旋转爆震发动机的制作方法

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种旋转爆震发动机。

背景技术：

航空发动机的推重比直接影响飞行器的飞行性能和有效载荷，而提高推重比的途径主要有提升总体性能和减重。传统结构的航空发动机的减重空间十分有限，且一般采用等压燃烧方式，从而限制了航空发动机的热效率和燃料经济性的显著提升。因此，在燃烧方式和发动机结构形式上的革新是显著提升航空发动机的推重比和燃料经济性的希望所在。

技术实现要素：

鉴于背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种旋转爆震发动机，其采用旋转爆震燃烧方式并将旋转爆震燃烧产物的内能转化为转动单元的机械能，从而无需通过涡轮部件带动压气机旋转，提升了发动机的推重比。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种旋转爆震发动机，其包括：外涵单元、内涵单元、转动单元、燃料供给单元以及点火器。

外涵单元包括：外壳体，具有外涵空气入口以及外涵空气出口；以及外涵支撑组件，固定设置于外壳体中。

内涵单元固定于外涵单元并沿轴向位于外涵支撑组件的下游，包括：内壳体，具有内涵空气入口以及内涵气体出口；以及内涵支撑组件，固定设置于内壳体中。

转动单元包括：筒体，转动连接于外涵支撑组件和内涵支撑组件；风扇转子，固定于筒体并沿轴向位于外涵支撑组件与内壳体之间；以及压气机转子，固定于筒体并沿轴向位于风扇转子的下游。

燃料供给单元固定设置于内壳体。点火器固定设置于内壳体。

外涵单元的外壳体与外涵支撑组件、转动单元的筒体、内涵单元的内壳体形成外涵气流通道，外涵气流通道连通于外涵空气入口以及外涵空气出口，转动单元的风扇转子位于外涵气流通道内。

内涵单元的内壳体与内涵支撑组件、转动单元的筒体形成内涵气流通道，内涵气流通道具有增压段、隔离段以及旋转爆震燃烧段，增压段连通于内涵空气入口，旋转爆震燃烧段连通于内涵气体出口，转动单元的压气机转子位于增压段内。

其中，外部空气经由外涵空气入口、外涵气流通道、内涵空气入口以及内涵气流通道的增压段向隔离段内供入空气，燃料供给单元向隔离段后部内供入燃料气，空气和燃料气在隔离段后部内混合后流入旋转爆震燃烧段内。

点火器对旋转爆震燃烧段内的混合气体进行点火，混合气体旋转爆震燃烧且旋转爆震燃烧后产生的燃烧产物带动转动单元的筒体旋转运动，风扇转子和压气机转子随着筒体一起旋转运动，且旋转爆震燃烧段内的爆震燃烧后的燃烧产物经由内涵气体出口排出。

旋转运动的风扇转子对外涵气流通道内的空气压缩做功，外涵气流通道内被压缩后的空气一部分经由外涵空气出口排出、一部分经由内涵空气入口进入内涵气流通道的增压段。

旋转运动的压气机转子对增压段内的空气压缩做功，增压段内被压缩后的空气流入隔离段、并与燃料供给单元供入的燃料气混合。

筒体具有：主体部，沿轴向延伸至内涵支撑组件并转动连接于内涵支撑组件；第一轴体部，沿轴向延伸至外涵支撑组件并转动连接于外涵支撑组件；第二轴体部，连接于第一轴体部并沿轴向位于第一轴体部的下游；以及拐角部，沿轴向位于主体部与第二轴体部之间并连接于主体部与第二轴体部。第一轴体部收容于外壳体并与外壳体形成外涵气流通道，第二轴体部收容于内壳体并与内壳体形成内涵气流通道的增压段，拐角部收容于内壳体并与内壳体形成内涵气流通道的隔离段，主体部收容于内壳体并与内壳体形成内涵气流通道的旋转爆震燃烧段。风扇转子固定安装于第一轴体部，压气机转子固定安装于第二轴体部。

外涵支撑组件包括：进气锥体，位于外壳体的周向内侧并与外壳体间隔设置；以及多个外涵支撑板，沿外壳体的周向间隔分布，各外涵支撑板固定连接外壳体和进气锥体。筒体的第一轴体部通过第一轴承转动连接于进气锥体。

