亚音速内燃航空发动机的制作方法

本发明涉及一种航空发动机，具体为一种亚音速内燃航空发动机。

背景技术：

目前，现有的航空发动机主要有三大类：活塞内燃机、燃气轮机和冲压式发动机。

活塞内燃机一般只能用于较小功率和较低飞行速度的飞机，在同等较低的飞行速度下，发动机本身热效率比燃气轮机高，但推重比小；

燃气轮机，由于属于外燃机，在较低飞行速度下，本身热效率低于同等功率的内燃机，造价高。突出的优点：推重比大、单机功率大；

冲压式发动机在高速飞行时热效率最高、推重比最大、造价低，但缺点是：低速飞行时热效率超低，无法从静止状况下自行发动起飞。

技术实现要素：

本发明目的是为了提高航空发动机效率，降低航空发动机的造价、维护费、以及燃料费用，提供了一种亚音速内燃航空发动机。

本发明的技术方案是，一种亚音速内燃航空发动机，结构包括机身，机身内设有离心压缩机、内燃机组，喷气装置，离心压缩机位于机身的前部，所述的内燃机组位于机身中部，喷气装置位于机身的后部。

与现有装置相比，本发明的创新之处在于：在内燃机机身的前部和中部，安装离心压缩机，采用离心压缩机组对空气进行压缩，活塞内燃机组用于燃烧和膨胀做功，带动扇叶旋转产生推力。自身排气喷射也产生少量推力。

离心压缩机包括离心压缩机组蜗壳，离心压缩机组1级叶轮、离心压缩机组扩压回流器、离心压缩机组2级叶轮、增速箱、所述的离心压缩机组蜗壳中部设有内燃机主轴、内燃机主轴上设有离心压缩机组1级叶轮、离心压缩机组2级叶轮，在离心压缩机组2级叶轮和离心压缩机组蜗壳之间设有增速箱，离心压缩机组1级叶轮、离心压缩机组2级叶轮外侧设有离心压缩机叶轮盖，在机身前部连接有离心压缩机组前整流罩。

所述的内燃机组位于机身中部，内燃机组包括内燃机机箱，内燃机机箱内设有内燃机气缸、内燃机活塞，内燃机主轴轴承、内燃机连杆、内燃机曲轴、内燃机主轴伞齿轮，内燃机主轴、内燃机连杆一端连接内燃机活塞，另一端连接内燃机曲轴，内燃机曲轴外端设有锥齿，在内燃机主轴上设有内燃机主轴伞齿轮，所述的锥齿和内燃机主轴伞齿轮啮合，内燃机气缸内设有内燃机高压油管、内燃机火花塞、内燃机高压喷油嘴，内燃机气缸底部设有内燃机排气门、内燃机进气门，内燃机排气门连接内燃机排气门油冷电磁执行器，内燃机进气门连接内燃机进气门油冷电磁执行器，内燃机进气门连接内燃机进气管，内燃机进气管设在机身外侧，内燃机进气管一端和内燃机进气门连通，另一端和离心压缩机组蜗壳连通。

喷气装置包括锥形的内燃机排气喷管、内燃机排气喷管后部连接内燃机排气喷口，在内燃机排气喷管外设有内燃机冷却风道及内燃机尾部整流罩。

在机身前端还设有风扇，风扇包括扇叶组涵道外壳、扇叶组轴，在扇叶组轴外端设有轴芯整流罩，扇叶组轴上由外向内依次设有扇叶组1级动叶，扇叶组1级静叶，扇叶组2级动叶，扇叶组2级静叶；扇叶组轴最内端连接内燃机主轴；所述的扇叶组1级静叶及扇叶组2级静叶和扇叶组轴之间通过扇叶组前轴承、扇叶组后轴承连接，所述的扇叶组1级静叶及扇叶组2级静叶外端与扇叶组涵道外壳连接。

与现有的航空发动机相比，现有喷气式发动机受高温合金材料限制，燃气轮机燃烧温度很难超过1600℃。由于内燃机燃烧温度可以轻易超过2500℃，燃油效率高。气缸可以有效冷却，其本身温度不高（≤300℃），不需要特别的高温合金材料，应用此技术可以大大降低航空发动机的造价及维护费。应用此技术的内燃机对燃油没有特殊要求，可以降低燃油成本。

应用此方案的亚音速飞行器航空发动机总效率可以达到75%，远超现有的最先进的35%；造价及维护费低至30%。亚音速航空发动机单机功率可以达到20000kw。低空飞行的小功率航空发动机总效率更高。其推重比与现有的涡扇航空发动机相当或略大，外径和长度也相当。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图3的C-C剖视图；

