CN101149026A - 一种涡轮风扇发动机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮风扇发动机，至少包括风扇和低压涡轮，所述风扇后置于发动机尾部，与所述低压涡轮组成单元体。本发明还公开了一种涡轮风扇发动机的设计方法。应用本发明，基于用后置风扇与低压涡轮构成单元体的结构设计方法，降低了结构设计难度和转子动力学带来的风险，有效减少零件数目，从而提高工作的可靠性，降低了维护成本；同时，有利于减少轴向尺寸和整体重量，对提高发动机的推重比等具有较为明显的益处；并且，可以在改动工作量非常小的前提下，将现有涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

Description

一种涡轮风扇发动机及其设计方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种涡轮风扇发动机及其设计方法。

背景技术

涡轮发动机是发动机领域常用的发动机类型，应用较广泛的有涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，例如在军用领域中作为导弹动力装置，以及在民用领域应用于汽车、船舶等。

图1为现有技术中一种单转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图，将气流喷出的一端称为尾部。该涡轮风扇发动机包括风扇101、压气机102、燃烧室103、涡轮104和旋转轴105，压气机102由轴流压气机叶片106和离心压气机叶片107组成，旋转轴105连接风扇101、压气机102和涡轮104。该涡轮风扇发动机在风扇101前面还可以包括静止导流叶片108，用于调整气流的角度。通常也把风扇101称为低压压气机，而将上述压气机102称为高压压气机。

进入涡轮风扇发动机的空气首先流过风扇101，由于风扇101的旋转被加速，并被分为两股，其中一股送入外涵道，可以直接排出或在尾部与经内涵道后流出的气流混合，另一股送入内涵道，到达压气机102；压气机102的叶片对空气做功，使空气的压力和温度升高，在轴流压气机叶片106中，气流沿旋转轴方向流动，在离心压气机叶片107中，气流沿径向向外流动；从离心压气机叶片107流出的高温高压气体进入燃烧室103，与燃烧室103中的喷嘴喷出的燃油作用，形成高温高压燃气；燃烧室303流出的高温高压燃气推动涡轮104转动，高温高压燃气在推动涡轮104的过程中迅速膨胀，并从喷口高速喷出，使发动机产生向前的推力。在这种单转子涡轮风扇发动机中，由于涡轮、压气机和风扇位于同一旋转轴上，因此涡轮、风扇和压气机的转速相同。

图2为现有技术中一种双转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图，该涡轮风扇发动机包括：风扇201、压气机202、高压涡轮203、燃烧室204、低压涡轮205、高压轴206和低压轴207，其中压气机202也可以包括轴流压气机叶片208和离心压气机叶片209。图2所示与图1所示的涡轮风扇发动机区别在于，包括两级涡轮转子，其中高压涡轮203通过高压轴206与压气机202连接，低压涡轮205通过低压轴207与风扇201相连，低压轴207穿过高压轴206。其他基本工作原理与对图1的描述中相同。

涡轮喷气发动机的结构与涡轮风扇发动机基本相似，也可以分为单转子涡轮喷气发动机和双转子涡轮喷气发动机，只是涡轮喷气发动机中与涡轮风扇发动机的风扇相对应的部分，即压气机的叶片较短，因此没有进入压气机的空气无法被加速，涡轮喷气发动机的向前推力只能来源于由压气机流向燃烧室，经燃烧形成的高温高压燃气。

正是由于涡轮风扇发动机的向前推力来自两股气流的力量，使涡轮风扇发动机的油耗低于涡轮喷气发动机，因此涡轮风扇发动机目前正在得到更加广泛的应用。

针对涡轮风扇发动机，单转子的情况结构较为简单，相对生产成本较低，但循环效率较低，而双转子的情况可以克服这一缺陷，具有较高的循环效率。但双转子涡轮风扇发动机的轴向尺寸增加，使得发动机的整体重量也增加，并且在小推力发动机领域，由于尺寸受限，为了能够达到推力指标并且具有较好的热力循环性能，转速与大中型推力发动机相比需要大幅度提高。例如，普通的小型弹用发动机转速可以达到30000～40000转以上，而高压级转速设置可达60000～70000转，这样给轴承的设计制造等带来很多困难。由于尺寸小，高压轴尺寸本身受限，低压轴又要穿过高压轴，导致低压轴又细又长，这样给转子动力学问题的解决增加了难度，同时也降低了发动机整机的可靠性，以及发动机维护的困难和维护费用的增加。而且，在现有已有的涡轮喷气发动机基础上，改型为涡轮风扇发动机的工作量大，其中包括大量的结构设计工作。

