CN103161608B - 采用轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明是采用轴流斜流串列复合压缩系统的单转子微小型涡扇发动机，其结构是涡扇发动机外涵道气流和内涵道进入燃烧室的气流，都由一轴流斜流串列复合压缩系统供给，该系统采用一个轴流风扇转子和一个斜流压气机转子的组合，为内外涵道都提供增压气流。串列轴流风扇转子对应内涵道的部分，直接与斜流压气机叶轮构成串列叶栅形式；轴流风扇转子对应外涵道部分设置一排静子叶片，气流经整流减速调整到子午面方向后，沿中介机匣外表面流入涡扇发动机外涵道旁路。优点：本发明结构简单紧凑，可实现涡扇发动机需要为内外涵道供给增压气流，能降低发动机耗油率、提高发动机单位迎风面推力，应用于无人机、巡飞弹等载体时可有效提高航程或增加载重。

Description

采用轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机

技术领域

本发明涉及的是一种采用轴流斜流串列复合压缩系统、具有新型结构和相应设计方法的单转子微小型涡扇发动机。可用于推力数百DaN以下的微小型涡轮风扇发动机。具体涉及了涡扇发动机的压缩系统设计，其采用串列布置的轴流风扇转子叶轮与斜流压气机转子叶轮作为一个复合型压缩系统转子，两者之间没有静子叶轮。此复合型压缩系统转子可以有效提高内涵道压比，并为外涵道提供增压空气流。此微小型涡扇发动机与微小型涡喷发动机相比，在结构仅需少量修改的条件下，推力显著增加，耗油率明显下降；从而能使应用载体（如无人机和巡航导弹）航程或载重显著增加。属于微小型涡轮发动机技术领域。

背景技术

微小型涡轮发动机重量轻、功率大、能量存储密度高、功重比和推重比高等优点，可运用于小型无人机、小型导弹、喷气航模等，应用前景广阔。通常应用微小型涡轮发动机作为推进动力的飞行器还需要发动机简化结构、降低制造难度和生产成本。因此，高推进效能和低成本是微小型涡轮发动机需实现的主要应用要求。然而，由于微小型化带来的相对加工误差大、叶间泄漏损失大、小雷诺数、燃烧效率低等影响，造成现有的微小型涡喷发动机耗油率较高。降低耗油率对微小型涡轮发动机有着重要的意义，对于用于小型无人机而言，意味着可搭载更多的机载设备或更远的航程；对于小型导弹而言，意味着可以提升有效载荷占全弹重量比例，或增大导弹射程。常用的一些降低微小型发动机耗油率的方法一般集中在提高其部件性能上，诸如效率、压比、总压恢复等，但是面临着尺寸微小化后的诸多技术困难，提升空间已经较小。因此，寻找降低微小型发动机耗油率的新思路、新方法变得尤为重要。在原有微小型涡喷发动机的基础上发展成微小型涡扇发动机便是一种有效的技术思路。直接照搬大型涡扇发动机的设计方案和相关技术并不适合微小型涡扇发动机，将使得发动机结构变得十分复杂，不能满足低成本要求。目前国内外关于微小型涡扇的研究多处于探索阶段，综合现有文献，微小型涡扇发动机可能结构形式主要有：（1）前风扇双转子同心轴系方案; （2）后风扇方案; （3）普通单转子涡扇发动机方案；（4）具有高矮叶片单叶轮风扇压气机的微小型涡扇发动机等。

这些结构形式提供了微小型涡扇发动机的可能发展方向，但都存在各自的不足：1）前风扇双转子同心轴系方案是现有大型发动机采用的形式，其微小型化设计在结构设计、安装调试、轴承、润滑和发动机起动等方面都存在着诸多技术困难；2）后风扇方案中，低压涡轮和风扇的整体式结构设计以及冷、热气流的密封问题在微小型发动机尺寸范围内相当困难，此外风扇也起不到提高压缩系统增压比的作用；3）普通单转子涡扇发动机方案可以避免双转子涡扇发动机的同心轴系问题和复杂的流道结构，但在实际应用中，单转子方案也存在着风扇与核心机的不匹配、风扇叶尖马赫数过高以及单级涡轮超负荷运转等难题。4）高矮叶片单叶轮风扇压气机即把风扇和压气机做为一体，结构更为紧凑，摒弃了双轴的复杂性，可行性较强，且将明显降低成本和重量。然而其内涵道本质上就是一个单级离心式压气机，内涵道增压比水平被限制在单级离心式压气机能达到的范围内；其外涵道气流需经过较大程度的折转，会产生较大总压损失；此外，其向前延长的轴流压缩段需要加长轮盘的轴向长度，带来轮盘重量增加较多。

