CN105927421A - 文丘里喷气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种文丘里喷气发动机，包括射流喷射装置(1)、空气扩散腔(3)和尾喷口(4)，应用文丘里管的射流引射原理把大量空气卷吸进发动机体内，从射流中获取了一定的速度，与原射流一起从尾喷管中喷出，这种大流量低速度的喷射方式比小流量高速度的喷射方式推进效率更高。更实用的是，还可以利用现有喷气发动机的尾喷射流作为射流喷射源，同样可以提高现有喷气发动机的推进效率。与现有高效率的涡轮、涡桨等喷气发动机相比，文丘里喷气发动机具有结构简单、造价低、可靠性好、推进效率更高等优点。

Description

文丘里喷气发动机

技术领域

本发明涉及一种喷气发动机，属于动力工程，特别是喷气式发动机领域。

背景技术

喷气发动机是一种通过加速和排出的高速流体做功的热机或电机，使燃料燃烧时产生的气体高速喷射而产生动力。大部分喷气发动机都是依靠牛顿第三定律工作的内燃机。

喷气发动机用类似于发动机/螺旋桨组合的方式产生推力。二者均靠将大量气体向后推来推进飞机，一种是以比较低速的大量空气滑流的形式，而另一种是以极高速的燃气喷气流形式。喷气反作用绝对是一种内部现象。它不象人们经常想象的那样说成是由于喷气流作用在大气上的压力所造成的。实际上，喷气推进发动机，无论火箭、冲压喷气、或者涡轮喷气，都是设计成加速空气流或者燃气流并将其高速排出的一种装置。当然，这样做有不同的方式。但是，在所有例子中，作用在发动机上的最终的反作用力即推力是与发动机排出的气流的质量以及气流的速度成比例的。换言之，给大量空气附加一个小速度或者给少量空气一个大速度能提供同样的推力。实用中，人们喜欢前者，因为降低喷气速度能得到更高的推进效率。

不同类型的喷气发动机，无论冲压喷气、脉冲喷气、涡轮/冲压喷气或者涡轮-火箭，其差别仅在于“推力提供者”即发动机供应能量并将能量转换成飞行动力的方式。

冲压喷气发动机实际上是一种气动热力涵道。它没有任何主要旋转零件，只包含一个扩张形进气涵道和一个收敛形或者收敛-扩张形出口。当由外部能源强迫其向前运动时，空气被迫进入进气道。当它流过这一扩散形涵道时，其速度或动能降低，而压力能增加。尔后，靠燃油的燃烧来增加其总能量，膨胀的燃气通过出口涵道高速排入大气。冲压喷气发动机常作为导弹和靶机的动力装置，但单纯的冲压喷气发动机不适于作为普通飞机动力装置，因为在它产生推力前，要求向它施加向前的运动。

脉冲喷气发动机采用间歇燃烧原理。与冲压喷气发动机不同，它能在静止状态工作。这种发动机是由类似冲压喷气发动机的一种空气动力涵道构成。它的压力较高，结构比较坚实。进气涵道有许多进气“活门”，在弹簧拉力作用下处于打开位置，通过打开的活门空气进入燃烧室，并靠燃烧喷入燃烧室中去的燃油得到加热，由此引起的膨胀使压力升高，迫使活门关闭，然后膨胀的燃气向后喷出；排气造成降压，使活门重新开启。这种过程周而复始。脉冲喷气发动机曾经被设计成直升机旋翼的推进装置，有的还通过精心设计涵道来控制共振循环的压力变化而省去了进气活门。但脉冲喷气发动机不适于作为飞机动力装置，因为它的油耗高，又无法达到现代燃气涡轮发动机的性能。

涡轮喷气式发动机应用于喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点，因为采用了涡轮驱动的压气机，因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。它从大气中吸进空气，经压缩和加热这一过程之后，得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒(610米/秒)或者大约1400英里/小时(2253公里/小时)的速度从推进喷管中排出。在高速喷气流喷出发动机时，同时带动压气机和涡轮继续旋转，维持“工作循环”。涡轮发动机的机械布局比较简单，因为它只包含两个主要旋转部分，即压气机和涡轮，还有一个或者若干个燃烧室。然而，并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性，因为热力和气动力问题是比较复杂的。这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。

飞机速度低于大约450英里/小时(724公里/小时)时，纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率，因为它的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度；因而，纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。然而，由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动，在350英里/小时(563公里/小时)以上时螺旋桨效率迅速降低。这些特性使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而采用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合--涡轮螺旋桨式发动机。

螺旋桨/涡轮组合的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机和桨扇发动机的引入所取代。这些发动机比纯喷气发动机流量大而喷气速度低，因而，其推进效率与涡轮螺旋桨发动机相当，超过了纯喷气发动机的推进效率。

