CN108005812A - 采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种采用自适应机匣和自适应风扇的发动机，包括自适应机匣、自适应风扇和燃气发生器；所述自适应机匣包括自适应机匣驱动执行部以及依次连接的进口段自适应机匣、风扇段自适应机匣、发动机中段自适应机匣、出口段自适应机匣；所述自适应风扇包括自适应风扇叶片和风扇驱动执行部；所述发动机中段自适应机匣和燃气发生器的内涵道机匣之间形成自适应外涵道；所述内涵道机匣内形成内涵道；所述自适应机匣驱动执行部通过驱动所述自适应机匣移动来控制所述外涵道的截面面积的大小；所述风扇驱动执行部通过驱动所述自适应风扇叶片沿径向移动使得所述自适应风扇叶片与所述风扇段自适应机匣相匹配。

Description

采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机

技术领域

本公开涉及一种发动机，尤其涉及一种采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机。

背景技术

随着飞行器飞行包线的扩展和任务复杂性的提高，航空发动机需在全飞行包线内兼顾高空高速大推力和低空低速低耗油。众所周知，涡喷发动机在高速时具有较大的单位推力，而涡扇发动机在低速飞行时具有较优的经济性能；因此，将涡喷和涡扇发动机相结合的变循环发动机概念应运而生。

专利US3938328是由Boeing公司于1973年提出的一种多循环发动机方案。该方案在涡扇发动机基础上，在第一级风扇后端增加了一个外环通道，并分别在风扇和低压涡轮处设置了调换内外环气流的调节机构，以改变进入核心机的气流状态，满足不同飞行任务的最佳推力和油耗需求，但该调节机构内部结构较复杂，在工作过程中会增加气体流动损失，且不能实现涵道比连续变化。

专利US4068471是由GE公司于1975年提出的一种变循环发动机方案。该方案基于涡扇发动机，将风扇分为前后两段，前段风扇由低压涡轮驱动，后段风扇和压气机由高压涡轮驱动(即CDFS结构形式)，并在CDFS与高压压气机之间设置了由内涵到外涵的通道和转动阀门，由此在工作过程中改变发动机涵道比，实现变循环。然而，该方案采用调节阀门堵塞前段风扇后气流走向的方式，一是增加气体流动损失，二是涵道比变化范围十分有限，三是涵道比调节过程中具有强烈的气动不稳定性。

专利US4043121中，Thomas首次提出了FLADE结构方案。该方案在传统涡扇发动机的风扇叶尖增加了FLADE叶片和FLADE通道，以增加涵道比变化范围，并且一定程度上有利于避免溢流阻力的产生；同时，采用可调静子叶片和可调尾喷管，从而实现发动机在不同工作点均具有较好的整机匹配性能。在此基础上，专利US5402638和US5404713提出了带有FLADE和CDFS的自适应循环发动机方案，专利US7631484提出了在低压涡轮叶尖设置FLADE叶片的发动机方案。

专利US20050047942在带有FLADE的自适应循环发动机基础上，提出了采用对转风扇的方案。该方案采用一组对转低压涡轮驱动一组对转风扇，此结构不需要风扇和涡轮静子，可有效减小发动机重量；核心机中采用了CDFS结构，并在对转风扇和CDFS之间及CDFS和高压压气机之间分别设置了涵道引射器，可有效控制发动机在不同飞行条件下的涵道比。在此基础上，专利US20110167792采用了由控制进入核心机气体流量阀门和防止外涵气流倒流阀门组成的可调风扇系统，可在进气道总流量基本保持不变的情况下改变风扇压比，或者当经过核心机的气流变化时保持核心机压力不变，从而使发动机在较宽范围内性能最优。

经历了多年的研究和发展，航空发达国家均提出了各自的变循环发动机概念。其中，带有CDFS的变循环发动机和带有FLADE的自适应循环发动机概念发展迅速且已渐进成熟。这两种方案均通过不同的结构布局和流量调节机构改变部分气流流向，使航空发动机在不同飞行条件下具有不同涵道比，从而兼顾大推力和低油耗的综合性能优势。

综上所述，这些方案实现涵道比变化的核心思想是控制流量分配，采用流量调节机构实现航空发动机内流气体在不同流路的再分配；并通过设置多个外涵道，扩大涵道比变化范围。然而，由于大量采用流量调节机构，增加了过渡段长度，导致发动机轴向尺寸较长；气体流量再分配增加了气动掺混损失；在调节过程中发动机存在强烈的气动不稳定性，为涵道比的连续调节增大了设计难度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提出了一种采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机总体结构方案，实现涵道比变化的核心思想是直接控制体积分配，间接控制流量分配。本公开只有单一外涵道，通过直接改变外涵道的横截面以及风扇叶片的实际工作区域，直接调整外涵道体积，获取更大外涵道流量从而改变涵道比。本公开内流通道不需要流量调节机构，发动机轴向尺寸短；不存在气体流量再分配所引起的气动掺混损失；能在保证气动稳定性的情况下实现涵道比的连续调节。本公开为实现全飞行包线内航空发动机综合性能最优提出了一种新型设计思路和结构方案。