其中：1轴芯整流罩、2扇叶组轴、3扇叶组1级动叶、4扇叶组涵道外壳、5扇叶组前轴承、6扇叶组1级静叶、7扇叶组2级动叶、8扇叶组后轴承、9扇叶组2级静叶、10扇叶组润滑油冷却管、11扇叶组润滑油冷却管、12扇叶组润滑油箱、13离心压缩机组轴承、14扇叶组润滑油泵、15离心压缩机组1级叶轮、16离心压缩机组扩压回流器、17离心压缩机组2级叶轮、18增速箱、19离心压缩机组蜗壳、20内燃机冷却风进口、21内燃机润滑油泵、22内燃机润滑油冷却管、23内燃机气缸、24内燃机活塞、25内燃机气缸套、26内燃机排气门、27内燃机进气门、28内燃机尾部整流罩、29内燃机排气喷管、30内燃机冷却风道喷口、31内燃机排气喷口、32保温材料、33内燃机排气门油冷电磁执行器、34内燃机进气门油冷电磁执行器、35启动马达、36气缸盖、37发电机、38内燃机主轴轴承、39内燃机连杆、40内燃机曲轴、41内燃机主轴伞齿轮、42发动机安装架、43连杆轴承盖、44内燃机主轴、45离心压缩机组高圧密封排气孔、46离心压缩机组高圧密封、47离心压缩机组轴、48离心压缩机组叶轮盖、49离心压缩机组叶轮锁紧螺母、50离心压缩机组前整流罩、51内燃机进气管、52内燃机机箱、53内燃机高压喷油嘴、54内燃机火花塞、55内燃机高压油管。

具体实施方式

如图1所示意，一种亚音速内燃航空发动机，其特征在于：结构包括机身，机身内设有离心压缩机、内燃机组，喷气装置，离心压缩机位于机身的前部，所述的内燃机组位于机身中部，喷气装置位于机身的后部。

离心压缩机包括离心压缩机组蜗壳19，离心压缩机组1级叶轮15、离心压缩机组扩压回流器16、离心压缩机组2级叶轮17、增速箱18、所述的离心压缩机组蜗壳19中部设有内燃机主轴44、内燃机主轴44上设有离心压缩机组1级叶轮15、离心压缩机组2级叶轮17，在离心压缩机组2级叶轮17和离心压缩机组蜗壳19之间设有增速箱18，离心压缩机组1级叶轮15、离心压缩机组2级叶轮17外侧设有离心压缩机叶轮盖48，在机身前部连接有离心压缩机组前整流罩50。

具体而言，用于内燃机进气的离心压缩机组由叶轮进气盖、1级叶轮、扩压回流器、2级叶轮、蜗壳、高压密封、叶轮轴、轴承等组成。结构原理与普通斜流离心压缩机相同。其润滑冷却系统与扇叶组共用。叶轮轴通过增速箱与主轴相连。高圧密封采用梳齿密封，泄漏气体回叶轮进气口或内燃机冷却风道。

从前到后，依次为叶轮进气盖、1级叶轮、扩压回流器、2级叶轮、蜗壳，相互之间用螺栓连接。高圧密封位于蜗壳与轴之间。

所述的内燃机组位于机身中部，内燃机组包括内燃机机箱52，内燃机机箱52内设有内燃机气缸23、内燃机活塞24，内燃机主轴轴承38、内燃机连杆39、内燃机曲轴40、内燃机主轴伞齿轮41，内燃机主轴44、内燃机连杆39一端连接内燃机活塞24，另一端连接内燃机曲轴40，内燃机曲轴40外端设有锥齿，在内燃机主轴44上设有内燃机主轴伞齿轮41，所述的锥齿和内燃机主轴伞齿轮41啮合，内燃机气缸23内设有内燃机高压油管55、内燃机火花塞54、内燃机高压喷油嘴53，内燃机气缸23底部设有内燃机排气门26、内燃机进气门27，内燃机排气门26连接内燃机排气门油冷电磁执行器33，内燃机进气门27连接内燃机进气门油冷电磁执行器34，内燃机进气门27连接内燃机进气管51，内燃机进气管51设在机身外侧，内燃机进气管51一端和内燃机进气门27连通，另一端和离心压缩机组蜗壳19连通。

在机身外侧设有内燃机冷却风进口20和内燃机润滑油冷却管22、内燃机冷却风进口20内设有内燃机润滑油泵21、内燃机润滑油泵21连接内燃机润滑油冷却管22。

内燃机组装置组可由多个并列在一起的气缸、活塞、连杆、曲轴、伞齿轮、主轴、机箱、进气门、排气门、润滑冷却系统、电控高压燃油系统、电控气门系统、进气管、排气喷管、冷却风道、启动马达（液压或电马达）、发电机、电子电气控制器等组成。其结构与普通活塞内燃机相似。

