[发明专利]一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器

说明书

本发明公开一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器，该压气机包括：机匣，呈筒状，内壁与外壁之间具有冷却通道；轮毂，位于机匣内部；多个静叶片，位于机匣与轮毂之间，每个静叶片均沿机匣与轮毂的径向截面分布，多个静叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，静叶片的根部与机匣连接，端部靠近轮毂并与轮毂之间具有间隙；每个静叶片内部具有与冷却通道连通的冷却空间；多个动叶片，位于机匣与轮毂之间，每个动叶片均沿机匣与轮毂的径向截面分布，多个动叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，动叶片的根部与轮毂连接，端部靠近机匣并与机匣之间具有间隙，动叶片与静叶片交叠布置。该方案解决了冷却结构复杂、压力损失较大的问题，在压气过程中降温，互不影响。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器技术领域，尤其是一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器。

背景技术

高超声速飞行器对推进系统的性能要求很高，因此动力装置是发展高超声速飞行器的关键。由发动机原理的可知，发动机的单位推力随压气机压比的提高而增大，较高的单位推力易于实现更高的飞行速度。在飞行马赫数小于3的条件下，压气机压缩空气导致的气流温度上升在合理的范围内，压气机能保证在此条件下正常工作；当飞行马赫数3时，由于压气机进出口温度的急速上升，如当飞行马赫数为5 时，压气机进口空气滞止温度达到1200 K左右，这造成了发动机性能急剧恶化，可靠性降低，成为了限制飞行器速度提高的瓶颈。由此可见，传统类型的涡轮发动机已难以满足高超声速飞行的动力需求。

为弥补这一缺陷，一种带预冷概念的发动机在近年来被广泛研究。它是在传统发动机前增添预冷装置，预先冷却压气机进口空气，从而提高进气密度以增大进气质量流量，进而增大推力，提高发动机输出功率和效率，扩展飞行包线，满足高超声速飞行的动力要求。国外研制了一系列带预冷装置的组合动力系统，如日本研制的吸气式涡轮冲压膨胀循环(ATREX)发动机，美国的射流冷却发动机(MIPCC)，及英国的吸气火箭发动机(SABRE)等。由于预冷器结构相对复杂且技术成熟度较低，目前各国都在对轻质、高效的紧凑型预冷器进行大量研究。但是，还没有研究单位或者机构提出一种能同时进行空气压缩与换热冷却耦合的压气机。

由前述所知，现有的冷却方案是在传统的发动机前增添冷却装置，这种方案主要有以下问题：一方面是预冷器结构相对复杂且成熟度较低，各国都在进行轻质、高效紧凑型预冷器进行研究，研制周期漫长；另一方面预冷器的添加会导致发动机比冲降低、发动机结构复杂化、发动机轴线长度增加、发动机进气畸变及压力损失等一系列问题。

发明内容

本发明提供一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器，用于克服现有技术中冷却结构复杂，且导致发动机压力损失较大等缺陷，通过对压气机进行改进来降低来流温度，提高进气密度，提高发动机输出功率和效率；无需在发动机前增加冷却结构，降低了总压损失。

为实现上述目的，本发明提出一种耦合换热式压气机，包括：

机匣，呈筒状，内壁与外壁之间具有供冷却介质流动的通道；

轮毂，位于所述机匣内部；

多个静叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个静叶片均沿所述机匣与轮毂的径向截面分布，多个所述静叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述静叶片的根部与机匣连接，端部靠近所述轮毂并与所述轮毂之间具有间隙；每个所述静叶片内部具有与所述机匣的通道连通的空间；

多个动叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个动叶片均沿所述机匣与轮毂的径向截面分布，多个所述动叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述动叶片的根部与所述轮毂连接，端部靠近所述机匣并与所述机匣之间具有间隙，所述动叶片与所述静叶片交叠布置。

为实现本发明目的，本发明还提供一种高超声速飞行器，包括发动机和上述的耦合换热式压气机；

所述耦合换热式压气机的机匣的冷却通道连接所述发动机的冷却通道共同形成供冷却介质循环流通的通道。