发动机制造技术

本披露涉及一种具有两种运行模式‑吸气模式和火箭模式‑的发动机，该发动机可以用在航空航天应用中，例如用在飞行器、飞行机器或航空航天运载工具中。可以通过在吸气模式下使用预冷却器安排采用供火箭模式使用的冷燃料输送系统来冷却进气空气而将该发动机的效率最大化。通过引入该预冷却器和某些其他的发动机循环部件、并且如所描述地来安排和操作它们，就可以减轻例如与更高燃料和重量要求以及霜冻形成相关联的问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(a)要求在2013年10月11日于英国提交并且通过援引并入本文的专利申请号GB1318111.0的优先权，并且根据35U.S.C.§§120和365要求在2014年6月5日提交并且也通过援引并入本文的美国专利申请号14/296,624的优先权和在先申请日权益。领域本专利技术涉及例如可以在航空航天应用中使用类型的发动机。本披露还涉及用于运行此类发动机的方法、以及包括此类发动机的飞行器、飞行机器或航空航天运载工具。背景已经尝试生产单级入轨(SSTO)运载工具。为了是商业上可行的，这样的运载工具一般要求高的有效载荷部分，以便可以适配成满足不同的运行要求。此外，这样的运载工具将是地面上容易操纵的并且具有短的维修周转期。因此理论上有可能实现具有高性能火箭推进的SSTO。然而，从起飞时使用火箭必然要求氧化剂(例如液态氧)的高有效载荷，这将给运载工具增加可观的质量。一种选择是给火箭发动机增加替代的动力推进单元并且然后才仅依靠火箭推进来完成上升入轨。GB-A-2240815描述了双模式或混合式航空航天推进发动机。在这种发动机中，在第一运行模式中，发动机采用液态氢燃料来预冷却涡轮压缩机的进气空气以便将其以高压作为氧化剂输送到火箭型燃烧器/喷管组件中。在高马赫数下，例如马赫数超过5时，发动机变成作为常规高性能的火箭发动机来运行的第二运行模式而通过使用运载工具上携带的液态氧来氧化该液体氢燃料。这样的混合式发动机可以通过为其增加吸气能力来扩展火箭发动机的性能。火箭发动机被认为是实现必要的速度以完成入轨、例如以约4500m/s的有效真空排气速度(Vef)入轨的最适当的发动机。为了使得在这两种推进模式(即，火箭模式和吸气模式)中都可以采用常见的燃烧与喷管系统，进入空气典型地必须被压缩到与火箭运行中(大致150巴)类似的但不必相同的高压。为了做到这点，进入空气首先被冷却，以保持输送温度在实际界限内(低于800K)并且以便将涡轮压缩机所需的压缩机做功最小化。然而，这样的发动机可能具有大的燃料需求。本披露尝试至少在某种程度上减轻这些问题和/或至少在某种程度上解决与现有技术相关的困难。
技术实现思路
根据本披露的第一方面，提供了一种发动机，该发动机包括：用于燃料和氧化剂的燃烧的火箭燃烧室；用于燃料和氧化剂的燃烧的吸气燃烧室；用于将空气加压以供应至所述吸气燃烧室的压缩机；用于将燃料输送至所述第一火箭燃烧室的第一燃料输送系统；用于将燃料输送至所述吸气燃烧室的第二燃料输送系统；用于将氧化剂输送至所述火箭燃烧室的氧化剂输送系统；其中，该吸气燃烧室和该火箭燃烧室被配置成独立地运行。这样的发动机因此可以使用压缩空气作为氧化剂并且使用燃料在这些吸气燃烧室中燃烧而运行。当被结合在飞行器中时，这允许使用空气起飞。这与仅具有火箭燃烧室的发动机相比可以减小燃料要求。