发明内容

本发明提出的是一种采用轴流斜流串列复合压缩系统的微小型涡扇发动机，其目标是让微小型涡轮发动机获得更高的推力和更低的耗油率，以使运用微小型涡轮发动机作为动力的无人机或巡飞弹获得更远的航程或更大的载重。

本发明的技术解决方案：其特征是采用轴流斜流串列复合压缩系统，兼具风扇转子功能和核心机压气机转子功能，该压缩系统结构简单却可同时供给涡扇发动机外涵道气流和内涵道进入燃烧室的气流。所述的轴流斜流串列复合压缩系统采用了一个轴流风扇转子和一个斜流压气机转子的组合。串列轴流风扇的半径较小部分对应内涵道，其下游不设置风扇静子叶片，直接与斜流压气机导风轮构成串列叶栅形式；串列轴流风扇的半径较大部分对应外涵道，设置一排静子叶片，气流经整流减速调整到子午面方向后，沿中介机匣外表面流入涡扇发动机外涵道旁路。轴流斜流串列复合压缩系统系统的内涵道气流进入燃烧室后燃烧注入的燃料加温形成高温燃气，燃气通过轴流涡轮导向器加速喷出，冲击轴流涡轮转子。涡轮后燃气与外涵道的气流在混合段混合向后排出，从而获得喷气推进效果。

本发明的优点：轴流风扇和斜流压气机的串列组合带来两个性能上的好处：A，提高了核心机部分的总增压比，改善了发动机热力循环；B，外涵气流增大了发动机总排气流量，发动机的可用能量分配到更大的排气流量中，排气速度的降低幅度比质量的增加幅度小，则排气总动量加大。这两个好处综合起来，使发动机能获得更大的推力。本发明在不显著增加迎风面积的前提下，将轴流风扇与斜流压气机串列布置成特定形式，使发动机内涵道气流的压缩比显著增大，这是背景技术中提及的微小型涡扇发动机第2类方案不具备的优点。串列轴流风扇与斜流压气机降低了轴向长度、减轻了重量、简化了结构，从而避免了背景技术中第1类微小型涡扇发动机方案的缺点。与第3类微小型涡扇发动机方案相比，轴流风扇与斜流压气机串列布置，去掉了普通单转子涡扇需要的内涵道风扇后静子叶轮，结构更为简化，且运转所需的功率相对较小，易于与单级涡轮输出功率匹配。与第4类微小型涡扇发动机方案相比，轴流风扇与斜流压气机导风轮构成串列叶栅形式，可以通过合理地配置串列方式来有效抑制气流分离，使增压能力和压缩效率都显著提高。此外，在与风扇配合的压气机形式上选择斜流压气机和保型通道式扩压器，在提高内外涵道的流动效率方面有优势，且有助于提高单位迎风面推力；风扇轮盘和压气机轮盘设计为分解开的两个零件，便于端面优化及加工去除多余材料。本发明在涡轮转子后设置了圆台形中心体和后螺帽组合件，其重量较轻，可减小涡轮后气流的总压损失。

综合以上优点，本发明提出的轴流斜流串列复合压缩系统的微小型涡扇发动机，能在保持结构简单、成本可控的条件下，显著降低发动机耗油率、提高发动机单位迎风面推力，应用于无人机、巡飞弹等载体时可以有效提高航程或增加载重。

