在一个粘滞泵。图16示出了在根据一个实施例的R4E的静态零件与动态零件之间的一个气体密封系统的细节。图17是一个R4E的局部前方剖开视图，示出了图16的气体密封系统的放置。可以使用密封件来使例如氢气等燃料与轮缘转子114、进气口 102中的引擎流动路径以及轮毂116的中心分离。在R4E100配置的一些实施例中可以使用两种类型的密封件:曲径密封件190和粘滞泵192。曲径密封件190的想法是使流动路径的长度最大化，并且使路径的高度最小，如图16所示。粘滞泵192具有多个叶片，这些叶片建立一个压力梯度来平衡压力差和离心力。
[0082]R4E100的一个实施例因此可以包括一个或多个根据上文说明的实施例的一种燃料喷射系统，这些实施例包括:喷射器122和124，燃烧室121，用于将空气接纳到燃烧室121中的进气口 102，形成用于将燃料从燃料喷射系统运载到燃烧室121中的燃料导管的导管178和186的组合，以及用于减少从燃料导管178、186进入进气口 102的气体泄漏的一个密封系统。密封系统的一些实施例可以包括一个或多个粘滞泵192。在其他实施例中，一个或多个曲径密封件可以形成该密封系统。在再其他实施例中，在密封系统中可以存在粘滞泵192与曲径密封件190的组合。
高功率密度轮缘转子旋转冲压喷射引擎的原型
[0083]如燃烧系统及其部件的概念的以上说明中所表达，轮缘转子旋转冲压喷射引擎(R4E)是一种推进系统设计，它有可能改善功率密度并减少常规燃气轮机的复杂性，因此成为对未来运输和固定动力系统的一种受关注的替代。这个部分提出了一种概念证明原型的设计，它可以维持560m/s(200000rpm)和瞬时燃烧，这是通过一个集成点火系统来起始。在冲压喷射引擎叶片周围使用一个高强度碳PEEK复合材料绕组来支撑高g荷载，并且它包括火焰稳定器。
对原型的介绍
[0084]在图18中展示了一种新型的低成本高功率密度引擎R4E的概念证明的设计，该图是示出了 R4E概念的透视局部剖开视图。
[0085]一个线性冲压喷射引擎使用气体在高马赫数下的可压缩性质，在一个合适形状的流动通道中实现一个完全开放的布雷顿(Brayton)循环，而不需要传统的压缩机和涡轮机。与常规兆瓦级燃气轮机的大约4000个旋转零件相比，较少数目的零件减少了设计和制造成本。在一个旋转冲压喷射引擎中，冲压喷射形状以高角速度围绕一条中心轴线自旋，使得引擎入口中的空气流是超音速的。随后在单个级中实现完整的热动力循环，该单个级包含单个旋转组件内的压缩、燃烧和膨胀。原型的实现概念是除了一个顺应性接头之外还使用围绕冲压喷射引擎叶片周围的高强度碳纤维轮缘转子来承受在超音速轮缘速度下发生的极高离心荷载。考虑到对于500kW标称功率的单元，7.6kff/kg的预测是可能的，R4E设计的简单性进一步带来功率密度改善的可能。效率预期是相等的或者稍微低于相当规模的燃气轮机。
[0086]考虑到其特性，R4E技术的一种用途是在短持续时间中需要高功率密度的用途。大的飞行器使用燃气轮机作为辅助动力单元(APU)产生动力来启动第一引擎并对机载附件提供动力。运载这种额外的死料涉及到高成本。作为一个实例，在波音747上，普惠公司(Pratt&ffhitney) PW90IaAPU 的等效轴动力是 1136kw (1543Hp)，功率密度为 3.4kW/kg，包括发电机。对于涉及个人空中交通工具(PAV)和喷气背包的应用，还希望高功率密度与高可靠性的组合，但没有常规燃气轮机的高成本。
[0087]小型燃气轮机也可以用于混合电动交通工具(HEV)以减少动力传动系的总体成本。通过化石燃料引擎提供动力的一个距离延伸器可以用来延伸交通工具的行程，而不必携带额外的电池。多个汽车和燃气轮机制造商已经投资数百万美元来开发这种技术，例如捷豹(Jaguar)的C-X75混合跑车原型。
原型设计
[0088]对若干结构概念进行评估，并且在图19中不出了选定的概念，图19是一个R4E原型设计的透视分解图。图20是图19的R4E原型的侧视截面图，以mm单位示出了尺寸。由碳PEEK高强度热塑性复合材料制成的轮缘转子部分地支撑冲压喷射引擎叶片的离心力。在碳纤维的内部部分中加工一个“V”凹槽以充当一个倒转的火焰稳定器，它改善了由于施加在燃烧气体上的浮力所致的火焰传播。
[0089]由于可靠性和容易实现而已经选择了一种火花点火系统。也可以使用激光点火，但对于建立原型来说并不考虑激光点火，原因在于用经过的转子叶片对点火进行定时的复杂同步。