发明内容

本发明提供一种涡轮风扇发动机，该涡轮风扇发动机作为小推力发动机，其结构布局使零部件数目和轴向尺寸以及整体重量减少，转子动力学设计的难度降低，发动机的生产成本降低以及可靠性提高，并有利于快速从已有的涡轮喷气发动机改型。

本发明提供一种涡轮风扇发动机的设计方法，应用该设计方法，可以减少小推力发动机的零部件数据和轴向尺寸以及整体重量，降低转子动力学设计的难度，降低发动机的生产成本，提高发动机的可靠性，并有利于快速将已有的涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种涡轮风扇发动机，至少包括风扇和低压涡轮，所述风扇后置于发动机的尾部，与所述低压涡轮组成单元体。

所述低压涡轮包括两级低压涡轮转子，具有相反的旋转方向；所述风扇包括两级风扇转子，每一级风扇转子与一级低压涡轮转子耦合。

所述风扇与低压涡轮耦合为：风扇转子与涡轮转子叶尖带冠直接连接。

所述风扇转子与低压涡轮转子之间具有隔热层。

该涡轮风扇发动机还包括静置风扇导流叶片，位于所述后置于发动机尾部的风扇前面。

一种涡轮风扇发动机的设计方法，该方法包括：

进行涡轮风扇发动机气动结构设计的过程中，将风扇后置于发动机的尾部，与低压涡轮组成单元体。

在所述进行涡轮风扇发动机气动设计之后，该方法还包括：

进行涡轮流道和涡轮叶片气动设计；

进行风扇流道和风扇叶片气动设计；

进行风扇与低压涡轮耦合的单元体设计；

进行强度和转子动力学方面的校验和校核，如所述校验和校核结果不符合需求，返回重新开始进行涡轮风扇发动机气动结构设计，如所述校验和校核结果符合需求，结束本流程。

可见，本发明提供的涡轮风扇发动机及其设计方法，将风扇后置于发动机尾部，与低压涡轮组合成单元体，形成单元体一体化结构，因此避免使用低压轴连接风扇和低压涡轮。由此单元体设计结构带来的效果包括：降低了结构设计难度和转子动力学带来的风险，有效减少零件数目，从而提高工作的可靠性，降低了维护成本；同时，有利于减少轴向尺寸和整体重量，对提高发动机的推重比等具有较为明显的益处；并且，可以在改动工作量非常小的前提下，将已有涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

附图说明

图1为现有技术中单转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图；

图2为现有技术中双转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图；

图3为本发明提供的涡轮风扇发动机第一具体实例的示例性结构图；

图4为本发明提供的涡轮风扇发动机第二具体实例的示例性结构图；

图5为本发明提供的涡轮风扇发动机的设计方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

首先，介绍本发明提供的涡轮风扇发动机，该涡轮风扇发动机至少包括风扇和低压涡轮，其中所述风扇后置于发动机尾部，与低压涡轮组成单元体。

涡轮风扇发动机中还包括高压压气机、高压涡轮、高压轴和燃烧室，这些部件都可以与普通涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机中的对应部件相同或类似，其中，高压压气机压缩进入发动机的空气，形成高温高压空气；燃烧室燃烧所述高温高压空气，形成高温高压燃气；上述高温高压燃气依次流入所述高压涡轮和低压涡轮，带动高压涡轮和低压涡轮旋转，其中高压涡轮通过所述高压轴与高压压气机连接，带动高压压气机旋转。

本发明提供的涡轮风扇发动机，将风扇后置于发动机尾部，并与低压涡轮组成单元体结构，避免了使用低压轴连接风扇和低压涡轮。基于上述单元体设计结构，带来的效果包括：降低了结构设计难度和转子动力学带来的风险，有效减少零件数目，从而提高工作的可靠性，降低了维护成本；同时，有利于减少轴向尺寸和整体重量，对提高发动机的推重比等具有较为明显的益处：并且，可以在改动工作量非常小的前提下，将已有涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

上述风扇与低压涡轮组成的单元体结构，可以为风扇转子与低压涡轮转子的叶尖带冠直接连接，作为一种优化方式，还可以在上述风扇转子轮毂和低压涡轮转子的叶尖带冠之间增加隔热层，以降低涡轮叶片向风扇转子的热传导。根据具体的应用需要可以选择不同的组成方式，当然组成的方式也并不限于上述所列举出的情况。

如果需要提高风扇的气动效率，可以通过反力度的调节和三维气动负荷的分布实现，而这两种方式都可以通过风扇导流叶片前置方便的实现。在本发明涡轮风扇发动机中，风扇后置时，一般也会将风扇导流叶片随风扇一起后置，置于紧邻风扇的前部。但考虑上述气动效率的因素时，也可以将风扇导流叶片置于风扇前的任意位置，其位置的确定与应用中的具体需求有关，即根据实际参数进行计算，具体的计算方法为本领域技术人员的公知常识，这里不再赘述。