附图说明

附图1轴流斜流串列复合压缩系统的单转子微小型涡扇发动机示意图。

附图2轴流斜流串列复合压缩系统S2流面示意图。

附图3内涵道的串列轴流风扇与斜流压气机S1流面示意图。

图中1是串列轴流风扇，2是轴流风扇转子轮盘，3是斜流压气机转子，4是斜流压气机轮盘，5是风扇外涵道静子，6是转轴，7是内涵保型通道式扩压器，8是燃烧室，9是火焰筒，10是轴套，11是轴流涡轮导向器，12是轴流涡轮转子，13是外涵道气流通道，14是掺混式喷管，15是前螺帽，16是前衬套，17是前轴承，18是轴流涡轮转子轮盘，19是圆台形中心体后螺帽组合件，20是后衬套，21是后轴承；φ1是风扇进口轮缘直径，φ2是斜流压气机进口轮缘直径，φ3是斜流压气机进口轮毂直径，φ4是斜流压气机出口处机匣外径；L1是轴流风扇转子与斜流压气机转子之间的轴向间隙，θ是斜流压气机出口气流在子午面上与径向夹角，L2是风扇转子与斜流压气机转子的周向间距，L0是斜流压气机进口叶片通道周向宽度；Δβ是风扇出口叶片角与斜流压气机进口叶片角的夹角，β2是斜流压气机出口叶片的方向角；u1是风扇进口叶片转动线速度，C1 是风扇进口气流绝对速度，W1是风扇进口气流相对速度，W12是斜流风扇气机进口气流相对速度，W2是斜流压气机出口气流相对速度。

具体实施方式

所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机的设计方法是：

（1）首先确定总体性能的主要设计参数：内涵道总压比、外涵道总压比和涵道比。然后，根据涡扇发动机总体性能通用设计方法和所需总推力量级，以及各部件性能水平、材料的温度和强度限制等，确定发动机总流量、涡轮前温度、以及各部件大致效率等参数。由压气机涡轮功率平衡和内外涵道掺混总压大约相等的条件可知，三个参量中只有两个参量可独立变化。考虑内涵道流路是在斜流叶轮前串列了一排轴流压气机叶片，因此可以按现有同等量级流量（核心机）的微小型涡喷发动机总压比的1.1～1.5倍作为内涵道总压比；根据涡扇发动机总体性能通用设计方法和所需总推力量级，以及各部件性能水平、材料的温度和强度限制，确定发动机总流量、涡轮前温度、以及各部件大致效率参数。由风扇转子的气动和强度限制可得出发动机的涵道比。根据内涵道总压比和涵道比经过总体性能程序计算，可得外涵道总压比。

（2）根据步骤1确定的外涵道总压比和发动机流量，可以单独根据轴流压气机理论，设计出进口直径φ1的风扇转子叶轮，并由计算流体力学（CFD）或实验测试等方法，进行设计改进和优化。并根据步骤1确定的涵道比，计算风扇出口流量分布，确定风扇转子出口哪些气流进入内涵道部分，即确定斜流压气机进口轮缘直径φ2和斜流压气机进口轮毂直径φ3。

（3）根据步骤1确定的内涵道总压比，并得到步骤2设计的风扇转子在内涵道部分（即直径在φ2和φ3之间）的出口叶片角度，由此设计斜流压气机转子导风轮部分，这里不同于通常的设计方法。由图3可以看出，在一定的转动线速度u1和一定的入口流速C1条件下，导风轮入口气流相对速度W2比风扇入口相对速度W1已经转折至更靠向轴向。而且，由于串列的轴流叶片对斜流入口气流具有引导作用，因此斜流转子的导风轮入口角度可与风扇转子在内涵道部分的出口叶片角度成一定的正夹角Δβ。以上两点意味着导风轮入口气流相对速度，比通常斜流压气机入口气流更靠轴向。这使得斜流压气机转子可以在保持叶片通道流场不恶化的条件下减小轴向长度，也能使得叶片出口的角度β2减小，即更靠近子午面方向（如图3所示），这就弱化了斜流叶片的后弯程度，有利于提高斜流转子的增压能力。这就弱化了斜流叶片的后弯程度，有利于提高斜流转子的做功增压能力。 