涡轮/冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机结合起来，在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道，前部具有可调进气道，后部是带可调喷口的加力喷管。起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下，发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式；当飞机加速到马赫数3以上时，其涡轮喷气机构被关闭，气道空气借助于导向叶片绕过压气机，直接流入加力喷管，此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机，在这些状态下，该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的。

通过以上了解可知，目前喷气发动机推进效率的提高，都是通过涡轮或螺旋桨的机械作用把大量空气吸引进到喷气发动机内，大幅增加了喷气发动机的喷射的空气量，从而降低了喷气速度，因为给大量空气附加一个小速度或者给少量空气一个大速度能提供同样的推力。降低喷气速度可以提高推进效率。但是，目前的高效率喷气发动机在提高了推进效率的同时，却导致结构复杂、阻力增加、材料要求高，加工工艺高及成本大幅增加等问题，也给发动机的可靠性带来了很大的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的缺陷，提供了一种结构简单、推进效率高的文丘里喷气发动机。

为达上述目的，本发明采取的具体技术方案如下：本发明主要包括射流喷射装置、空气扩散腔及尾喷口，射流喷射装置后为内径比射流喷射装置喷嘴要大的空气扩散腔，射流喷射装置的喷嘴与空气扩散腔之间与大气连通，射流喷射装置尾部的喷管喷射出射流，对大气中的空气产生卷吸作用，在卷吸作用下，喷嘴周围的空气被抽吸进空气扩散腔内，并从射流中获得一定的流速，而射流速度则随之下降，大流量的气体从尾喷口喷射而出，从而实现了大流量低速度的高效率喷射方式，大幅提高了推进效率。这种利用文丘里管原理的喷流引射喷气发动机，具有结构简单、造价低、可靠性高、推进效率高等优点。

附图说明

图1是文丘里喷气发动机的结构示意图；

图2是文丘里喷气发动机的二级串联结构示意图。

图3是文丘里喷气发动机作为喷气发动机的压气机的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步解释。

如图1所示，是本发明的基本结构示意图，在射流喷射装置(1)的喷嘴(2)后是空气扩散腔(3)，空气扩散腔(3)的入口内径比喷嘴(2)的内径要大，喷嘴(2)与空气扩散腔(3)之间隔开一段距离，并与大气连通。射流喷射装置(1)从喷嘴(2)喷出射流，由于射流的卷吸作用，外界大气被抽吸进空气扩散腔(3)内，从射流从获得一定的流速，与原射流一起从尾喷口(4)喷射而出。

如图2所示，是本发明的二级串联结构示意图，第一级空气扩散腔(3)和第二级空气扩散腔(5)之间隔开一段距离，再次与大气相连通，从第一级空气扩散腔(3)出来的射流，喷射入第二级空气扩散腔(5)，对外界大气再次产生更大的卷吸作用，更多的空气进入了第二级空气扩散腔(5)内，最后大量空气从尾喷口(4)喷出。从结构上来看，实质上就是在本发明的基本结构串联实现，其目的是通过串联组合增加射流对空气的卷吸能力，进一步提高文丘里喷气发动机的推进效率。

如图3所示，是本发明作为喷气发动机的压气机的实施例示意图，文丘里喷气发动机主要作为增加喷气发动机的进气量的压气机部件而存在，喷气发动机(6)为冲压发动机等发动机，位于文丘里喷气发动机的空气扩散腔(5)内，喷气发动机(6)在大流量具有一定速度的空气流中加力燃烧，射流一起从尾喷口(4)中喷射而出。

本发明还可以通过对文丘里喷气发动机的基本结构进行多级串联、或多级并联、或多级串联加并联等组合，更进一步的提高文丘里喷气发动机的空气卷吸量，使喷气流量更大且速度更低，更进一步提高了推进效率。本发明最易实现的方式是利用现有的喷气式飞机尾喷口的高温高速射流作为射流喷射装置，对此高温高速射流进一步与卷吸进的空气混合喷射，这样也能大幅提高目前的喷气式飞机的推进效率。喷气发动机进气口也可以利用本发明对空气卷吸以提高进气量。另外还可以利用高效利用等离子体等高速射流来实现。

Claims (4)

1.一种文丘里喷气发动机，包括射流喷射装置、空气扩散腔及尾喷口，其特征在于：射流喷射装置的喷嘴后为空气扩散腔，射流喷射装置的喷嘴与空气扩散腔之间与大气连通，射流喷射装置尾部的喷管喷射出射流，对大气中的空气产生卷吸作用，卷吸进的空气和原射流一起从空气扩散腔后端的尾喷口喷出。

2.根据权利要求1所述的文丘里喷气发动机，其特征是：射流喷射装置的喷嘴内径比空气扩散腔小。

3.根据权利要求1所述的文丘里喷气发动机，其特征是：文丘里喷气发动机可多级串联、并联或串联加并联来提高推进效率。

4.根据权利要求1所述的文丘里喷气发动机，其特征是：文丘里喷气发动机可置于前端作为压气机用，也可以置于后端作为喷气发动机推进用。