一种基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机

1.本发明属于水下航行器的发动机技术领域，更具体地，涉及一种基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机。


背景技术：

2.超高速水下武器的出现，使未来海战模式发生了革命性的改变，未来水下武器的推进系统需具备零速起动、大功率、大冲量等的推进要求。现代化的战争环境对鱼雷的航程和速度要求越来越高,研制新型的大功率、大冲量的推进系统，一直是各装备强国研究的重点。涡轮、冲压、火箭等传统单一类型动力均无法满足全部要求，水冲压组合发动机是未来发展的必然趋势。
3.水下发射的武器，以传统潜艇鱼雷为例，在完成发射前的准备工作后，鱼雷发射仓打开，鱼雷借助弹射筒会直接被弹出去，然后借助电控或非电控手段进行发动机点火。这样，鱼雷需要借助一个相对鱼雷本身更大目标的发射平台来完成发射流程，会大大增加被探测甚至被反导的危险。
4.在高速水下武器发射时，往往是距离目标一定的距离放下武器，这样更容易不被目标发现，但同时为了经济性，只有在距离目标相对较近时，才启动高速通道，此时就需要一个在离目标较远处潜航或者低速航行，一旦接收到发射信号，随时启动，这样既提高了经济性，同时又大大提高了机动性，也保护了水下平台的安全性。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机，其目的在于实现水下发动机零速自起动以及高效推进。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机，包括：依次分布的高压惰性气体瓶、煤油燃料瓶、氧化剂瓶、进水道、水轮增压器、燃气发生器、动力涡轮和水冲压补燃室；
7.所述煤油燃料瓶和氧化剂瓶，分别用于提供煤油和氧化剂；
8.所述高压惰性气体瓶，用于驱动和煤油和氧化剂进入燃气发生器；
9.所述燃气发生器，用于使煤油在氧化剂的作用下燃烧，产生高温高压富燃燃气驱动动力涡轮；
10.所述动力涡轮，用于在发动机静止状态下带动水轮增压器工作，形成自起动；
11.所述水轮增压器，用于吸入海水，并将其引入水冲压补燃室；
12.所述进水道，用于提供海水流入发动机的通道；
13.所述水冲压补燃室，用于提供海水与金属粉末发生反应的空间。
14.进一步地，所述进水道，沿机身周向对称设置有4个进水口；每个进水口自开口处至水轮增压器方向，由矩形逐渐平滑扩展成1/4圆周；四个进水口最终扩展成一个完整的圆；除设置进水口外，进水道周围其余部分均匀设置四个输料管路，用于输送煤油燃料。
15.进一步地，所述水轮增压器、燃气发生器固定在中心转子层上。
16.进一步地，所述动力涡轮包括定子和转子；其中，定子固定在水轮增压器之后的进水流道内侧壁面上，转子固定在带有水轮增压器的中心转子层上。
17.进一步地，所述发动机还包括，连接在位于动力涡轮后方的水通道内壁上，由旋流叶片组成的旋流式粉末喷注器；所述旋流式粉末喷注器用于使喷注的金属粉末形成旋流，以去除其自身表面的氧化膜。
18.进一步地，所述发动机还包括，通过后止推轴承连接在动力涡轮尾端的中心补喷锥，用于连接金属粉末燃料输送管和旋流式粉末喷注器。
19.进一步地，所述煤油燃料瓶内部混有金属粉末。
20.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
21.本发明通过燃气发生器使燃气进入环形燃烧室，产生的高温高压富燃燃气驱动动力涡轮，由动力涡轮带动水轮增压器工作，能够实现水下发动机零速自起动。而零速起动的优点第一个是经济性，在距离目标较远处可以实现零速潜航或者低速巡航，只有接收到发射信号，才开启高速水冲压通道；第二个优点是高机动性，在距离目标较远时，由于距离远不易被发现，所以可以低速巡航至目标的任意方位，一旦接收到发射信号就高速推进，让目标无法及时应对；第三个优点是埋伏性，可以在目标经过的一定范围内埋伏一定数量的装载本发明的武器，一旦通过卫星或者其他装备发现目标经过时，立即启动发射程序。这几个优点较大地扩展了水下发动机的适用场景。
22.本发明提供的水冲压发动机是直接将液态水引入燃烧室中,通过和燃烧剂中的金属粉末的剧烈反应，产生高温高压燃气，由于充分利用了外部海水作为氧化剂，使得推进剂的比冲和能量密度得到大幅提高；同时发动机仅携带相对较少的贫氧金属燃料,大大减少了运动部件,结构简单,容易提高发动机的固有可靠性，进而大大节省后期维护费用和维修难度，降低全寿命周期的使用费用，有利于大量装备和使用。
23.相比较而言,电动力鱼雷需要造价昂贵的电池，不仅使用成本高昂，而且安全性不容易保证；而普通热动力鱼雷使用的otto燃料不仅有毒有害,对储存和运输的条件要求很高；本发明水冲压发动机的水反应金属原料一般比较廉价，而且常温下安全可靠，便于运输和储存，对环境污染少。
附图说明
24.图1是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机整体示意图；
25.图2是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机的进水道入口以及燃气道结构剖面示意图；