该吸气燃烧室和火箭燃烧室可以独立地运行，即每种类型的燃烧室可以不依赖于另一种类型的燃烧室地燃烧氧化剂和燃料。该发动机可以被配置成推进发动机，以例如用于飞行器或航空航天应用。当可以通过该压缩机满足吸气发动机的氧化剂要求时，该发动机可以使用空气运行到预定速度，例如约马赫数5。在预定速度以上，例如在马赫数5以上，该发动机可以从吸气模式切换至完全火箭模式，此时使用机载氧化剂。在从吸气模式到完全火箭模式的过渡期间，该发动机可以被配置成使得这两种模式都是运行的，例如当吸气模式被减小动力而火箭模式被增加动力时。该第一和第二燃料输送系统可以包括一个或多个泵。该第一和第二燃料输送系统可以通过开关或阀进行组合以便将燃料引导至预定的燃烧室。燃料可以被提供在机载储器中并且可以是以深冷形式提供的。可选地，该发动机进一步包括：具有入口和出口的第一热交换器安排，该第一热交换器安排被安排成使用热传递介质将有待供应至所述压缩机的空气在其被所述压缩机压缩之前加以冷却；用于所述热传递介质的热传递介质回路；第二热交换器安排，该第二热交换器安排被配置成以所述燃料输送系统所输送的燃料来冷却所述热传递介质。该第一热交换器安排可以被配置成包括多个热交换器级的一个热交换器。这可以允许在该热交换器上控制冷却程度以便辅助霜冻控制。该发动机可以配备有带有减速装置的空气进气管以便例如当该发动机被结合在飞行器中时减小空气速度。该热传递介质或流体也可以有用地用作工作流体，即它能够膨胀和压缩。这种流体可以用在发动机的动力回路中，例如用于驱动涡轮机。该第二热交换器安排可以被配置成一个或多个热交换器。该第二热交换器安排可以被形成为一个或多个逆流热交换器。因此在燃料来到这些燃烧室之前该燃料被完全利用来作为冷却介质以冷却该热传递介质。该第一热交换器可以被配置成逆流热交换器。可选地，该发动机进一步包括用于驱动所述压缩机的涡轮机，该涡轮机被配置成有待使用来自该第一热交换器安排的出口的一部分热传递介质来驱动。虽然在本说明书中提及的是涡轮机和压缩机，但可以采用任何适当的、可以被该工作流体驱动或者可以压缩该工作流体的机械。这样，提及涡轮机应理解为包括可以被流体(例如气体)驱动的任何机器，并且提及压缩机应理解为是指可以压缩流体的任何机器。可选地，该发动机进一步包括第三热交换器安排，该第三热交换器安排被配置成在所述热传递介质输送至所述涡轮机之前将其加热。可选地，该发动机包括第一预燃烧器，该第一预燃烧器被配置成部分地燃烧至少一部分的燃料之后输送至所述吸气燃烧室。该第一预燃烧器可以被供以来自该第二燃料输送系统的燃料。可选地，来自所述预燃烧器的排气被连接至用于加热所述热传递介质的所述第三热交换器安排。该预燃烧器因此可以用来增大该热传递介质的焓。该热传递介质因此可以有用地用作工作流体来驱动发动机中的涡轮机械等装置。可选地，该第一预燃烧器被配置成部分地燃烧来自所述压缩机的空气与来自所述第二燃料输送系统的燃料。该预燃烧器的燃烧产物接着可以被输送至吸气燃烧室。可以通过该第二燃料输送系统向该吸气燃烧室提供额外的燃料。来自该燃料的能量因此可以用于驱动发动机循环。可选地，该第二热交换器安排包括一个或多个再生器级。热传递介质可以包括高压气体，该高压气体优选地在循环中的所有位置都高于冷凝温度。可以用这些再生器级来降低该热传递介质在输送到第一热交换器安排之前的温度/焓。可选地，这些再生器级包括一系列相继的热交换器和泵。这些再生器级可以被配...