（4）根据步骤1确定的内涵道总压比和步骤3设计的斜流压气机转子导风轮部分后，轴流斜流串列复合压缩系统的子午流道设计方法是：其轴流风扇部分可采用等外径或接近等外径子午流道；斜流压气机转子的子午流道在出口处与径向成一定夹角θ，其取值可在10°～40°。与之相配的扩压器采用斜流向入口的保型通道式扩压器，扩压器子午流道末段外径与斜流压气机进口轮缘直径φ2之比可选择得较小，约1.15～1.4。这样气流在斜流转子和扩压器内的子午面上转折角都得以各自减少θ，有利于减小气流损失、提高效率。另一方面，这个方案对于同样直径的压气机转子叶轮来说，斜流压气机出口处机匣外径φ4较小，有利于减少外涵道气流转折程度，可提高外涵道流动效率。

（5）在内涵道流路部分的轴流风扇转子与斜流压气机转子在轴向设置一个间隙L1，该间隙L1取值为直径φ3的0.02～0.05倍；风扇转子叶片在斜流压气机转子叶片偏向周向的背侧L2处，背侧L2取值范围是斜流压气机进口叶片通道周向宽度L0的0.05～0.5倍；取值还需配合叶片雷诺数范围、斜流转子叶片入口角度相对轴流转子叶片出口的转角Δβ优化，以控制叶片通道气流顺畅流动、增大内涵总压比和效率。

（6）本发明的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，按前面所述的技术解决方案，发动机还需要设计：外涵道风扇静子、外涵道旁路通道、燃烧室、涡轮和掺混式喷管等部件，本发明对于这些部件采用同一般微小型涡轮发动机一样的设计方法。

（7）在完成所有气动热力流道设计后，参照一般微小型涡轮发动机进行结构设计，对压缩系统转子的双轮盘、圆台形中心体和后螺帽组合件等部件可依据有限元强度计算分析确定优化的型线。轴流风扇转子轮盘2和斜流压气机轮盘4设计为分解开的两个零件，从而为通过优化设计得到的两轮盘前后端面的加工提供了便利，也有利于去除不必要的材料而减重。

（8）所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机采用单转子结构，即轴流斜流串列复合压缩系统转子一起都和涡轮转子通过单一的转轴连接；转子通过前后各一个轴承支承，前轴承布置在斜流压气机静子轮盘后的转轴与轴套之间，后轴承布置在涡轮导向器静子轮盘前的转轴与轴套之间。

（9）在轴流涡轮转子后设置了圆台形中心体和后螺帽组合件，圆台形中心体由外部大圆台面金属薄壁筒和内部小大圆台面金属薄壁筒焊接而成，圆台形中心体可减小涡轮后气流的总压损失，且其中心焊接的后螺帽能拧紧到转轴上，压紧涡轮轮盘。

轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机的具体实施方式：

对照附图1，本发明提出轴流斜流串列复合压缩系统的单转子微小型涡扇发动机，在图中左侧是发动机进气口。气流进口后经过一个轴流风扇1，风扇是整体轮盘结构，2是风扇轮盘，其轮缘直径与后方直接联接的斜流压气机叶轮3直径相当，以保证两者具有大致相同的转动轮缘线速度，从而使两者在强度许可的条件下都具有较好的压缩气流能力。气流在经轴流风扇增压后，位于半径较小部分的气流进入斜流压气机转子3继续增压。斜流压气机转子也是整体轮盘结构，4是斜流压气机转子轮盘。轴流风扇增压后气流半径较大部分进入外侧旁路，通过外涵道静子叶轮5的导流，大体消除周向速度分量并减小速度、扩大静压。轴流风扇转子轮盘2和斜流压气机转子轮盘4一起安装在发动机单一的转轴6上，由转轴传输过来的驱动力矩带动。从斜流压气机转子流出的气流，经斜流扩压器7减速扩压后，进入燃烧室8，气流分别从内环、外环气路进入火焰筒9后，燃烧注入的燃料加温形成高温燃气；在燃烧室内半径小于火焰筒的内部空间布置的是轴套10。燃烧室火焰筒排出的高温燃气进入轴流涡轮导向器11，经导向器加速喷出的燃气冲击轴流涡轮转子12，涡轮后燃气与外涵道13的气流（从外涵道静子叶轮5流出的冷气流进入外涵道），在混合段14混合向后排出，从而获得喷气推进效果。外涵道气流增加了发动机喷气的总流量，可以在涡扇发动机适用马赫数范围内大幅度增大发动机的推力。轴流风扇转子轮盘2由一个卵圆形前螺帽15压紧，顶紧斜流压气机转子轮盘4，再顶紧到转轴6上套的前衬套16，再顶到前轴承17的内圈。轴流涡轮转子轮盘18由一个圆台形中心体后螺帽组合件19压紧，顶紧后衬套20，再顶到后轴承21的内圈。轴承17和21的内圈都与转轴6中段的台阶轴顶紧，从而使各转子部件轴向定位并紧固。

