CN107524526A - 压气机补气型燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压气机补气型燃气涡轮发动机，包括压气机，压气机的流道中含有叶轮和静子叶片，压气机还包括至少一个补气机构，补气机构包括稳压环腔以及引气管路；稳压环腔设于流道外壁的外侧，且与流道连通；引气管路可启闭地连接于稳压环腔与一压缩空气源之间，以供压缩空气经由引气管路和稳压环腔进入流道。本发明提出压气机补气型燃气涡轮发动机，通过补气机构的设计，利用补气机构的引气管路和稳压环腔将压缩空气补入流道中，实现对燃气涡轮发动机的补充供气，使本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机能够满足例如高原环境等环境的工作需求。

Description

压气机补气型燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体而言，涉及一种压气机补气型燃气涡轮发动机。

背景技术

燃气涡轮发动机在飞机和直升机上被广泛采用。现有燃气涡轮发动机的压气机只从进口处进气，如此一来，当进口条件一定时，其工作能力主要取决于燃气发生器转速、燃烧室出口温度等工作参数。

采用上述现有结构的燃气涡轮发动机的飞机或直升机存在高原条件下起飞困难的技术问题。飞机或直升机在起飞时对燃气涡轮发动机的工作能力要求最高，飞机或直升机允许的起飞重量取决于燃气涡轮发动机的工作能力。由于低海拔平原地区是人类活动的主要地区，出于对燃气涡轮发动机采购成本和使用中燃油经济性的考虑，飞机和直升机主要按低海拔平原条件下的起飞要求配装燃气涡轮发动机。因此，在高原条件下，由于大气密度减小，压气机进口处的空气密度减小，燃气涡轮发动机的进气流量也减小，工作能力降低，使飞机和直升机起飞困难。

针对上述问题，飞机和直升机在高原条件下使用时，不得不增加燃气涡轮发动机工作的严酷程度，即提高燃气发生器转速、燃烧室出口温度等工作参数，或降低飞机、直升机的起飞重量。前者增加了发动机的寿命消耗，后者降低了飞机、直升机的使用效益。也有一些涡扇发动机在高原条件下起飞时采用喷水的方式增加推力，以维持相应飞机基本的起飞重量，但采用该方案除了需要增加相应的喷水结构外，水箱及水的重量较大而大幅减少了飞机或直升机的有效载荷。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种满足高原环境需求的压气机补气型燃气涡轮发动机。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种压气机补气型燃气涡轮发动机，包括压气机，所述压气机的流道中含有叶轮和静子叶片，其中，所述压气机还包括至少一个补气机构，所述补气机构包括稳压环腔以及引气管路；所述稳压环腔设于所述流道外壁的外侧，且与所述流道连通；所述引气管路可启闭地连接于所述稳压环腔与一压缩空气源之间，以供压缩空气经由所述引气管路和所述稳压环腔进入所述流道。

根据本发明的其中一个实施方式，所述稳压环腔环绕设于所述流道外壁的外侧，且与发动机轴垂直。

根据本发明的其中一个实施方式，所述稳压环腔位于两个相邻所述叶轮之间的位置。

根据本发明的其中一个实施方式，所述流道外壁的对应于所述稳压环腔的位置上开设有多个通孔，以连通所述稳压环腔与所述流道。

根据本发明的其中一个实施方式，所述流道的外壁开设有多个所述通孔时，多个所述通孔在所述流道外壁的一周内间隔均匀分布。

根据本发明的其中一个实施方式，所述流道外壁的对应于所述稳压环腔的位置上开设有环缝，以连通所述稳压环腔与所述流道。

根据本发明的其中一个实施方式，所述引气管路上设有引气阀，以控制所述引气管路的启闭。

根据本发明的其中一个实施方式，所述引气阀为电驱动阀门或流体驱动阀门。

根据本发明的其中一个实施方式，所述压气机还包括三通阀和放气管路，所述三通阀同时与所述引气管路、所述放气管路及所述稳压环腔连接；所述压气机需补气时，所述三通阀断开所述放气管路，并使所述引气管路连通于所述稳压环腔；所述压气机需放气时，所述三通阀断开所述引气管路，并使所述放气管路连通于所述稳压环腔。

根据本发明的其中一个实施方式，所述压气机补气型燃气涡轮发动机包括多个所述补气机构，多个所述补气机构在所述压气机的进口与出口之间间隔分布。

由上述技术方案可知，本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机的优点和积极效果在于：

本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机，通过补气机构的设计，利用补气机构的引气管路和稳压环腔将压缩空气补入流道中，实现对压气机补气型燃气涡轮发动机的补充供气，使本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机能够满足例如高原环境等环境的工作需求。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的压气机补气型燃气涡轮发动机的局部示意图；

图2是根据另一示例性实施方式示出的压气机补气型燃气涡轮发动机的局部示意图。

其中，附图标记说明如下：

110.发动机轴；

120.流道；

121.外壁；

1211.通孔；

130.叶轮；

141.稳压环腔；

142.引气管路；

143.引气阀；

210.发动机轴；

220.流道；

221.外壁；

2211.通孔；

230.叶轮；

241.稳压环腔；

242.引气管路；

243.三通阀；

244.放气管路。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“外周”、“一端”、“另一端”、“之间”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