其不同点在于：没有压缩冲程和进气冲程，进气与做功为同一冲程，只有两冲程；采用电控气门，简化气门机构，灵活调整膨胀比，控制排气温度。

为了尽量减小发动机直径（减小飞行阻力），超过4个气缸时，可以分两段布置（功率≥10000kw的亚音速飞行航空发动机）。气缸直径太大时，由于活塞惯性太大，会限制内燃机的最高转速。气缸直径超过Φ300mm时，每个气缸可以设置2个以上的排气门，以增加气门响应速度。中小功率（≤5000kw）发动机，设置4个气缸比较合适。适当的小行程（小于气缸直径），有利于节约空间。活塞采用喷油冷却，可以使用密度小的硅铝合金材料，减小其惯性。

本发明所述的亚音速航空发动机内燃机进气压力1.5~2.5MPa，燃烧后气缸内气体温度2500~3000℃。

单个内燃机工作原理：活塞下行：进气（5~20%的行程）、喷油点火燃烧、膨胀做功；活塞上行：排气，完成一个循环。

电控燃油系统由油箱、输油泵、高压油泵、压电陶瓷喷油嘴、油管、电控板、电缆等组成。其中，油箱、输油泵、高压油泵、电控板等不安装在发动机本体上。

电控气门采用油冷却（也可以采用风冷）电磁线圈驱动，弹簧回位。

气缸的冷却采用风冷。冷风从整流罩中部四周的小孔（或小缝）进入，从尾部环形喷口（中心为排气喷口、外围为冲压喷口）喷出，产生少量推力。

进气管前端与位于发动机前部的离心压缩机蜗壳连接，后端与内燃机进气门连接，采用双层保温管。内燃机机箱与离心压缩机蜗壳连接。

曲轴上的伞齿轮与内燃机主轴上的伞齿轮啮合。主轴与曲轴的速比可以大于1，也可以小于1，即增速或减速。气缸沿圆周均匀布置。气缸轴线与发动机主轴线平行。曲轴在前，气缸在后，便于排气。位于尾部中心的排气喷管产生一定推力。

启动马达、发电机与主轴尾端连接，与主轴之间可以设置减速机和离合器或棘轮。

内燃机润滑油泵位于机箱内部下方。内燃机机箱即润滑油箱。润滑油冷却管位于机箱外面，整流罩内部。采用电驱动或液压驱动的油泵。

中低速飞行时，气缸采用低温低压排气（≤600℃，≤0.2MPa）效率高。高速飞行时，为了增大排气喷速，采用高温高压排气合适，但也不能太高（≤1300℃），以免增加造价，降低热效率。

喷气装置包括锥形的内燃机排气喷管29、内燃机排气喷管29后部连接内燃机排气喷口31，在内燃机排气喷管29外设有内燃机冷却风道30及内燃机尾部整流罩28。

内燃机组产生的高温高压燃气通过内燃机排气喷管29喷出，也产生一部分推力。

如图1所示意，在机身前端还设有风扇，风扇包括扇叶组涵道外壳4、扇叶组轴2，在扇叶组轴2外端设有轴芯整流罩1，扇叶组轴2上由外向内依次设有扇叶组1级动叶3，扇叶组1级静叶6，扇叶组2级动叶7，扇叶组2级静叶9；扇叶组轴2最内端连接内燃机主轴44；所述的扇叶组1级静叶6及扇叶组2级静叶9和扇叶组轴2之间通过扇叶组前轴承5、扇叶组后轴承8连接，所述的扇叶组1级静叶6及扇叶组2级静叶9外端与扇叶组涵道外壳4连接。

在扇叶组涵道外壳4上设有扇叶组润滑油箱12，扇叶组润滑油泵14，扇叶组润滑油冷却管11，扇叶组润滑油泵14将扇叶组润滑油箱12内的润滑油泵出，并且通过扇叶组润滑油冷却管11注入到扇叶组前轴承5、扇叶组后轴承8内。

总之，扇叶组由2级动叶、2级静叶、扇叶轴、扇叶轴承、涵道外壳、润滑冷却系统等组成。扇叶轴可以与主轴同轴或者与离心压缩机同轴，也可以单独通过增速箱与其它轴相连。中低速（亚音速）飞行时，扇叶产生主要推力。结构原理与普通涡扇航空发动机相同。润滑油泵、润滑油箱位于涵道外壳下方内部。润滑油冷却管位于涵道外壳内部。采用电驱动或液压驱动的油泵。

内燃机主轴44最内端设有启动马达35、发电机37。最开始可直接通过发电机驱动内燃机主轴44转动，启动整个发动机开始工作。同时在机身上设有发动机安装架42。