实施例

针对某现有的微型涡喷发动机，按本发明提出的方法进行改型设计，其原型机流量为0.9kg/s，总压比4.0，涡轮前温度1200K。在3000m高空，0.6飞行马赫数下，通过性能分析得：推力为37 DaN，耗油率为1.590kg/(DaN·h)。经过改型设计后，获得了串列轴流风扇斜流压气机微型涡扇发动机的3个主要设计参数：内涵总压比4.5，外涵道总压比1.6，涵道比1.0。依据总体性能计算分析，在3000m高空，0.6飞行马赫数下，净推力为48 DaN，耗油率为1.378kg/(DaN·h)，净推力比相应涡喷发动机提高29.7%,耗油率降低13.3%,性能得到了较大改善。

Claims (1)

1.轴流斜流串列复合压缩系统的单转子微小型涡扇发动机，其特征是涡扇发动机外涵道气流和内涵道进入燃烧室的气流，都由一轴流斜流串列复合压缩系统供给；所述的轴流斜流串列复合压缩系统采用了一个轴流风扇转子和一个斜流压气机转子的组合；为内、外涵道都提供增压气流；串列轴流风扇的半径较小部分对应内涵道，其下游不设置风扇静子叶片，直接与斜流压气机导风轮构成串列叶栅形式；串列轴流风扇的半径较大部分对应外涵道，设置一排静子叶片，气流经整流减速后流入涡扇发动机外涵道旁路；轴流斜流串列复合压缩系统的内涵道气流进入燃烧室后燃烧注入的燃料加温形成高温燃气，燃气通过轴流涡轮导向器加速喷出，冲击轴流涡轮转子；涡轮后燃气和外涵道旁路气流进入掺混式喷管混合向后排出，从而获得喷气推进效果；内涵道的流路是在斜流叶轮前串列了一排轴流压气机叶片，按现有同等量级流量的微小型斜流叶轮总压比的1.1～1.5倍选作内涵道总压比；并由风扇转子的气动和强度限制能得出发动机的涵道比；然后，根据内涵道总压比和涵道比，由压缩系统和涡轮功率平衡和内外涵道掺混的总压条件，得外涵道总压比；根据涡扇发动机总体性能通用设计方法和所需总推力量级，以及各部件性能水平、材料的温度和强度限制，确定发动机总流量、涡轮前温度、以及各部件大致效率参数。

2. 根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，其特征是轴流斜流串列复合压缩系统的主要尺寸和串列方式的设计方法是：在按外涵道总压比和发动机流量设计出进口直径（φ1）的风扇转子叶轮后，根据涵道比和风扇出口流量分布，确定风扇转子出口气流进入内涵道部分，即确定斜流压气机进口轮缘直径（φ2）及其进口轮毂直径直径（φ3）；在内涵道流路部分，轴流风扇转子与斜流压气机转子在轴向设置一个间隙（L1），该间隙（L1）取值为进口轮毂直径（φ3）的0.02～0.05倍；风扇转子叶片在斜流压气机转子叶片偏向周向的背侧（L2）处，背侧（L2）取值范围是斜流压气机进口叶片通道周向宽度（L0）的0.05～0.5倍；取值还需配合叶片雷诺数范围、斜流转子叶片入口角度相对轴流转子叶片出口的转角Δβ优化，以控制叶片通道气流顺畅流动、增大内涵总压比和效率。