[0090]在冲压喷射引擎与轮缘转子之间未提供隔热，因为这个引擎主要是针对瞬时高温用途而设计。在560m/s下，估计叶片温度是流的总温度，在无燃烧的情况下为458K。因此，高性能7075T6铝对于轮毂是合适的。从燃烧室加工三个孔以允许电极到达中心圆盘。一个加工的聚酰亚胺零件电隔离中心圆盘与轮毂。在中心圆盘中旋入铝电极以提供一个点火源，该点火源可以承受操作期间的高g场。最终，在直径上的0.2_的过盈配合围绕轮毂和叶片而保持轮缘转子。
[0091]对三个电极限定高电压的一个聚酰亚胺绝缘体(杜邦公司Vespel?SCP-50094)被使用爱玛森康明(Emerson & Cuming) Eccobond?104粘合剂胶粘到组件。通过使用一个电刷来将高电压供应到引擎，该电刷与压入配合在中心圆盘上的一个钢销接触。使用相同技术在引擎的轴上将引擎电接地。
[0092]通过大约1.5mm的气隙在这3个电极与冲压喷射叶片之间随机地产生火花，与碳纤维轮缘转子没有接触，如图21所示，图21是图19的R4E原型的细节的透视图，示出了一个火花位置。电极是由A17075T6铝合金制成，在下部部分上具有I到64个引线。实验已经表明六个引线可以抵抗910N的拉伸荷载，在200000rpm下根据有限元分析(FEA)这得到安全因数3。转子组件的总体重量是79克，不包括实验装置的驱动轴。
结构原理
[0093]图22是图19的R4E原型内的一个简化转子的示意图。在图22中，示出了在组装之前的尺寸。该图呈现一个简化转子，具有4个相异部件:轮毂，柔性接头，冲压喷射引擎叶片，以及轮缘转子。柔性接头的顺应性防止轮缘转子的分离。图23是根据一个实施例的一个柔性轮毂的自由体受力图。将该柔性轮毂模型化为组合了纯弯曲与圆周应力的一个梁。
原型制造
[0094]碳纤维轮缘转子是使用一种自动化纤维放置(AFP)技术来制造。图24示出了一种AS4/PEEK管制造。在这种研究中使用的材料是由氰特工程材料公司(Cytec EngineeredMaterials)提供的AS4/PEEK (APC-2)热塑性单元带。使用一个直径为56.4mm的钢心轴来滚出6.35mm宽、0.18mm厚的带，如图24中呈现。
[0095]AS4/PEEK热塑性管是在单个纤维定向(90° )上制造。在纤维放置过程中对每一股施加2.5mm的偏移，以提供交错并且分布边缘效应。在绞合开始之前，使用一个红外加热管将心轴预热到大约80°C。在制造过程中，通过原位合并来将热塑性单元带缠绕在心轴上。使用一个热气体(氮气)炬作为夹点加热器，用来使该热塑性带熔化。借助于一个压实辊在夹点上施加压力。表 1列出用于制造的AFP处理参数，这些参数是根据先前的实验选择的。
表1:用于AS4/PEEK管制造的AFP处理参数
【权利要求】
1.一种用于旋转冲压喷射引擎的点火系统，该点火系统包括: 一个进气口； 一个燃料喷射系统； 一个点火器，用于在将空气与燃料接纳到一个燃烧室中之前点燃燃料。
2.如权利要求1所述的点火系统，其中该点火器是选自一个电热塞、一个火花塞以及一个火花源所组成的群组。
3.如权利要求1所述的点火系统，其中该点火器在该进气口中点燃该燃料。
4.如权利要求1所述的点火系统，其中该空气与该燃料是在该进气口中混合的。
5.如权利要求1所述的点火系统，包括位于该进气口的外半径上的一个喷射器以及位于该进气口的内半径上的一个喷射器。
6.如权利要求1所述的点火系统，其中该喷射系统为一个引燃火焰提供燃料。
7.一种组合,包括: 如权利要求1所述的点火系统； 该燃烧室；以及 一个火焰稳定系统，该火焰稳定系统被定位成用于与该燃烧室连通、并且被适配成用于使该燃烧室内的一种被点燃的空气与燃料混合物稳定。
8.一种用于旋转冲压喷射引擎`的燃烧系统，该燃烧系统包括: 一个燃烧室； 一个喷射系统，用于将一种空气与燃料混合物提供到该燃烧室； 一个点火系统，用于点燃该空气与燃料混合物；以及 一个火焰稳定系统，该火焰稳定系统被定位成用于与该燃烧室连通、并且被适配成用于迫使该空气与燃料混合物的一个被点燃的流流向该冲压喷射引擎内的一个旋转中心。
9.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该火焰稳定系统包括被定位在该燃烧室的顶部处的一个第一火焰稳定器、从该燃烧室的底部到顶部竖直地配置的一个第二火焰稳定器、以及被定位于该燃烧室的底部处的一个第三火焰稳定器。
10.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该火焰稳定系统被定位于该燃烧室的一个入口叶片上。
11.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该火焰稳定系统包括被定位于该燃烧室的多个入口叶片中的每一者上的一个火焰稳定器。
