[发明专利]一种分段式超声速来流的预冷增压方法

说明书

本发明属于吸气式空天发动机设备技术领域，针对进气道压缩过程导致总压损失的技术问题，本发明提出一种分段式超声速来流预冷增压方法，先对超声速气流在进气道内边预冷边增压，变为亚声速后可根据具体需求，可选地利用或不再利用空气预冷增压装置对来流进行预冷，最终送入压气机进行压缩。这种超声速来流的预冷增压方法可以大幅提高超声速进气道的实际总压恢复系数，在高马赫数工况时保证压气机入口气体温度符合设计要求，从而能有效拓展吸气式涡轮发动机工作马赫数上限，并提高发动机热效率。

技术领域

本发明属于吸气式空天发动机设备技术领域，具体涉及一种分段式超声速来流的预冷增压方法。

背景技术

吸气式空天发动机是各国争夺临近空间的重点，常见的吸气式空天发动机包括涡轮、冲压或涡轮-冲压组合发动机。此类发动机一般需要工作于较高和较宽的飞行马赫数区间(例如Ma3-5)，它们的进气道属于超声速进气道。一个好的超声速进气道，应该具有高的通流能力，较小的流动损失及外阻，较宽的工作范围和均匀的出口流场。对应衡量其性能的主要指标为总压恢复系数，流量系数，进气道出口畸变指数，阻力和稳定性裕度等。宽速域发动机超声速进气道的设计，需要在整个工作马赫数范围内使得上述指标都保持在较高的水准之上，难度相当大。其中总压恢复系数是与发动机性能联系最紧密的一个关键参数，是进气道设计需要重点保证的核心指标。现有常规的超声速进气道不可避免会导致来流总压损失。

以吸气式涡轮发动机为例，现有的增压方式如下：来流经进气道初步压缩，气流速度降低为亚声速后再输送至压气机压缩。图1为一个典型的Ma3.0的超声速进气道，即使由多道斜激波和一道弱正激波组成，还是会导致总压损失。因此，如何尽可能减少进气道压缩过程对来流总压的损失，提高总压恢复系数的水平，是一个重要的科学问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种分段式超声速来流的预冷增压方法，使用一套预冷装置对超声速来流在进气道内边预冷边压缩，使得来流空气总压恢复系数大幅提升，当气流最终变为亚声速后，再送入压气机进行压缩。不仅能够打破对吸气涡轮发动机最高飞行速度的限制，还可以大幅提高进气道总压恢复系数。

本发明采取的技术方案为：

一种分段式超声速来流的预冷增压方法，具体包括如下步骤：

(1)超声速进气道内设置有预冷增压装置，超声速气流经超声速进气道预压缩，再通过预冷增压装置边预冷边增压；

(2)超声速气流通过预冷增压装置被冷却增压后流速会提高，但通过超声速进气道的激波系最终超声速气流会减速为亚声速气流；

(3)超声速进气道的尾部设置有压气机，亚声速气流输送至压气机继续压缩。

进一步的，所述步骤(1)或步骤(2)中的超声速气流减速为亚声速气流前，超声速气流的全部或一部分流过预冷增压装置进行边预冷边增压。

进一步的，所述步骤(1)或步骤(2)中的预冷增压装置设置为逆向冷却式结构，即冷却剂的流动方向与空气流动方向是相反的或二者之间呈一定角度。

进一步的，所述步骤(1)或步骤(2)中预冷增压装置内的冷却剂采用氢或煤油、甲烷碳氢燃料中的任意一种，预冷增压装置内的预冷增压过程往往非常迅速，耗时不到1秒。

进一步的，所述步骤(2)中的超声速进气道设置为激波系分段式结构，具体设置为n段进气道，n≥1，气流经过超声速进气道的过程中，通过斜劈a控制斜激波Mi减速至斜激波M(n-2)，通过斜劈b控制斜激波M(n-2)减速至斜激波M(n-1)，通过斜劈c控制斜激波M(n-1)减速至斜激波Mn。

进一步的，所述预冷增压装置下游还设置有亚声速预冷器，超声速气流减速为亚声速气流后，通过亚声速预冷器对亚声速气流进一步预冷。

更进一步的，所述预冷增压装置和亚声速预冷器通过一体化设计为一个装置。