3. 根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，其特征是轴流斜流串列复合压缩系统的子午流道设计方法是：其轴流风扇部分采用等外径或接近等外径子午流道；其内涵道压缩采用斜流压气机方式，转子的子午流道在出口处与径向成夹角θ，该夹角θ取值在10°～40°；在斜流压气机转子下游，采用斜流向入口的保型通道式扩压器，扩压器子午流道末段外径与斜流压气机进口轮缘直径（φ2）之比选择1.15～1.4；使得内外涵道的气流在子午面上需要弯折的角度小，能提升这些部件的流动效率。

4. 根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，其特征是轴流斜流串列复合压缩系统的斜流压气机转子设计方法是：按权利要求得到的风扇转子在内涵道部分即在斜流压气机进口轮缘直径（φ2）和斜流压气机进口轮毂直径（φ3）之间的出口叶片角度；由于串列的轴流叶片对斜流入口气流具有引导作用，因此斜流转子的导风轮入口角度能与风扇转子在内涵道部分的出口叶片角度成一正夹角Δβ；因为导风轮入口气流相对速度比通常斜流压气机入口气流更靠轴向，这使得斜流压气机转子在保持叶片通道流场不恶化的条件下减小轴向长度，也能使得叶片出口的角度β2减小，即更靠近子午面方向，这就弱化了斜流叶片的后弯程度，有利于提高斜流转子的增压能力。

5. 根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，其特征是轴流风扇转子、斜流压气机转子都安装在同一根转轴上；轴流风扇转子轮盘和斜流压气机轮盘设计为分解开的两个零件，从而为通过优化设计得到的两轮盘前后端面的加工提供了便利，也有利于去除不必要的材料而减重。

6.根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机，其特征是在轴流涡轮转子后设置了圆台形中心体和后螺帽组合件，圆台形中心体由外部大圆台面金属薄壁筒和内部小大圆台面金属薄壁筒焊接而成，圆台形中心体可减小涡轮后气流的总压损失，且其中心焊接的后螺帽能拧紧到转轴上，压紧涡轮轮盘。

7.根据权利要求1所述的轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机的实施方法，其特征是该方法包括如下步骤：在发动机进口后气流经过一个串列轴流风扇，轴流风扇转子轮盘的轮缘直径与后方直接联接的斜流压气机转子直径相当，气流在经轴流风扇增压后，位于半径小部分的气流进入斜流压气机转子继续增压；斜流压气机转子轮盘是轴流风扇增压后气流半径大部分进入外侧旁路，通过风扇外涵道静子的导流，消除周向速度分量并减小速度、扩大静压；轴流风扇转子轮盘和斜流压气机转子轮盘一起安装在发动机单一的转轴上，由转轴传输过来的驱动力矩带动；从斜流压气机转子流出的气流，经内涵保型通道式扩压器减速扩压后，进入燃烧室，气流分别从内环、外环气路进入火焰筒后，燃烧注入的燃料加温形成高温燃气；在燃烧室内半径小于火焰筒的内部空间布置的是轴套；燃烧室火焰筒排出的高温燃气进入轴流涡轮导向器，经轴流涡轮导向器加速喷出的燃气冲击轴流涡轮转子，涡轮后燃气与外涵气流通道的气流，从风扇外涵道静子流出的冷气流进入外涵道，在掺混式喷管混合向后排出，从而获得喷气推进效果；外涵道气流增加了发动机喷气的总流量，能在涡扇发动机适用马赫数范围内大幅度增大发动机的推力；轴流风扇转子轮盘由一个卵圆形前螺帽压紧，顶紧斜流压气机转子轮盘，再顶紧到转轴上套的前衬套，再顶到前轴承的内圈；轴流涡轮转子轮盘由一个圆台形中心体后螺帽组合件压紧，顶紧后衬套，再顶到后轴承的内圈；前轴承和后轴承的内圈都与转轴中段的台阶轴顶紧，从而使各转子部件轴向定位并紧固。