CN105508081A - 共轴涡轴发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴涡轴发动机，通过将压气机的排气口和压气机的进气口偏转预设角度使压气机形成卧置的“U”形气流通道，同时将燃烧室的排气口和燃烧室的进气口偏转预设角度，使燃烧室形成卧置的“U”形气流通道，燃烧室的进气口和压气机的排气口连通形成“S”形的气流通道。从而整体改变了发动机转子结构的布局方式以及进气和排气的布局结构。解决了现有的涡轴发动机采用轴系联接的串联布局方式导致发动机整体长度和重量较大的技术问题，达到了发动机整体长度短、质量轻、支撑结构简单和空间利用率高的技术效果。

Description

共轴涡轴发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体而言，涉及一种共轴涡轴发动机。

背景技术

涡轴发动机作为航空发动机的一种主要形式，已经广泛使用在直升机等动力领域。传统的涡轴发动机中，压气机、涡轮等旋转部件一般使用转子结构和轴系联接的串联布局方式，而这种串联布局方式显著增加了发动机的长度和重量，不仅如此，轴系连接的方式还导致发动机的支撑系统特别复杂，不仅工作在接近最大温度的状态下，还承受了极端的轴向力，工作条件极其恶劣。同时，轴系连接对轴的结构强度、加工工艺以及安装精度也提出了很高的要求。更重要的是，传统涡轴发动机的串联布局结构形式导致内部空间利用率相对较低。

针对现有的涡轴发动机采用轴系联接的串联布局方式导致发动机整体长度和重量较大的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种共轴涡轴发动机，以至少解决现有的涡轴发动机采用轴系联接的串联布局方式导致发动机整体长度和重量较大的技术问题。

根据本发明实施例，提供了一种共轴涡轴发动机，包括：压气机，压气机的排气口和压气机的进气口偏转预设角度使压气机形成卧置的“U”形气流通道；燃烧室，燃烧室的排气口和燃烧室的进气口偏转预设角度，使燃烧室形成卧置的“U”形气流通道，其中，燃烧室的进气口和压气机的排气口连通，从而使压气机与燃烧室形成“S”形的气流通道。

进一步地，压气机包括：轴流压缩级，设置在压气机的前端进气口处，用于将外部空气吸入并进行压缩，轴流压缩级的排气口的截面积小于轴流压缩级的进气口的截面积；离心压缩级，设置在轴流压缩级的后端并与轴流压缩级连通，用于将经过轴流压缩级压缩后的气流进一步压缩，离心压缩级的排气口的截面积小于离心压缩级的进气口的截面积；导流扩压器，与离心压缩级连通，导流扩压器的排气口的截面积大于导流扩压器的进气口的截面积，用于将离心压缩级压缩后的气流进行扩压；逆流压缩级，分别与导流扩压器和燃烧室连通，用于将经过导流扩压器扩压后的气流再次进行压缩后送入燃烧室中，逆流压缩级的排气口的截面积小于逆流压缩级的进气口的截面积。

进一步地，共轴涡轴发动机还包括：低压转子，通过第一轴承可转动地套设在发动机的主轴上，低压转子的后端设置有低压涡轮，沿低压涡轮的圆周方向设置有低压涡轮叶片，低压涡轮叶片位于燃烧室的排气口的后端，其中，低压转子的前端具有沿轴向设置的环形腔室，轴流压缩级和离心压缩级设置在环形腔室中随低压转子转动。

进一步地，离心压缩级的排气口与离心压缩级的进气口偏转90°将来自轴流压缩级的轴向气流偏转成径向气流。

进一步地，导流扩压器的排气口与导流扩压器的进气口偏转90°将来自离心压缩级的径向气流再次偏转成沿轴向并与离心压缩级进气气流方向相反的轴向气流。

进一步地，共轴涡轴发动机还包括：叶尖高压转子，通过第二轴承可转动地套设在低压转子上，叶尖高压转子的外侧设置有高压涡轮，沿高压涡轮的圆周方向设置有高压涡轮叶片，高压涡轮叶片位于燃烧室的后端与低压涡轮叶片之间。