外涵单元还包括：外涵静止叶片，位于外涵气流通道内并固定连接外壳体和内涵单元的内壳体。

内涵支撑组件包括：排气锥体，位于内壳体的周向内侧并与内壳体间隔设置；以及多个内涵支撑板，沿内壳体的周向间隔分布，各内涵支撑板固定连接内壳体和排气锥体。筒体的主体部通过第二轴承转动连接于排气锥体。

内涵单元还包括：内涵静止叶片，位于内涵气流通道的增压段内并固定于内壳体。

内涵静止叶片具有：基体部；第一缘部，沿径向突出于基体部并固定连接于内壳体；以及第二缘部，沿径向突出于基体部并与第一缘部相对设置。筒体的第二轴体部通过第三轴承转动连接于内涵静止叶片的第二缘部。

筒体设置有：多个凹槽，沿轴向间隔分布，各凹槽形成于主体部的外表面并沿周向延伸。

筒体还设置有：第一凸起，突出形成于拐角部的靠近主体部的部分的外表面并沿周向延伸。内壳体设置有：第二凸起，突出形成于内壳体的内表面并与第一凸起相对设置。其中，筒体的第一凸起与内壳体的第二凸起形成减缩式通道，且所述减缩式通道为内涵气流通道的隔离段后部。

内壳体包括：第一壁体；以及第二壁体，固定连接于第一壁体并与第一壁体形成空腔。内壳体的第二壁体与内涵支撑组件、转动单元的筒体形成内涵气流通道。燃料供给单元位于第一壁体和第二壁体形成的空腔中并固定于第二壁体，且燃料供给单元包括：燃料管，连通于外部燃料供给装置；喷嘴，连通于燃料管；预蒸发室，用于对喷嘴喷入的燃料进行蒸发处理；燃料气集气室，连通于预蒸发室；以及燃料气喷口，贯通设置于第二壁体并连通于内涵气流通道的隔离段后部。点火器固定设置于第二壁体。

本实用新型的有益效果如下：

在根据本实用新型的旋转爆震发动机中，旋转爆震燃烧段相当于传统发动机的燃烧室，而内涵气体出口相当于传统燃烧室出口。由于旋转爆震燃烧段采用旋转爆震燃烧技术，因而在同等燃烧室温升水平下熵增最小，从而显著提高了发动机的热效率、降低了耗油率。并且，由于旋转爆震燃烧段内的爆震燃烧产物的内能几乎全部转化为转动单元的筒体、风扇转子以及压气机转子的机械能，从而风扇转子、压气机转子与筒体一起高速旋转，进而无需设置涡轮部件。这种方式与传统发动机采用涡轮部件带动压气机旋转的方式相比，大大提升了燃烧室出口温度、显著减小了发动机质量，由此提升了发动机的推重比。此外，由于旋转爆震燃烧具有自增压特性，因而可有效减少压气机级数。