12.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该燃烧室包括被适配成用于在超音速出口速度下使用的多个弯曲的出口叶片。
13.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该火焰稳定系统是针对高离心力重力场(g场)燃烧而适配的。
14.如权利要求8所述的燃烧系统，其中该点火系统在该燃烧室的接纳之前点燃该空气与燃料混合物。
15.—种用于旋转冲压喷射引擎的点火系统,该点火系统包括: 两个自支撑轮毂，是与一个燃烧室同轴地定位的； 多个电连接，用于在这两个自支撑轮毂之间施加一个电位差； 一个第一电极，是被定位于这两个自支撑轮毂中的第一者上，用于产生用于点燃该燃烧室内的燃料的一个火花。
16.如权利要求15所述的点火系统,其中该火花是在该第一电极与被定位于这两个自支撑轮毂中的第二者上的一个第二电极之间产生的。
17.如权利要求15所述的点火系统,其中该火花是在该第一电极与该燃烧室的一个导体之间产生的。
18.一种用于旋转冲压喷射引擎的喷射系统，该喷射系统包括: 一个外半径喷射器，用于在一个燃烧室的外周边附近递送燃料；以及 一个内半径喷射器，用于在该燃烧室的内周边附近递送燃料； 其中: 该外半径喷射器被适配成用于在该燃料比空气重的情况下在引擎启动期间递送燃料、并且在该燃料比空气轻的情况下在引擎启动之后递送燃料；并且 该内半径喷射器被适配成用于在该燃料比空气轻的情况下在引擎启动期间递送燃料、并且在该燃料比空气重的情况下在引擎启动之后递送燃料。
19.如权利要求18所述的喷射系统，其中该冲压喷射引擎的一个高离心力重力场(g场)使由于浮力作用所致的在引擎启动之后的空气与燃料混合最大化。
20.如权利要求18所述的喷射系统，其中该冲压喷射引擎的一个高离心力重力场(g场)使由于浮力作用所致的在引擎启动期间的空气与燃料混合最小化。
21.一种旋转冲压喷射引擎，包括: 一个转子； 一个燃烧室，被定位在该转子内； 一个喷射系统，用于将一种空气与燃料混合物提供到该燃烧室； 一个点火系统，用于点燃该空气与燃料混合物；以及 一个被定位在该转子的下游的定子，该定子包括多个出口叶片，这些出口叶片具有一种分叉形状以用于减少从这些出口叶片退出的气体的压力。
22.如权利要求21所述的旋转冲压喷射引擎，其中该定子具有7度的分叉。
23.如权利要求21所述的旋转冲压喷射引擎，其中该定子包括多个内部弯曲叶片。
24.如权利要求23所述的旋转冲压喷射引擎，其中这些叶片是在偏离该引擎的一条旋转轴线20度到60度之间的一个范围内弯曲的。
25.如权利要求24所述的旋转冲压喷射引擎，其中这些叶片进一步在它们的末端处弯曲而与该引擎的该旋转轴线对准，从而从该旋转轴线垂直地延伸。
26.一种用于旋转冲压喷射引擎的冲击式涡轮机，该冲击式涡轮机包括: 一个旋转燃烧室； 一个轮缘转子，被定位在该旋转燃烧室周围并且与其邻近； 一个燃料进口； 一个第一燃料导管，用于从该燃料进口运载燃料通过该旋转燃烧室的一个外壁内的一个腔、并且沿着该轮缘转子的一个内部面运载； 一个第二燃料导管，用于进一步围绕该旋转燃烧室运载该燃料、沿着该轮缘转子的一个外部面运载、并且返回朝向该燃料进口运载；以及 一个喷射器，用于从该第二导管接收该燃料并且用于将该燃料喷射到该旋转燃烧室中。
27.如权利要求26所述的冲击式涡轮机，其中进入和围绕该旋转部件的该燃料的一个流冷却了该轮缘转子。
28.如权利要求26所述的冲击式涡轮机，其中进入和围绕该旋转燃烧室的该燃料的一个流冷却了该旋转燃烧室。
29.如权利要求26所述的冲击式涡轮机，其中该燃料是一种气态燃料，在该气态燃料通过该第一导管和第二导管时该气态燃料的压力减小，因而进入和围绕该旋转燃烧室的该燃料的一个流减少了该轮缘转子上的风阻。
30.一种旋转冲压喷射引擎，包括: 一个燃料喷射系统； 一个燃烧室； 一个进气口，用于将空气接纳到该燃烧室中； 一个燃料导管，用于将燃料从该燃料喷射系统运载到该燃烧室中；以及 一个密封系统，用于减少从该燃料导管进入该进气口中的气体泄漏。
31.如权利要求30所述的旋转冲压喷射引擎，其中该密封系统包括一个粘滞泵。
32.如权利要求30所述的旋转冲压喷射引擎，其中该密封系统包括多个曲径密封件。
【文档编号】F02C3/14GK103703229SQ201280036022
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】吉恩-塞巴斯蒂安·普朗特, 马蒂厄·皮卡德, 大卫·兰考特 申请人:索克普拉科学与工程公司