上述后置于发动机尾部的风扇，还是可以作为低压压气机使用，这是因为：进入发动机的气流除进入压气机的那部分外，还有一部分直接流向尾部，因此进入压气机的那部分气流，按照从压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮的顺序流向尾部，并高速喷出，而直接流向发动机尾部的气流经过风扇时，由于风扇的旋转做功，也形成高速气流喷出。因此风扇后置的涡轮风扇发动机，其推力还是由经涡轮喷出的气流和经风扇喷出的气流组成，可以认为经涡轮喷出的气流，对应于普通涡轮风扇发动机中经内涵道喷出的气流，而经风扇喷出的气流，对应与普通涡轮风扇发动机中经外涵道喷出的气流，因此风扇后置以后，本发明的涡轮风扇发动机还是能够实现低油耗。

下面给出本发明提供的涡轮风扇发动机的两个具体实例。

图3为本发明实施例提供的涡轮风扇发动机的第一具体实例的示例性结构图，示出的是以旋转轴为对称轴的上半部分结构的示例性简图。在本具体实例中，具体应用场景为：涡轮风扇发动机包括轴向高压压气机301、高压涡轮303和燃烧室302，上述部件的具体结构和功能，与普通涡轮喷气发动机中的对应部件相同，对应图3中较粗虚线框中的部分。涡轮风扇发动机中还包括一级低压涡轮304、风扇305和风扇导流叶片310，风扇转子与低压涡轮转子的叶尖带冠直接相连，对应图3中较粗实线框中的部分。涡轮风扇发动机还包括高压轴，连接轴向高压压气机301和高压涡轮303，图3中未示出该高压轴。

在本具体实例中，轴向高压压气机301包括压气机静子叶片306和压气机转子叶片307，其中压气机静子叶片306用于调整进入空气的角度，压气机转子叶片307通过旋转压缩进入的空气；高压涡轮303也包括涡轮静子叶片308和涡轮转子叶片309，同样，涡轮静子叶片308也用于调整气流的角度，而涡轮转子叶片309由燃烧室302流出的高温高压燃气推动旋转，并通过高压轴带动轴向高压压气机301旋转。

空气进入发动机后，一部分进入轴向高压压气机301被压缩成高温高压气流，再进入燃烧室302形成高温高压燃气，而后进入高压涡轮303和低压涡轮304，带动高压涡轮303与低压涡轮304旋转，而高压涡轮304通过高压轴带动轴向高压压气机301旋转，低压涡轮304通过与风扇305的耦合，带动风扇305旋转；另一部分直接到达风扇导流叶片310，调整角度后再到达风扇305，经过风扇305的旋转后形成高速气流。从低压涡轮304和风扇305分别排出高速气流，为涡轮风扇发动机提供向前的推力。

如果考虑风扇305的气动效率，则风扇导流叶片310也可以前置于图3中所示的位置之前。

图4为本发明实施例提供的涡轮风扇发动机的第二具体实例的结构示意图，图4示出的是以旋转轴为对称轴的上半部分结构简图。在本具体实例中，具体应用场景为：涡轮风扇发动机包括离心高压压气机401、燃烧室402和高压涡轮403，上述部件的具体结构和功能，与普通涡轮喷气发动机中的对应部分相同，对应图4中较粗虚线框中的部分。涡扇发动机中还包括第一级低压涡轮404和第二级低压涡轮405，以相反方向对转，还包括第一级风扇406和第二级风扇407，两级风扇转子分别与对应的低压涡轮转子的叶尖带冠直接相连。涡轮风扇发动机中不包括风扇导流叶片。

空气进入发动机后，一部分进入离心高压压气机401被压缩成高温高压气流，再进入燃烧室402形成高温高压燃气，而后进入高压涡轮403和第一级低压涡轮404以及第二级低压涡轮405，带动高压涡轮403、第一级低压涡轮404和第二级低压涡轮405旋转，而高压涡轮403通过高压轴带动离心高压压气机401旋转，第一级低压涡轮404通过与第一级风扇406的直接连接，带动第一级风扇406旋转，第二级低压涡轮405通过与第二级风扇407的直接连接，带动第二级风扇407旋转，并且第一级低压涡轮404与第二级低压涡轮405以相反的方向对转；另一部分直接到达第一级风扇406和第二级风扇407，经过两级风扇的旋转后形成高速气流。从低压涡轮和风扇分别排出高速气流，为涡轮风扇发动机提供向前的推力。