实施方式一

参阅图1，图1中示出了能够体现本发明的原理的压气机补气型燃气涡轮发动机的一实施方式的局部示意图，为了便于图示，附图中省略了部分结构，例如压气机的静子叶片等。本领域技术人员容易理解的是，为将该压气机补气型燃气涡轮发动机的补气机构的设计应用于其他的燃气涡轮发动机，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机包括压气机和补气机构。其中，压气机具有流道120、多个叶轮130和静子叶片(未图示)。每个补气机构大致包括稳压环腔141、引气管路142和引气阀143。以下结合附图，对本发明提出的压气机的各主要组成部分的结构、连接关系或功能原理进行详细说明。

如图1所示，在本实施方式中，多个叶轮130设置在流道120中，且这些叶轮130在轴向方向(即发动机轴110的方向)上间隔设置。此外，压气机还包括设置在相邻两叶轮130之间的静子叶片。另外，为了更好地示出补气机构与流道120的连接关系，图1中将静子叶片及其他相关结构省去，但并不影响本发明在其他实施方式中有设置例如静子叶片的各种组件的可能。

如图1所示，在本实施方式中，稳压环腔141设于流道120的外壁121，且与流道120连通。具体而言，稳压环腔141可环绕设于流道120外壁121的外侧，且与发动机轴110垂直。其中，稳压环腔141的截面形状可大致呈“ㄇ”字型，以与流道120的外壁121共同组成环形的腔体。同时，流道120的外壁121对应于稳压环腔141的位置开设有多个通孔1211，多个通孔1211分别连通于稳压环腔141与流道120之间。

再者，在本发明的其他实施方式中，压气机补气型燃气涡轮发动机并不限于上述设计。

例如，压气机补气型燃气涡轮发动机可以包括多个补气机构，多个补气机构在压气机的进口与出口之间间隔分布。即，多个补气机构的稳压环腔141分别间隔地设置在流道120外壁121轴向的多个圆周位置。

又如，稳压环腔141的截面形状还可选择“∩”型或“⌒”型等。

再如，连通流道120的内部空间与稳压环腔141的结构亦可选择为环缝或其他连通结构。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，稳压环腔141优选为对应地设置在两个相邻叶轮130之间的位置，以进一步提升补气效果。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，多个通孔1211在流道120外壁121的一周内间隔排列，且优选为间隔均匀地分布，以使补充的压缩空气更加均匀的进入流道120。在其他实施方式中，通孔1211的方向不限于沿径向延伸，而是可以在综合考虑掺混效果、引射效果、气动损失后在横截面内和纵剖面内与径向有一定夹角。

如图1所示，在本实施方式中，引气管路142一端连通于稳压环腔141，另一端连通于一压缩空气源，用于提供具有一定压力的压缩空气。当本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机是应用在配装了具有引气功能或可以增加引气功能的辅助动力装置的飞机、直升机上时，可以将辅助动力装置作为压缩空气源的替代设备使用。

如图1所示，在本实施方式中，引气管路142能够供压缩空气源内的压缩空气经由稳压环腔141进入流道120。其中，引气阀143是设置在该引气管路142上，以控制引气管路142的连通与断开。同时，引气阀143可以根据需要打开至合适的开度，控制引气管路142中压缩空气通过的流量，从而调节补气量改变压气机补气型燃气涡轮发动机的工作能力。

进一步地，在本实施方式中，引气阀143可以优选为电驱动阀门或流体驱动阀门，但并不以此为限

进一步地，在本实施方式中及其他实施方式中，设置补气机构后，根据补气时压气机在补气截面前后两部分之间匹配工作的需要，可视情针对补气对静子叶片角度调节规律进行调整，必要时针对补气增设静子叶片角度调节机构，但并不以此为限。

进一步地，在其他实施方式中，可在引气管路142上另外设置节流阀件，以更好地实现压力、流量的调节和控制，但并不以此为限。

实施方式二

参阅图2，图2中示出了能够体现本发明的原理的压气机补气型燃气涡轮发动机的另一实施方式的局部示意图，为了便于图示，附图中省略了部分结构，例如压气机的两级叶轮之间的静子叶片。本领域技术人员容易理解的是，为将该压气机补气型燃气涡轮发动机的补气机构的设计应用于其他的燃气涡轮发动机，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机的原理的范围内。

在本实施方式中，本发明提出的压气机的各主要组成部分的结构、连接关系和功能原理与上述压气机补气型燃气涡轮发动机的第一实施方式大致相同，但区别在于与提高压气机工作稳定性的放气机构一起共同进行了设计：

如图2所示，在本实施方式中，压气机补气型燃气涡轮发动机的补气机构还包括三通阀243以及放气管路244。

具体而言，如图2所示，在本实施方式中，三通阀243与引气管路242、放气管路244及稳压环腔连接。

其中，利用三通阀243、引气管路242和放气管路244的设置，当压气机补气型燃气涡轮发动机需要补气时，三通阀243断开放气管路244，并打开引气管路242，即三通阀243控制引气管路242经由稳压环腔241与流道220连通。据此，压缩空气源通过引气管路242经稳压环腔241与流道220连通，需要时，可利用三通阀243调节引气管路242中的压缩空气流量。