进一步地，逆流压缩级设置在叶尖高压转子的内侧并随叶尖高压转子转动，其中，逆流压缩级包括随叶尖高压转子转动的逆流压缩叶片。

进一步地，高压涡轮叶片和低压涡轮叶片之间具有引流通道，其中，引流通道位于导流扩压器的外侧并与导流扩压器整体连接在发动机的机匣内壁上。

进一步地，共轴涡轴发动机还包括：自由涡轮，通过第三轴承可转动地套设在发动机的主轴上，沿自由涡轮的圆周方向设置有自由涡轮叶片，其中，自由涡轮叶片位于低压涡轮叶片后端。

进一步地，燃烧室的排气口与燃烧室的进气口偏转180°。

应用本发明技术方案的共轴涡轴发动机，通过将压气机的排气口和压气机的进气口偏转预设角度使压气机形成卧置的“U”形气流通道，同时将燃烧室的排气口和燃烧室的进气口偏转预设角度，使燃烧室形成卧置的“U”形气流通道，燃烧室的进气口和压气机的排气口连通形成“S”形的气流通道。从而整体改变了发动机转子结构的布局方式以及进气和排气的布局结构。解决了现有的涡轴发动机采用轴系联接的串联布局方式导致发动机整体长度和重量较大的技术问题，达到了发动机整体长度短、质量轻、支撑结构简单和空间利用率高的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例可选的一种共轴涡轴发动机的剖面结构示意图；

图2是根据本发明实施例可选的一种共轴涡轴发动机的燃烧室的剖面结构示意图；

图3是根据本发明实施例可选的一种共轴涡轴发动机的叶尖高压转子的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种共轴涡轴发动机，如图1所示，包括：压气机1和燃烧室2，压气机1的排气口和压气机1的进气口偏转预设角度使压气机1形成卧置的“U”形气流通道；燃烧室2的排气口和燃烧室2的进气口偏转预设角度，使燃烧室形成卧置的“U”形气流通道，其中，燃烧室2的进气口和压气机1的排气口连通，从而使压气机1与燃烧室2形成“S”形的气流通道。

应用本发明技术方案的共轴涡轴发动机，通过将压气机1的排气口和压气机1的进气口偏转预设角度使压气机形成卧置的“U”形气流通道，同时将燃烧室2的排气口和燃烧室2的进气口偏转预设角度使燃烧室2形成卧置的“U”形气流通道，燃烧室2的进气口和压气机1的排气口连通形成“S”形的气流通道。从而整体改变了发动机转子结构的布局方式以及进气和排气的布局结构。解决了现有的涡轴发动机采用轴系联接的串联布局方式导致发动机整体长度和重量较大的技术问题，达到了发动机整体长度短、质量轻、支撑结构简单和空间利用率高的技术效果。

具体实施时，压气机1包括：轴流压缩级11、离心压缩级12、导流扩压器13和逆流压缩级14，轴流压缩级11设置在压气机1的前端进气口处，轴流压缩级11的级数可根据需要进行设置，可选地，轴流压缩级11包括三级，用于将外部空气吸入并进行压缩；离心压缩级12设置在轴流压缩级11的后端并与轴流压缩级11连通，用于将经过轴流压缩级11压缩后的气流进一步压缩，离心压缩级12的排气口的截面积小于进气口的截面积，离心压缩级12的进气口沿低压转子3的轴向设置，离心压缩级12的排气口沿低压转子3的径向设置，从而使离心压缩级12的排气口与进气口偏转90°将来自轴流压缩级11的轴向气流偏转成径向气流；导流扩压器13与离心压缩级12连通，导流扩压器13的排气口的截面积大于导流扩压器13的进气口的截面积，用于将离心压缩级12压缩后的气流进行扩压，导流扩压器13的进气口沿低压转子3的径向设置，导流扩压器13的排气口沿低压转子3的轴向设置，从而使导流扩压器13的排气口与进气口偏转90°将来自离心压缩级12的径向气流再次偏转成沿轴向并与离心压缩级12进气气流方向相反的轴向气流；逆流压缩级14分别与导流扩压器13和燃烧室2连通，用于将经过导流扩压器13扩压后的气流再次进行压缩后送入燃烧室2中，逆流压缩级14的排气口的截面积小于逆流压缩级14的进气口的截面积。