在本发明提供的涡轮风扇发动机的第二具体实例中，采用了两级低压涡轮对转的方式，从而带动两级风扇也进行对转。相比于图3所示出的涡轮风扇发动机，图4所示的两级风扇的来流方向属于半埋入方式，更有利于涡轮风扇发动机前部的附面层吸入，可减小阻力。

通过图3和图4所描述的具体实例还可以看出，利用本发明提供的风扇后置原则，可以很容易的将普通的涡轮喷气发动机改造为低油耗、可靠性高的涡轮风扇发动机，即图3和图4所示出的较粗虚线框部分，可以采用普通涡轮喷气发动机的对应部件，其结构和功能均可以和普通涡轮喷气发动机中的对应部件相同。

其次，介绍本发明提供的涡轮风扇发动机的设计方法，图5为本发明提供的涡轮风扇发动机的设计方法流程图，该流程包括：

步骤501：在涡轮风扇发动机的气动结构设计过程中，将风扇后置于发动机的尾部，与低压涡轮组成单元体。

步骤502：进行涡轮流道和涡轮叶片气动设计。

步骤503：进行风扇流道和风扇叶片气动设计。

上述步骤502～步骤503中所进行的设计，均为按照现有涡轮风扇发动机的设计方法执行，步骤501中的风扇后置，对这两步的设计没有设计方法和准则层面的影响，只会影响到设计中具体需要使用的参数，而这种参数的影响是根据具体应用场景而不同的，需要根据应用场景具体确定，然后只要按照已有的设计方法执行即可。

步骤504：进行风扇与涡轮组合的单元体设计，设计风扇转子和涡轮转子的组合方式，例如可以设计风扇转子与涡轮转子的叶尖带冠直接连接，作为一种优化的方式，还可以设计风扇转子与涡轮转子之间具有隔热层，根据具体的应用要求，可以设计不同的连接方式。

步骤505：进行强度和转子动力学方面的校验和校核，如不满足要求返回步骤501，如满足要求则结束设计流程。

上述步骤505中，强度和转子动力学方面的校验和校核方法，可以与已有的方法相同。

上述本发明提供的涡轮风扇发动机的设计方法，是对风扇后置的涡轮风扇发动机所提出的，对于涡轮风扇发动机中各部分的具体尺寸等细节设计，和具体的设计参数有关，例如只有确定了发动机的推力、流量等参数后，才能开始风扇涡轮气动设计，再根据气动设计的具体结果设计风扇、涡轮的几何尺寸、重量以及强度振动等特性，然后才能选择风扇和涡轮的具体连接方式。这些具体的细节设计并非本发明的讨论重点，其确定方法也是本领域技术人员的公知常识，这里不再赘述。

本发明提供的涡轮风扇发动机及其设计方法，将风扇后置于发动机尾部，与低压涡轮组成单元体结构，避免了使用低压轴连接风扇和低压涡轮。基于上述单元体设计结构，带来的效果包括：降低了结构设计难度和转子动力学带来的风险，有效减少零件数目，从而提高工作的可靠性，降低了维护成本；同时，有利于减少轴向尺寸和整体重量，对提高发动机的推重比等具有较为明显的益处；并且，可以在改动工作量非常小的前提下，将已有涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种涡轮风扇发动机，至少包括风扇和低压涡轮，其特征在于，所述风扇后置于发动机的尾部，与所述低压涡轮组成单元体。

2.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述低压涡轮包括两级低压涡轮转子，具有相反的旋转方向；所述风扇包括两级风扇转子，每一级风扇转子与一级低压涡轮转子耦合。

3.如权利要求1或2所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述风扇与低压涡轮耦合为：风扇转子与涡轮转子叶尖带冠直接连接。

4.如权利要求3所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述风扇转子与低压涡轮转子之间具有隔热层。

5.如权利要求1或2所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，该涡轮风扇发动机还包括静置风扇导流叶片，位于所述后置于发动机尾部的风扇前面。

6.一种涡轮风扇发动机的设计方法，其特征在于，该方法包括：

进行涡轮风扇发动机气动结构设计的过程中，将风扇后置于发动机的尾部，与低压涡轮组成单元体。

7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，在所述进行涡轮风扇发动机气动设计之后，该方法还包括：

进行涡轮流道和涡轮叶片气动设计；

进行风扇流道和风扇叶片气动设计；

进行风扇与低压涡轮耦合的单元体设计；

进行强度和转子动力学方面的校验和校核，如所述校验和校核结果不符合需求，返回重新开始进行涡轮风扇发动机气动结构设计，如所述校验和校核结果符合需求，结束本流程。

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