附图说明

图1是根据本实用新型的旋转爆震发动机的整体结构示意图。

图2是旋转爆震发动机的燃料供给单元与内壳体之间的位置关系示意图。

图3是图2中的圆圈部分的放大图。

图4是图1中的外涵单元的结构示意图。

图5是图4中的外涵支撑板沿外壳体的周向分布示意图。

图6是图1中的内涵单元的结构示意图。

图7是图6中的圆圈部分的放大图。

图8是图6中的内涵支撑板沿内壳体的周向分布示意图。

图9是图1中的转动单元的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1外涵单元 243第二缘部

11外壳体 2A内涵空气入口

12外涵支撑组件 2B内涵气体出口

121进气锥体 3转动单元

122外涵支撑板 31筒体

1211第一本体部 311主体部

1212凹部 312第一轴体部

13外涵气流通道 313第二轴体部

14外涵静止叶片 314拐角部

1A外涵空气入口 315凹槽

1B外涵空气出口 316第一凸起

2内涵单元 32风扇转子

21内壳体 33压气机转子

211第一壁体 34变速器

212第二壁体 4燃料供给单元

213第二凸起 41燃料管

22内涵支撑组件 42喷嘴

221排气锥体 43预蒸发室

222内涵支撑板 44燃料气集气室

2211第二本体部 45燃料气喷口

2212凸部 5点火器

23内涵气流通道 C轴向

231增压段 D径向

232隔离段 T1第一轴承

233旋转爆震燃烧段 T2第二轴承

24内涵静止叶片 T3第三轴承

241基体部 S螺栓

242第一缘部

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本实用新型的旋转爆震发动机。

参照图1，旋转爆震发动机包括：外涵单元1、内涵单元2、转动单元3、燃料供给单元4以及点火器5。

外涵单元1包括：外壳体11，具有外涵空气入口1A以及外涵空气出口1B；以及外涵支撑组件12，固定设置于外壳体11中。

内涵单元2固定于外涵单元1并沿轴向C位于外涵支撑组件12的下游，并包括：内壳体21，具有内涵空气入口2A以及内涵气体出口2B；以及内涵支撑组件22，固定设置于内壳体21中。

转动单元3包括：筒体31，转动连接于外涵支撑组件12和内涵支撑组件22；风扇转子32，固定于筒体31并沿轴向C位于外涵支撑组件12与内壳体21之间；以及压气机转子33，固定于筒体31并沿轴向C位于风扇转子32的下游。

燃料供给单元4和点火器5固定设置于内壳体21。

外涵单元1的外壳体11与外涵支撑组件12、转动单元3的筒体31、内涵单元2的内壳体21形成外涵气流通道13，外涵气流通道13连通于外涵空气入口1A以及外涵空气出口1B，转动单元3的风扇转子32位于外涵气流通道13内。

内涵单元2的内壳体21与内涵支撑组件22、转动单元3的筒体31形成内涵气流通道23，内涵气流通道23具有增压段231、隔离段232以及旋转爆震燃烧段233，增压段231连通于内涵空气入口2A，旋转爆震燃烧段233连通于内涵气体出口2B，转动单元3的压气机转子33位于增压段231内。其中，隔离段232的靠近旋转爆震燃烧段233的部分为隔离段232后部，而隔离段232的靠近增压段231的部分为隔离段232前部。

外部空气经由外涵空气入口1A、外涵气流通道13、内涵空气入口2A以及内涵气流通道23的增压段231向隔离段232内供入空气，燃料供给单元4向隔离段232后部内供入燃料气，空气和燃料气在隔离段232后部内混合后流入旋转爆震燃烧段233内。

点火器5用于对旋转爆震燃烧段233内的混合气体进行点火。当点火器5触发后，在旋转爆震燃烧段233内形成一道或多道沿周向高速旋转的爆震波，此时混合气体旋转爆震燃烧且爆震燃烧后的燃烧产物具有很强的周向速度，从而带动转动单元3的筒体31旋转运动。由于风扇转子32和压气机转子33固定连接于筒体31，因而风扇转子32和压气机转子33随着筒体31一起旋转运动。此时，旋转爆震燃烧段233内爆震燃烧后的燃烧产物的内能几乎全部转化为转动单元3整体的机械能，因而此部分气体几乎不产生旋转爆震发动机的推力，其直接经由内涵气体出口2B排出。

旋转运动的风扇转子32对外涵气流通道13内的空气压缩做功，外涵气流通道13内被压缩后的空气分成两路：一部分空气经由外涵空气出口1B直接排出，该部分空气产生旋转爆震发动机几乎全部的推力；另一部分空气经由内涵空气入口2A进入内涵气流通道23的增压段231。

旋转运动的压气机转子33对增压段231内的空气继续压缩做功，增压段231内被压缩后的空气流入隔离段232、并与燃料供给单元4供入的燃料气混合，隔离段232后部内空气和燃料气组成的混合气体一起流入旋转爆震燃烧段233内，从而使得旋转爆震燃烧段233内的混合气体能够连续的进行旋转爆震燃烧。如此，旋转爆震发动机连续地稳定工作。

在根据本实用新型的旋转爆震发动机中，旋转爆震燃烧段233相当于传统发动机的燃烧室，而内涵气体出口2B相当于传统燃烧室出口。由于旋转爆震燃烧段233采用旋转爆震燃烧技术，因而在同等燃烧室温升水平下熵增最小，从而显著提高了发动机的热效率、降低了耗油率。并且，由于旋转爆震燃烧段233内的燃烧产物的内能几乎全部转化为转动单元3的筒体31、风扇转子32以及压气机转子33的机械能，从而风扇转子32、压气机转子33与筒体31一起高速旋转，进而无需设置涡轮部件。这种方式与传统发动机采用涡轮部件带动压气机旋转的方式相比，大大提升了燃烧室出口温度、显著减小了发动机质量，由此提升了发动机的推重比。