本发明的共轴涡轴发动机的低压转子3通过第一轴承4套设在发动机的主轴上，低压转子3的后端设置有低压涡轮31，沿低压涡轮31的圆周方向设置有低压涡轮叶片32，低压涡轮31的直径大于低压转子3前端的直径，从而使低压转子3呈台阶轮，燃烧室2位于低压转子3的前端外侧，并包裹住低压转子3前端的一部分，如图2所示，燃烧室2的排气口与进气口偏转180°呈卧置的“U”形，将燃烧后的高压高速气流沿与压气机1进气方向相同的方向向后部喷出，低压涡轮叶片32位于燃烧室2的排气口的后部，在燃烧室2高压气流的推动下高速旋转从而驱动低压转子3高速旋转。低压转子3的前端具有沿轴向设置的环形腔室，压气机1的轴流压缩级11和离心压缩级12设置在该环形腔室中随低压转子3一起转动从而对吸入环形腔室中的空气进行压缩。

燃烧室2的后部还设置有叶尖高压转子5，叶尖高压转子5通过第二轴承6可转动地套设在低压转子3上，第二轴承6可以采用磁性轴承或混合轴承，叶尖高压转子5也包裹住低压转子3前端的其中一部分。如图3所示，叶尖高压转子5的外侧设置有高压涡轮51，沿高压涡轮51的圆周方向设置有高压涡轮叶片52，高压涡轮叶片52位于燃烧室2的排气口的后端与低压涡轮叶片32之间，燃烧室2排气口的高压气流首先通过高压涡轮叶片52推动叶尖高压转子5高速旋转，逆流压缩级14设置于叶尖高压转子5的内侧，逆流压缩级14与高压涡轮51沿径向连接形成共轴单元，逆流压缩级14位于叶尖高压转子的内侧，逆流压缩级14内部设置有随叶尖高压转子5转动的逆流压缩叶片141，逆流压缩叶片141在叶尖高压转子5的驱动下高速转动从而将将经过导流扩压器13扩压后的气流进行压缩后送入燃烧室2。

高压涡轮叶片52和低压涡轮叶片32之间还具有引流通道7，该引流通道7位于导流扩压器13的外侧并与导流扩压器13沿径向连接并整体固定在发动机的机匣内壁上。

低压转子3的后部设置有自由涡轮8，自由涡轮8通过第三轴承9可转动地套设在发动机的主轴上与低压转子3共轴，沿自由涡轮8的圆周方向设置有自由涡轮叶片81，自由涡轮叶片81位于低压涡轮叶片32的后端，燃烧室2喷出的高压高速气流通过自由涡轮叶片81推动自由涡轮8高速旋转从而输出轴功率。

本发明实施例的共轴涡轴发动机工作时，一定量的空气通过压气机1的轴流压缩级11、离心压缩级12、导流扩压器13和逆流压缩级14后再经过U形的燃烧室2加热膨胀带动叶尖高压转子5、低压转子3和自由涡轮8工作，由自由涡轮8输出所需的轴功率。本发明实施例的共轴涡轴发动机的逆流压缩级14和叶尖高压转子5组成了独立转子结构形式的共轴单元，压气机1在内圈，叶尖高压转子5、低压涡轮31和自由涡轮8均设置在外圈，直接消去了轴系结构，不仅减轻了相应的长度和重量，而且对内圈压气机1的结构强度要求会更低，同时，叶尖高压转子5独立转子的支撑系统位于逆流压缩级14底部和轴流压缩级11机匣外部之间，工作条件相对良好。其次，轴流压缩级11和离心压缩级12的组合并与低压涡轮31直接相连，充分利用了组合压气机在涡轴发动机上的优势，并缩短了涡轴发动机整体的长度。最后，使用了导流扩压器3和U形结构的燃烧室2等，使得气流流路呈现为S形，充分利用S形布局提高空间利用率的优势，使得整体的空间布局更加紧凑。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种共轴涡轴发动机，其特征在于，包括：

压气机，所述压气机的排气口和所述压气机的进气口偏转预设角度使所述压气机形成卧置的“U”形气流通道；

燃烧室，所述燃烧室的排气口和所述燃烧室的进气口偏转预设角度，使所述燃烧室形成卧置的“U”形气流通道，其中，所述燃烧室的进气口和所述压气机的排气口连通，从而使所述压气机与所述燃烧室形成“S”形的气流通道。

2.根据权利要求1所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述压气机包括：

轴流压缩级，设置在所述压气机的前端进气口处，用于将外部空气吸入并进行压缩，所述轴流压缩级的排气口的截面积小于所述轴流压缩级的进气口的截面积；

离心压缩级，设置在所述轴流压缩级的后端并与所述轴流压缩级连通，用于将经过所述轴流压缩级压缩后的气流进一步压缩，所述离心压缩级的排气口的截面积小于所述离心压缩级的进气口的截面积；

导流扩压器，与所述离心压缩级连通，所述导流扩压器的排气口的截面积大于所述导流扩压器的进气口的截面积，用于将所述离心压缩级压缩后的气流进行扩压；

逆流压缩级，分别与所述导流扩压器和所述燃烧室连通，用于将经过所述导流扩压器扩压后的气流再次进行压缩后送入所述燃烧室中，所述逆流压缩级的排气口的截面积小于所述逆流压缩级的进气口的截面积。

3.根据权利要求2所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述共轴涡轴发动机还包括：

低压转子，通过第一轴承可转动地套设在发动机的主轴上，所述低压转子的后端设置有低压涡轮，沿所述低压涡轮的圆周方向设置有低压涡轮叶片，所述低压涡轮叶片位于所述燃烧室的排气口的后端，其中，所述低压转子的前端具有沿轴向设置的环形腔室，所述轴流压缩级和所述离心压缩级设置在所述环形腔室中随所述低压转子转动。

4.根据权利要求2或3所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述离心压缩级的排气口与所述离心压缩级的进气口偏转90°将来自轴流压缩级的轴向气流偏转成径向气流。

5.根据权利要求4所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述导流扩压器的排气口与所述导流扩压器的进气口偏转90°将来自所述离心压缩级的径向气流再次偏转成沿轴向并与所述离心压缩级进气气流方向相反的轴向气流。

6.根据权利要求3所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述共轴涡轴发动机还包括：

叶尖高压转子，通过第二轴承可转动地套设在所述低压转子上，所述叶尖高压转子的外侧设置有高压涡轮，沿所述高压涡轮的圆周方向设置有高压涡轮叶片，所述高压涡轮叶片位于所述燃烧室的后端与所述低压涡轮叶片之间。

7.根据权利要求6所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述逆流压缩级设置在所述叶尖高压转子的内侧并随所述叶尖高压转子转动，其中，所述逆流压缩级包括随所述叶尖高压转子转动的逆流压缩叶片。

8.根据权利要求6或7所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述高压涡轮叶片和所述低压涡轮叶片之间具有引流通道，其中，所述引流通道位于所述导流扩压器的外侧并与所述导流扩压器整体连接在发动机的机匣内壁上。

9.根据权利要求3所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述共轴涡轴发动机还包括：

自由涡轮，通过第三轴承可转动地套设在所述发动机的主轴上，沿所述自由涡轮的圆周方向设置有自由涡轮叶片，其中，所述自由涡轮叶片位于所述低压涡轮叶片后端。

10.根据权利要求1所述的共轴涡轴发动机，其特征在于，所述燃烧室的排气口与所述燃烧室的进气口偏转180°。