26.图3是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机的水轮机结构剖面示意图；
27.图4是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机的自起动涡轮结构示意图；
28.图5是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机的环形燃气
发生器/燃烧室示意图；
29.图6是本发明的基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机的旋流式粉末喷注器示意图；
30.1-进水道，2-煤油燃料输送管，3-水轮增压器，4-燃气发生器/燃烧室，5-动力涡轮，6-旋流式粉末喷注器，7-水冲压补燃室，8-尾喷管，9-中心补喷锥，10-金属粉末燃料输送管，11-旋流叶片，12-金属粉末喷注口，13-进水道内壁，14-中心转子层。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.参考图1，本发明是一种基于燃气发生器驱动的自起动涡轮水冲压组合发动机，包括高压n2增压气瓶、煤油燃料瓶、氧化剂瓶(过氧化氢)、mg/al粉末燃料瓶(n2载气)、进水道1、水轮增压器3、燃气发生器4、动力涡轮5、中心轴、中心补喷锥9、旋流式粉末喷注器6、水冲压补燃室7和尾喷管8；
33.高压n2增压气瓶、煤油燃料瓶、氧化剂瓶(过氧化氢)、mg/al粉末燃料瓶(n2载气)分别固定在组合发动机前体的内部，通过埋设在进水道1周围部分和中心转子层内部的金属粉末燃料输送管10分别将煤油燃料、氧化剂和金属粉末等输送进相应的位置；
34.参考图2，进水道1，采用沿机身周向对称布置的结构，沿周向每隔90
°
，一共设置四个进水口，进水道自开始的进水口至水轮增压器，由矩形逐渐平滑扩展成1/4圆周，四个矩形进水口刚好扩展成一个完整的圆(说明设置圆形的好处或作用)，供水轮增压器叶片工作；进水道周围其余部分再均匀设置四个较小的煤油燃料输送管2，一方面用实心结构来加强连接该发动机的前体燃料等存储的部分和后体的工作部分，另一方面用来输送煤油燃料；
35.参考图3，水轮增压器3，通过前止推轴承固定在该发动机的储料前体尾部，通过后止推轴承固定在中心补喷锥9前部；水轮增压器由多级叶片组成，在每一个叶片和中心转子层14之间设有叶根，叶片和叶根沿着中心轴周向均匀对称布置，叶根起到加强叶片的作用；
36.而中心补喷锥9通过金属粉末燃料输送管10与旋流式粉末喷注器6之间的管路加强连接；
37.参考图4和图5，燃气发生器/燃烧室4，外周壁面固定在进水道内侧，内周壁面通过环形轴承连接在带有水轮增压器3和动力涡轮5的中心转子层上，而动力涡轮5包括定子和转子，其转子连接在中心转子层14上，定子固定在进水道1内壁13上；
38.参考图6，旋流式粉末喷注器6，采用旋流叶片11通过金属粉末喷注口14喷注金属燃料，其内环通过环形轴承固定在进水道1尾部的内壁面，外环固定在进水道1外壳体上；
39.水冲压补燃室7和尾喷管8为一体加工的结构。
40.工作原理与过程：
41.通过将煤油金属粉末增强燃料送入燃气发生器/燃烧室4，煤油金属粉末增强燃料燃烧产生高温高压气体驱动动力涡轮5，通过同时带有水轮增压器3和动力涡轮5的中心转
子层14转动，从而带动水轮增压器3将海水吸入分置式进水道1，同时残留的金属粉末可以继续与海水反应；吸入的海水与喷出的金属粉末燃料在水冲压补燃室7内进行剧烈反应燃烧，燃烧产生氧化物和高温高压氢气等并放出大量热，高温高压气体通过尾喷管8喷出，从而起动本发明所述的发动机持续工作。
42.由于本发明进入燃气发生器/燃烧室4内的煤油燃料和氧化剂完全自带，因此具有自起动的特点；同时，自带的煤油燃料中含有金属粉末，经过燃气发生器/燃烧室4反应，如果有残留会继续和吸入的海水二次反应，提高了燃烧效率和推进效率。在水冲压补燃室入口设置旋流式粉末喷注器6，其中旋流叶片11具有稳燃和提高金属粉末燃料燃烬率的作用。燃烧反应同时放出大量的热，之后热能转化成动能推动航行。
43.本发明提供的水冲压发动机是直接将液态水引入燃烧室中,通过和燃烧剂中的金属粉末的剧烈反应，产生高温高压燃气,燃气通过喷管喷出时产生的反作用力作为动力的一种动力系统。这种动力系统能充分利用外界的水作为氧化剂，使得推进剂的比冲和能量密度得到大幅提高。
44.因此，水冲压发动机利用外部海水作为氧化剂和工质,发动机仅携带贫氧金属燃料,发动机大大减少了运动部件,结构简单,容易提高发动机的固有可靠性，而可靠性是武器装备最重要的指标之一,可靠性的提高能大大节省后期维护费用和维修难度,降低全寿命周期的使用费用,有利于大量装备和使用。有研究结果表明,水冲压发动机的比冲大于常规火箭发动机,且水冲压发动机结构体积大大减小。
45.同时，水冲压发动机的水反应金属原料尤其铝一般比较廉价,而且常温下安全可靠,便于运输和储存。相比较而言,例如电动力鱼雷需要造价昂贵的电池，不仅使用成本高昂,而且安全性不容易保证；而普通热动力鱼雷使用的otto燃料不仅有毒有害,对储存和运输的条件要求很高,而贫氧金属燃料稳定性好,价格相对低廉,对环境污染少,降低了训练和使用成本。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。