此外，由于旋转爆震燃烧具有自增压特性，因而可有效减少压气机级数，从而发动机的结构尺寸和重量还可进一步减小，由此推重比大幅提升。并且，本实用新型的旋转爆震发动机可用作对燃料经济性、结构重量和污染物排放要求较高的运输机、民航客机等的动力装置中，同时其核心技术可用作地面发电或其他输出轴功的动力装置、水面舰艇的动力装置等。

参照图1和图9，筒体31可具有：主体部311，沿轴向C延伸至内涵支撑组件22并转动连接于内涵支撑组件22；第一轴体部312，沿轴向C延伸至外涵支撑组件12并转动连接于外涵支撑组件12；第二轴体部313，连接于第一轴体部312并沿轴向C位于第一轴体部312的下游；以及拐角部314，沿轴向C位于主体部311与第二轴体部313之间并连接于主体部311与第二轴体部313。

筒体31的第一轴体部312收容于外壳体11并与外壳体11形成外涵气流通道13，第二轴体部313收容于内壳体21并与内壳体21形成内涵气流通道23的增压段231，拐角部314收容于内壳体21并与内壳体21形成内涵气流通道23的隔离段232，主体部311收容于内壳体21并与内壳体21形成内涵气流通道23的旋转爆震燃烧段233。风扇转子32固定安装于第一轴体部312，压气机转子33固定安装于第二轴体部313。

这里需要说明的是，增压段231沿轴向C延伸、旋转爆震燃烧段233沿轴向C延伸、而隔离段232先沿径向D延伸然后再沿轴向C延伸(即处于旋转爆震燃烧段233与增压段231之间的筒体31的部分均为拐角部314)，如图1和图9所示。因此，隔离段232包括一个90°弯折部分，从而能够有效抑制旋转爆震燃烧段233的压力回传。

参照图1、图4和图5，外涵支撑组件12可包括：进气锥体121，位于外壳体11的周向内侧并与外壳体11间隔设置；以及多个外涵支撑板122，沿外壳体11的周向间隔分布，各外涵支撑板122固定连接外壳体11和进气锥体121。筒体31的第一轴体部312通过第一轴承T1转动连接于进气锥体121。

具体地，参照图1和图4，进气锥体121可具有：第一本体部1211；以及凹部1212，从第一本体部1211的面向内涵单元2的表面沿轴向C凹入而成。第一轴承T1为滚珠轴承，第一轴承T1的外圈收容并固定于进气锥体121的凹部1212，第一轴体部312的远离主体部311的端部收容并固定于第一轴承T1的内圈。当筒体31旋转运动时，第一轴承T1的内圈在筒体31的作用下相对第一轴承T1的外圈转动。

参照图1和图4，外涵单元1还可包括：外涵静止叶片14，位于外涵气流通道13内并固定连接外壳体11和内涵单元2的内壳体21。这里，外涵静止叶片14在将外壳体11和内涵单元2的内壳体21固定连接的同时，还有助于为外涵气流通道13内的空气流通提供导向。

参照图1、图6和图8，内涵支撑组件22固定设置于内壳体21的内涵气体出口2B处，且内涵支撑组件22可包括：排气锥体221，位于内壳体21的周向内侧并与内壳体21间隔设置；以及多个内涵支撑板222，沿内壳体21的周向间隔分布，各内涵支撑板222固定连接内壳体21和排气锥体221。筒体31的主体部311通过第二轴承T2转动连接于排气锥体221。此时，内壳体21的内表面、排气锥体221的外表面以及各内涵支撑板222的外表面之间的间隔构成内涵气体出口2B。

这里，排气锥体221不仅为旋转爆震燃烧段233内的燃烧产物的排出提供导向，还有助于使燃烧产物的轴向分速度进一步转化为周向分速度，从而使得燃烧产物的内能进一步转化为转动单元3的机械能。

参照图1和图6，排气锥体221的截面可为梯形状。

具体地，参照图1和图6，排气锥体221可具有：第二本体部2211；以及凸部2212，沿轴向C突出于第二本体部2211。第二轴承T2为滚珠轴承，第二轴承T2的内圈套设并固定于排气锥体221的凸部2212，主体部311的远离拐角部314的端部套设并固定于第二轴承T2的外圈。当筒体31旋转运动时，第二轴承T2的外圈在筒体31的作用下相对第二轴承T2的内圈转动。