当压气机补气型燃气涡轮发动机需要放气时，三通阀243断开引气管路242，并打开放气管路244，即三通阀243控制放气管路244经由稳压环腔241与流道220连通。据此，压缩空气源的压缩空气与稳压环腔241的通路断开，流道220经由稳压环腔241和放气管路244放气。需要时，可以利用三通阀243调节放气流量。

需说明的是，如图2所示，在本实施方式中，是以三通阀243替代第一实施方式中的引气阀，而将三通阀243作为对引气与放气进行切换和调控的阀件。在其他实施方式中，亦可在设置三通阀的同时，在引气管路、放气管路上再增设另一阀件，对引气管路、放气管路进行单独调控。再者，也可不采用三通阀，而只在补气与放气机构的管路上各自单独设置启闭控制和流量调节用的阀件后连接至稳压环腔，且并不以此为限。

进一步地，在本实施方式中，三通阀243可以优选为电驱动阀门或流体驱动阀门，但并不以此为限。

综上所述，本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机，通过补气机构的设计，利用补气机构的引气管路和稳压环腔将压缩空气补入流道中，实现对压气机补气型燃气涡轮发动机的补充供气，使本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机在不提高工作参数严酷程度的情况下，提高了工作能力，从而使相应的飞机或直升机能在更高的海拔高度保证基本的起飞重量。与采用喷水的方式相比，喷水方式因储备水而增加的重量很可观，而本发明可以利用具有引气功能的压缩空气源提供压缩空气，不需要因储备压缩空气而增加重量。另外，通过补气，在同时提高燃气发生器转速时，还可改善高原条件下压气机前、后级之间的匹配状况，提高压气机的效率。

此外，对于在不同工作状态下压气机各级之间的流量匹配关系发生改变的燃气涡轮发动机，本发明也可用于不需兼顾平原和高原使用而只要求平原使用的燃气涡轮发动机。此时，在进行压气机各级之间的匹配设计时，低状态不放气，大状态则补气。上述设计，可以缩小压气机的尺寸，有利于燃气涡轮发动机达到更高的功重比或推重比。

对于压气机补气型燃气涡轮发动机的多级压气机，其前后各级之间一般按设计点的大状态进行匹配设计，在起动过程中及在低状态工作时，由于离设计点较远，前后各级之间的匹配关系发生变化，甚至可能导致压气机发生喘振，不能稳定工作。在压气机的某一截面设置上述稳压环腔和放气管路等组成的放气机构，是保证压气机在起动过程中及在低状态稳定工作的一种现有技术。

除了如上所述将本发明的补气机构与压气机放气机构一起共同进行设计外，对于压气机设计有飞机、直升机引气机构的燃气涡轮发动机，压气机采用吸附式机构的燃气涡轮发动机，以及压气机进气壁面及导叶设计有防冰机构的燃气涡轮发动机，也可以参照上述设计，视情将引气机构、吸附机构、防冰机构与补气机构一起共同进行设计。

以上详细地描述和/或图示了本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的压气机补气型燃气涡轮发动机进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种压气机补气型燃气涡轮发动机，包括压气机，所述压气机的流道中含有叶轮和静子叶片，其特征在于，所述压气机还包括至少一个补气机构，所述补气机构包括：

稳压环腔，设于所述流道外壁的外侧，且与所述流道连通；以及

引气管路，可启闭地连接于所述稳压环腔与一压缩空气源之间，以供压缩空气经由所述引气管路和所述稳压环腔进入所述流道。

2.根据权利要求1所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述稳压环腔环绕设于所述流道外壁的外侧，且与发动机轴垂直。

3.根据权利要求2所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述稳压环腔位于两个相邻所述叶轮之间的位置。

4.根据权利要求1所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流道外壁的对应于所述稳压环腔的位置上开设有多个通孔，以连通所述稳压环腔与所述流道。

5.根据权利要求4所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流道的外壁开设有多个所述通孔时，多个所述通孔在所述流道外壁的一周内间隔均匀分布。

6.根据权利要求1所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流道外壁的对应于所述稳压环腔的位置上开设有环缝，以连通所述稳压环腔与所述流道。

7.根据权利要求1～6任一项所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述引气管路上设有引气阀，以控制所述引气管路的启闭。

8.根据权利要求7所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述引气阀为电驱动阀门或流体驱动阀门。

9.根据权利要求1～6任一项所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压气机还包括三通阀和放气管路，所述三通阀同时与所述引气管路、所述放气管路及所述稳压环腔连接；所述压气机需补气时，所述三通阀断开所述放气管路，并使所述引气管路连通于所述稳压环腔；所述压气机需放气时，所述三通阀断开所述引气管路，并使所述放气管路连通于所述稳压环腔。

10.根据权利要求1～6任一项所述的压气机补气型燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压气机补气型燃气涡轮发动机包括多个所述补气机构，多个所述补气机构在所述压气机的进口与出口之间间隔分布。