【技术保护点】
一种发动机，包括：用于燃料和氧化剂的燃烧的火箭燃烧室；用于燃料和氧化剂的燃烧的吸气燃烧室；用于将空气加压以供应至所述吸气燃烧室的压缩机；用于将燃料输送至所述火箭燃烧室的第一燃料输送系统；用于将燃料输送至所述吸气燃烧室的第二燃料输送系统；用于将氧化剂输送至所述火箭燃烧室的氧化剂输送系统；其中，该吸气燃烧室和该火箭燃烧室被配置成独立地运行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.11 GB 1318111.0;2014.06.05 US 14/296,6241.一种发动机，包括：
用于燃料和氧化剂的燃烧的火箭燃烧室；
用于燃料和氧化剂的燃烧的吸气燃烧室；
用于将空气加压以供应至所述吸气燃烧室的压缩机；
用于将燃料输送至所述火箭燃烧室的第一燃料输送系统；
用于将燃料输送至所述吸气燃烧室的第二燃料输送系统；
用于将氧化剂输送至所述火箭燃烧室的氧化剂输送系统；
其中，该吸气燃烧室和该火箭燃烧室被配置成独立地运行。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，该发动机进一步包括：
具有入口和出口的第一热交换器安排，该第一热交换器安排被安排成使用热传递介质
将有待供应至所述压缩机的空气在其被所述压缩机压缩之前加以冷却；
用于所述热传递介质的热传递介质回路；
第二热交换器安排，该第二热交换器安排被配置成以该第一或第二燃料输送系统所输
送的燃料来冷却所述热传递介质。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中，该发动机进一步包括用于驱动所述压缩机的涡
轮机，该涡轮机被配置成有待使用来自该第一热交换器安排的出口的一部分热传递介质来
驱动。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，该发动机进一步包括第三热交换器安排，该第
三热交换器安排被配置成在所述热传递介质输送至所述涡轮机之前将其加热。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，该发动机进一步包括第一预燃烧器，该第一预
燃烧器被配置成部分地燃烧至少一部分的燃料之后输送至所述吸气燃烧室。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，来自所述预燃烧器的排气被连接至用于加热所
述热传递介质的所述第三热交换器安排。
7.根据权利要求5或6所述的发动机，其中，该第一预燃烧器被配置成部分地燃烧来自
所述压缩机的空气与来自所述第二燃料输送系统的燃料。
8.根据以上任一项权利要求在从属于权利要求2时所述的发动机，其中，该第二热交换
器安排包括一个或多个再生器级。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，这些再生器级包括一系列相继的热交换器和
泵。
10.根据以上任一项权利要求在从属于权利要求2时所述的发动机，其中，该发动机包
括在该热传递介质回路中的一个或多个旁通阀，以用于使该热传递介质绕过该第一热交换
器安排的一个或多个级。
11.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，进一步包括第二预燃烧器，该第二预燃
烧器用于将该氧化剂输送系统所供应的氧化剂与燃料部分地燃烧之后输送至该火箭燃烧
室。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，该第二预燃烧器的排气被用来驱动一个或多
个用于驱动该第一燃料输送系统和/或氧化剂输送系统的涡轮机。
13.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，该发动机进一步包括一个或多个
旁路燃烧器，以用于燃烧从该第二燃料输送系统输送的一部分燃料。
14.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，提供了多个所述吸气燃烧室并且
它们是围绕所述火箭燃烧室安排的。
15.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，该火箭燃烧室和该吸气燃烧室共
享一个共用喷管。
16.根据以上权利要求中任一项在从属于权利要求2时所述的发动机，其中，来自该第
二燃料输送系统的燃料被用来驱动连接至多个泵的一个或多个涡轮机，这些泵用于驱使该
热传递介质绕该热传递介质回路环流。
17.根据以上权利要求中任一项在从属于权利要求2时所述的发动机，其中，该热传递
介质回路被配置成闭合流动回路。
18.根据以上权利要求中任一项在从属于权利要求2时所述的发动机，其中，该发动机
包括氦来作为该热传递介质。
19.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，该第一和第二燃料输送系统被配
置成用于供应氢来作为所述燃料。
20.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，该吸气燃烧室被配置成将来自所
述压缩机的压缩空气与燃料进行燃烧。
21.根据以上权利要求中任一项在从属于权利要求7时所述的发动机，其中，该吸气燃
烧室被配置成将来自所述压缩机的压缩空气与燃料进行燃烧，并且该发动机被配置成用于
部分地将燃料与该压缩空气进行部分燃烧之后输送至所述吸气燃烧室。
22.根据以上权利要求中任一项所述的发动机，其中，该发动机被适配成点火进入吸气
模式，在该吸气模式中该发动机被适配成在连续运行中在零空气速度产生动力推力。
23.一种用于运行发动机的方法，该方法包括：
提供用于燃料和氧化剂的燃烧的火箭燃烧室、以及用于燃料和氧化剂的燃烧的吸气燃
烧室，其中，该吸气燃烧室和该火箭燃烧室被配置成独立地运行；
使用压缩机将空气加压以用于供应至该吸气燃烧室；
在第一运行模式中使用第二燃料输送系统将燃料输送至该吸气燃烧室；
在第二运行模式中使用第一燃料输送系统将燃料输送至该火箭燃烧室；并且
在该第二运行模式中使用氧化剂输送系统将氧化剂输送至该火箭燃烧室。
24.根据权利要求23所述的用于运行发动机的方法，进一步包括：
在该第一运行模式中，使用热传递介质和具有入...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦·邦德，理查德·瓦维尔，
申请(专利权)人：喷气发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB