CN107246330A - 涡轮涡扇发动机及航天器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮涡扇发动机及航天器。涡轮涡扇发动机，包括置于主轴外周的内支承结构以及置于内支承结构外周的外支承结构，内支承结构与外支承结构之间构成外涵道气流通道，燃烧室置于外涵道气流通道外侧的外支承结构内，内涵道气流通道从内支承结构进气口进气并沿径向贯穿外涵道气流通道连通至燃烧室内。整个结构简单，在低涡轮前温度的条件下能实现大涵道比，增大发动机推力，降低耗油率。

Description

涡轮涡扇发动机及航天器
技术领域
本发明涉及航空发动机结构技术领域，特别地，涉及一种涡轮涡扇发动机。此外，本发明还涉及一种包括上述涡轮涡扇发动机的航天器。
背景技术
常规涡扇发动机的风扇、高压压气机、燃烧室、高压涡轮以及低压涡轮在同一轴线上，原理结构图如图3所示。高速旋转的风扇将空气压缩到一定压力，经过分流装置，将空气分为两部分，一部分空气进入外涵道，另外一部分空气进入内涵道。进入内涵道的压缩空气被以更高速度旋转的高压压气机将压缩到更高的压力。高压空气进入燃烧室后与燃料快速混合，被点燃后形成高温、高压的燃气。燃气经过高压涡轮导向器加速，驱动高压涡轮的转子快速旋转，高压涡轮通过涡轮轴与高压压气机连接，驱动高压压气机转子以相同的速度旋转，燃气的温度和压力降低。离开高压涡轮的燃气在低压涡轮中继续膨胀做功，在低压涡轮导叶加速后，驱动低压涡轮转子高速旋转，低压涡轮转子通过涡轮轴与风扇相连接，风扇与低压涡轮以相同的速度旋转。低压涡轮后的燃气与外涵的空气混合后继续加速，排除发动机，产生推力。
常规涡扇发动机为增大推力、降低油耗，通过提升发动机热力循环参数来实现，如增大压比、增加涡轮前温度和提高涵道。提高涡轮前温度受材料性能和冷却限制，提高压比将带来轴向长度尺寸增加等，提高涵道比受涡轮前温度、叶尖转速限制等条件的约束。提升常规涡轮风扇发动机的性能变得越来越难。
发明内容
本发明提供了一种涡轮涡扇发动机及航天器，以解决现有常规涡扇发动机为实现推力大和低耗油率的目的，导致高压比的压缩系统结构复杂，长度和重量方面均存在劣势的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮涡扇发动机，包括置于主轴外周的内支承结构以及置于内支承结构外周的外支承结构，内支承结构与外支承结构之间构成外涵道气流通道，燃烧室置于外涵道气流通道外侧的外支承结构内，内涵道气流通道从内支承结构进气口进气并沿径向贯穿外涵道气流通道连通至燃烧室内。
进一步地，内支承结构包括外支承机匣以及内支承机匣，外支承机匣与内支承机匣之间设有处于内支承结构进气端的压气机以及处于内支承结构尾端的变速器。
进一步地，外支承结构包括外短舱以及多个固定于外短舱上并沿主轴周向均匀分布的进气导向叶片，燃烧室置于外短舱内，压气机出口通过进气导向叶片的内腔通道连通至燃烧室内。
进一步地，外短舱、外支承机匣和内支承机匣围合的空间内还设有风扇转子，风扇转子处于压气机与变速器之间，风扇转子通过变速器联接压气机的转子。
进一步地，风扇转子的风扇叶片叶尖部位设有涡轮叶片，涡轮叶片置于燃烧室后并用于将燃烧室输出的燃气进行导向、加压和加速后输出。
进一步地，涡轮叶片与风扇转子的风扇叶片采用一体制作成型的整体结构；或者涡轮叶片与风扇转子分别制作，涡轮叶片固接于风扇转子的风扇叶片叶尖。
进一步地，涡轮叶片与风扇转子的风扇叶片一一对应布设并构成涡轮机构；压气机、进气导向叶片、燃烧室、涡轮机构以及外短舱的尾端通道构成内涵道气流通道，相邻进气导向叶片之间的间隔通道、风扇转子所在空间以及内支承结构与外支承结构之间的尾端通道构成外涵道气流通道。
进一步地，涡轮机构还包括处于涡轮叶片外的涡轮机匣以及处于涡轮叶片后端的导向器。
进一步地，内支承结构和外支承结构同时与主轴中心线同轴安装。
根据本发明的另一方面，还提供了一种航天器，其包括上述涡轮涡扇发动机。
本发明具有以下有益效果：
本发明涡轮涡扇发动机，将燃烧室置于发动机外侧，内涵道气流通道从内支承结构进气口进气并沿径向贯穿外涵道气流通道连通至燃烧室内，形成Z字形的内涵道气流通道，以此缩减发动机的轴向长度，增加涵道比，从而达到增加发动机推力和降低耗油率的目的。整个结构简单，在低涡轮前温度的条件下能实现大涵道比，增大发动机推力，降低耗油率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例的涡轮涡扇发动机的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的涡轮涡扇发动机的涵道气流工作原理图；
图3是现有常规涡扇发动机的结构示意图。
图例说明：
1、内支承结构；101、外支承机匣；102、内支承机匣；2、外支承结构；201、外短舱；202、进气导向叶片；3、燃烧室；4、外涵道气流通道；5、内涵道气流通道；6、压气机；7、变速器；8、风扇转子；9、涡轮机构；901、涡轮叶片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的涡轮涡扇发动机的结构示意图；图2是本发明优选实施例的涡轮涡扇发动机的涵道气流工作原理图。
如图1和图2所示，本实施例的涡轮涡扇发动机，包括置于主轴外周的内支承结构1以及置于内支承结构1外周的外支承结构2，内支承结构1与外支承结构2之间构成外涵道气流通道4，燃烧室3置于外涵道气流通道4外侧的外支承结构2内，内涵道气流通道5从内支承结构1进气口进气并沿径向贯穿外涵道气流通道4连通至燃烧室3内。本发明涡轮涡扇发动机，将燃烧室3置于发动机外侧，内涵道气流通道5从内支承结构1进气口进气并沿径向贯穿外涵道气流通道4连通至燃烧室3内，形成Z字形的内涵道气流通道5，以此缩减发动机的轴向长度，增加涵道比，从而达到增加发动机推力和降低耗油率的目的。整个结构简单，在低涡轮前温度的条件下能实现大涵道比，增大发动机推力，降低耗油率。需要大空间的燃烧室3安置在发动机外层，使得发动机整体轴向尺寸大大减小。
如图1和图2所示，本实施例中，内支承结构1包括外支承机匣101以及内支承机匣102。外支承机匣101与内支承机匣102之间设有处于内支承结构1进气端的压气机6以及处于内支承结构1尾端的变速器7。
如图1和图2所示，本实施例中，外支承结构2包括外短舱201以及多个固定于外短舱201上并沿主轴周向均匀分布的进气导向叶片202。燃烧室3置于外短舱201内。压气机6出口通过进气导向叶片202的内腔通道连通至燃烧室3内。
如图1和图2所示，本实施例中，外短舱201、外支承机匣101和内支承机匣102围合的空间内还设有风扇转子8。风扇转子8处于压气机6与变速器7之间。风扇转子8通过变速器7联接压气机6的转子。
如图1和图2所示，本实施例中，风扇转子8的风扇叶片叶尖部位设有涡轮叶片901。涡轮叶片901置于燃烧室3后并用于将燃烧室3输出的燃气进行导向、加压和加速后输出。风扇转子8在结构上成为涡轮叶片901转子的传力结构，类似于传统发动机的涡轮轮盘传递扭矩和转速，通过增速器(变速器7)联接压气机6。增速齿轮箱(变速器7)位于风扇转子8与涡轮叶片901的组合构件后，并与风扇转子8的轴刚性联接，增速后用来驱动压气机旋转。增速齿轮箱(变速器7)的前轴承和后轴承分别安装在内支承机匣102和外支承机匣101之间。可选地，增速齿轮箱(变速器7)可以提供1：(4～8)的传动比，压气机的转速大于风扇转子8的转速，有利于增大压气机6的压缩能力，并且减少压气机6的叶片级数并缩短轴向长度。由于将需要高切向速度的涡轮部件和需要大空间的燃烧室3安置在桨扇外侧，使得发动机整机轴向尺寸大大减小。
如图1和图2所示，本实施例中，涡轮叶片901与风扇转子8的风扇叶片采用一体制作成型的整体结构。可选地，涡轮叶片901与风扇转子8分别制作，涡轮叶片901固接于风扇转子8的风扇叶片叶尖。
如图1和图2所示，本实施例中，涡轮叶片901与风扇转子8的风扇叶片一一对应布设并构成涡轮机构9。压气机6、进气导向叶片202、燃烧室3、涡轮机构9以及外短舱201的尾端通道构成内涵道气流通道5。相邻进气导向叶片202之间的间隔通道、风扇转子8所在空间以及内支承结构1与外支承结构2之间的尾端通道构成外涵道气流通道4。
如图1和图2所示，本实施例中，涡轮机构9还包括处于涡轮叶片901外的涡轮机匣以及处于涡轮叶片901后端的导向器。
如图1和图2所示，本实施例中，内支承结构1和外支承结构2同时与主轴中心线同轴安装。
本实施例的航天器，包括上述涡轮涡扇发动机。
实施时，一种涡轮涡扇发动机，具有新的发动机结构布局形式，燃烧室3置于发动机外侧，一体化的桨扇(风扇转子8)与涡轮(涡轮机构9)置于燃烧室3后，并通过变速器7联接压气机6，以解决发动机轴向长度长的问题，同时降低了桨扇速度，增加涵道比，达到增加发动机推力，降低耗油率的目的。结构简单、轴向尺寸短、推进效率高的燃气涡轮风扇发动机。
本发明涡轮涡扇发动机包括压气机6、超大直径燃烧室(燃烧室3)、一体化的风扇-涡轮、大尺寸喷管排气系统、增速传动系统以及机匣承力系统。
桨间涡扇发动机的结构布局如图1所示，与传统的发动机风扇、压气机、燃烧室、涡轮等各部件沿轴向线性排列布局不同。该发动机的燃烧室3和涡轮机构9布置在风扇转子8外侧，一体化的风扇与涡轮置于燃烧室3后，涡轮叶片901布置在风扇转子叶片叶尖，风扇在结构上成为涡轮转子的传力结构，类似于传统发动机的涡轮轮盘传递扭矩和转速，通过增速器(变速器7)联接压气机6。
此发动机有两个固定部分，第一为外支承结构2，第二为内支承结构1。外支承结构2包括外短舱201，以及固定到其上的进气导向叶片202。内支承结构1包含内支承机匣102以及外支承机匣101，内支承机匣102以及外支承机匣101与发动机中心线同轴安装。
压气机6的转子通过前滚柱轴承组件和后滚珠轴承组件安装在内支承机匣102内。压气机6出口气流经过外支承结构2与内支承结构1之间的多个进气空心导向叶片(进气导向叶片202)进入到外环的燃烧室3。
一体化的风扇-涡轮组件包括风扇转子叶片，涡轮包括涡轮机匣、导向器和涡轮转子叶片。涡轮转子叶片(涡轮叶片901)与风扇叶片刚性连接，位于涡轮转子叶片(涡轮叶片901)的叶尖。
增速齿轮箱(变速器7)位于风扇-涡轮组件后，与风扇轴刚性连接，增速后用来驱动压气机旋转。增速齿轮箱的前轴承和后轴承，安装在内支承机匣102与外支承机匣101之间。齿轮箱组件可以提供1比4～8的传动比，压气机的转速大于桨扇组件的转速，这有利于增大压气机的压缩能力，并且减少压气机的叶片级数并缩短长度。
由于将需要高切向速度的涡轮部件和需要大空间的主燃烧室安置在桨扇外侧，使得发动机整机轴向尺寸大大减少。
整个结构简单，含有内外两个传力机匣、涡轮位于风扇叶尖、燃烧室位于外涵机匣，带增速传动齿轮箱的特殊结构的发动机。本发明发动机与同类型的发动机相比，涡轮与风扇直接相联，缩短轴系长度，简化了结构，在低涡轮前温度的条件下能实现大涵道比，增大发动机推力，降低了耗油率。
本发明的涡轮涡扇发动机工作原理为：空气分成两路即内涵流道和外涵流道入燃气涡轮风扇发动机，在内涵流道中，气流经轴流+离心组合压气机增压后，通过外支承结构2与内支承结构1之间的多个进气空心导向叶片(进气导向叶片202)减速扩压，然后进入到外环的燃烧室燃烧，燃烧后的高温高压燃气流驱动叶尖涡轮旋转，叶尖涡轮的旋转带动风扇的旋转，在叶尖涡轮-风扇后安装有一个齿轮箱组件，齿轮箱组件减速带动压气机转子旋转；第二路气流通过风扇增压后经外涵道进入排气系统，最后两路不同压力和温度的气流在排气管中混合后排向大气，工作原理简图如图2所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种涡轮涡扇发动机，包括置于主轴外周的内支承结构(1)以及置于所述内支承结构(1)外周的外支承结构(2)，
所述内支承结构(1)与所述外支承结构(2)之间构成外涵道气流通道(4)，
其特征在于，
所述燃烧室(3)置于所述外涵道气流通道(4)外侧的所述外支承结构(2)内，
内涵道气流通道(5)从所述内支承结构(1)进气口进气并沿径向贯穿所述外涵道气流通道(4)连通至所述燃烧室(3)内。
2.根据权利要求1所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述内支承结构(1)包括外支承机匣(101)以及内支承机匣(102)，
所述外支承机匣(101)与所述内支承机匣(102)之间设有处于所述内支承结构(1)进气端的压气机(6)以及处于所述内支承结构(1)尾端的变速器(7)。
3.根据权利要求2所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述外支承结构(2)包括外短舱(201)以及多个固定于所述外短舱(201)上并沿主轴周向均匀分布的进气导向叶片(202)，
所述燃烧室(3)置于所述外短舱(201)内，
所述压气机(6)出口通过所述进气导向叶片(202)的内腔通道连通至所述燃烧室(3)内。
4.根据权利要求3所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述外短舱(201)、所述外支承机匣(101)和所述内支承机匣(102)围合的空间内还设有风扇转子(8)，
所述风扇转子(8)处于所述压气机(6)与所述变速器(7)之间，
所述风扇转子(8)通过所述变速器(7)联接所述压气机(6)的转子。
5.根据权利要求4所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述风扇转子(8)的叶片叶尖部位设有涡轮叶片(901)，
所述涡轮叶片(901)置于所述燃烧室(3)后并用于将所述燃烧室(3)输出的燃气进行导向、加压和加速后输出。
6.根据权利要求5所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述涡轮叶片(901)与所述风扇转子(8)的风扇叶片采用一体制作成型的整体结构；或者
所述涡轮叶片(901)与所述风扇转子(8)分别制作，
所述涡轮叶片(901)固接于所述风扇转子(8)的风扇叶片叶尖。
7.根据权利要求6所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述涡轮叶片(901)与所述风扇转子(8)的风扇叶片一一对应布设并构成涡轮机构(9)；
所述压气机(6)、所述进气导向叶片(202)、所述燃烧室(3)、所述涡轮机构(9)以及所述外短舱(201)的尾端通道构成内涵道气流通道(5)，
相邻所述进气导向叶片(202)之间的间隔通道、所述风扇转子(8)所在空间以及所述内支承结构(1)与所述外支承结构(2)之间的尾端通道构成外涵道气流通道(4)。
8.根据权利要求7所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述涡轮机构(9)还包括处于所述涡轮叶片(901)外的涡轮机匣以及处于所述涡轮叶片(901)后端的导向器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮涡扇发动机，其特征在于，
所述内支承结构(1)和所述外支承结构(2)同时与主轴中心线同轴安装。
10.一种航天器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的涡轮涡扇发动机。
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