参照图1、图6和图7，内涵单元2还包括：内涵静止叶片24，位于内涵气流通道23的增压段231内并固定于内壳体21。这里，内涵静止叶片24用于为内涵气流通道23的增压段231内的空气流通提供导向。

参照图7，内涵静止叶片24可具有：基体部241；第一缘部242，沿径向D突出于基体部241并固定连接于内壳体21；以及第二缘部243，沿径向D突出于基体部241并与第一缘部242相对设置。参照图1，筒体31的第二轴体部313通过第三轴承T3转动连接于内涵静止叶片24的第二缘部243。

这里需要说明的是，由于筒体31的第一轴体部312通过第一轴承T1转动连接于进气锥体121、第二轴体部313通过第三轴承T3转动连接于内涵静止叶片24的第二缘部243、主体部311通过第二轴承T2转动连接于排气锥体221，因而转动单元3整体由三个支点支承，保证了转动单元3在旋转过程中的平稳性。

内涵静止叶片的第一缘部242可通过螺栓S固定连接于内壳体21，如图7所示。

参照图1和图9，转动单元3还可包括：变速器34，沿轴向C位于风扇转子32与压气机转子33之间并固定于筒体31。这里，压气机转子33与筒体31的转速相同，在变速器34的作用下，可根据发动机的实际工况和强度要求而调节风扇转子32的转速，从而使得筒体31、风扇转子32、压气机转子33三者之间满足功率平衡。

参照图2和图3，筒体31可设置有：多个凹槽315，沿轴向C间隔分布，各凹槽315形成于主体部311的外表面并沿周向延伸。具体地，凹槽315在数量上可为5个，各凹槽315可为锯齿形凹槽。

由于旋转爆震燃烧段233内的旋转爆震后的燃烧产物同时具有周向和轴向分速度，凹槽315的设置使得燃烧产物的周向分速度增大，而轴向分速度减小，由此使得燃烧产物的内能能够最大化的转化为转动单元3的机械能。

参照图2和图9，筒体31还可设置有：第一凸起316，突出形成于拐角部314的靠近主体部311的部分的外表面并沿周向延伸。内壳体21可设置有：第二凸起213，突出形成于内壳体21的内表面并与第一凸起316相对设置。其中，筒体31的第一凸起316与内壳体21的第二凸起213形成减缩式通道，且所述减缩式通道为内涵气流通道23的隔离段232后部。

当增压段231内的空气经由隔离段232前部进入隔离段232后部时，由于隔离段232后部形成为减缩式通道，因而有助于空气与燃料气在此处充分混合，同时还能够有效抑制旋转爆震燃烧段233内的压力回传。并且，当空气与燃料气形成的混合气体经由隔离段232后部进入旋转爆震燃烧段233内时，混合气体的流动速度也大幅提升，从而有助于提高旋转爆震燃烧段233内的燃烧产物的内能，由此进一步提高了转动单元3的机械能。

具体地，第一凸起316和第二凸起213的截面形状可为楔形，如图2所示。

参照图1、图2和图6，内壳体21可包括：第一壁体211；以及第二壁体212，固定连接于第一壁体211并与第一壁体211形成空腔。内壳体21的第二壁体212与内涵支撑组件22、转动单元3的筒体31形成内涵气流通道23。燃料供给单元4位于第一壁体211和第二壁体212形成的空腔中并固定(如焊接)于第二壁体212。点火器5固定设置于第二壁体212。

燃料供给单元4可包括：燃料管41，连通于外部燃料供给装置(未示出)；喷嘴42，连通于燃料管41；预蒸发室43，连通于喷嘴42，用于对喷嘴42喷入的燃料进行蒸发处理以使燃料蒸发为燃料气；燃料气集气室44，连通于预蒸发室43；以及燃料气喷口45，贯通设置于内壳体21的第二壁体212并连通于内涵气流通道23的隔离段232后部。

为了在内涵气流通道23的隔离段232内提高燃料气与空气的掺混速度，以在旋转爆震燃烧段233内形成稳定爆震，燃料气喷口45中的燃料气喷射方向与隔离段232内的空气流向之间的夹角为60°。