具体的，本公开的采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机通过以下技术方案实现。

具有自适应机匣和自适应风扇的发动机，包括自适应机匣、自适应风扇和燃气发生器；所述自适应机匣包括自适应机匣驱动执行部以及依次连接的进口段自适应机匣、风扇段自适应机匣、发动机中段自适应机匣、出口段自适应机匣；所述自适应风扇包括自适应风扇叶片和风扇驱动执行部；所述发动机中段自适应机匣和燃气发生器的内涵道机匣之间形成自适应外涵道；所述内涵道机匣内形成内涵道；所述自适应机匣驱动执行部通过驱动所述自适应机匣移动来控制所述外涵道的截面面积的大小；所述风扇驱动执行部通过驱动所述自适应风扇叶片沿径向移动使得所述自适应风扇叶片与所述风扇段自适应机匣相匹配。

进一步地，所述内涵道的截面面积保持不变，所述自适应机匣的截面周长能够连续调节，改变所述外涵道的截面面积，从而调整发动机的涵道比的值，当所述自适应机匣与所述内涵道机匣接触时，所述自适应机匣的截面周长最小，涵道比的最小值为0。

进一步地，所述自适应风扇叶片的工作区域及安装角度能够根据所述外涵道的大小或所述自适应机匣的大小进行自适应调节，所述自适应风扇叶片的工作区域为裸露在所述发动机的进气锥外面的部分。

进一步地，所述自适应机匣驱动执行部包括第一驱动执行部、第二驱动执行部和第三驱动执行部；所述第一驱动执行部配置在所述进口段自适应机匣和所述风扇段自适应机匣的连接处；所述第二驱动执行部配置在所述风扇段自适应机匣和所述发动机中段自适应机匣的连接处；所述第三驱动执行部配置在所述发动机中段自适应机匣和所述出口段自适应机匣的连接处。

进一步地，所述燃气发生器包括依次连接的低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮；

所述燃气发生器还包括压气机静叶调节机构和涡轮导叶调节机构；所述压气机静叶调节机构用于旋转调整高压压气机的静叶的安装角和低压压气机的静叶的安装角，所述涡轮导叶调节机构用于旋转调整高压涡轮的导叶的安装角和低压涡轮的导叶的安装角；

所述燃气发生器还包括低压轴和高压轴，所述低压涡轮控制所述低压轴驱动所述低压压气机压缩内涵道内的气体，所述高压涡轮控制所述高压轴驱动所述高压压气机压缩内涵道内的气体；

所述燃气发生器还包括混合器，所述混合器配置在所述外涵道的出口处；

所述发动机还包括加力燃烧室，用于对内涵道和/或外涵道喷出的气体加喷燃油；

所述发动机的尾部配置有可调节矢量喷管，用于调节发动机尾喷口的截面积和喷射方向；

所述发动机包括外机匣，所述外机匣与所述自适应机匣之间形成机匣腔，所述自适应机匣驱动执行部置于机匣腔内；

所述低压轴通过低压滚珠轴承驱动所述低压压气机压缩内涵道内的气体；所述高压轴通过所述高压滚珠轴承驱动所述高压压气机压缩内涵道内的气体。

本公开的有益效果：

1)本公开的智能发动机只有单一外涵道，通过直接改变外涵道的横截面以及风扇叶片的实际工作区域，直接调整外涵道体积，获取更大外涵道流量从而改变涵道比。

2)本公开的智能发动机的内流通道不需要流量调节机构，发动机轴向尺寸短；不存在气体流量再分配所引起的气动掺混损失；能在保证气动稳定性的情况下实现涵道比的连续调节。

3)本公开采用自适应涵道技术，外涵道机匣可进行自适应扩展和收缩，实现航空发动机涵道比的连续调节，从而满足不同飞行任务的最佳推力和低油耗需求。

4)本公开采用自适应风扇技术，风扇叶片可沿径向伸缩和旋转自身安装角，实现风扇叶尖与外涵道机匣的间隙保持和风扇叶型与流道的匹配。

5)本公开的燃气发生器采用压气机静叶调节技术、涡轮导叶调节技术和可调矢量喷管技术，使发动机在不同的涵道比和不同的环境下工作均能获得较高的整机匹配性能。

与传统航空发动机相比，本公开的智能发动机具有更广的工作范围、良好的稳定性和更高的工作效率。与其他变循环发动机方案相比，本公开的智能发动机将实现涵道比变化的核心思想由控制流量分配，发展为直接控制体积分配，间接控制流量分配。本公开的智能发动机的内流通道内不需要流量调节机构，发动机轴向尺寸短；不存在气体流量再分配所引起的气动掺混损失；能在保证气动稳定性的情况下实现涵道比的连续调节，为实现全飞行包线内航空发动机综合性能最优提出了一种新式设计思路和结构方案。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开具体实施方式的采用自适应机匣和自适应风扇的智能发动机的总体结构示意图；

图2是本公开具体实施方式的低空低速低耗油状态下的智能发动机总体结构示意图；

图3是本公开具体实施方式的高空高速大推力状态下的智能发动机总体结构示意图；

图4是本公开具体实施方式的中等推力中等油耗状态下的智能发动机总体结构示意图；

图5是本公开具体实施方式的低空低速低耗油状态下的自适应机匣和自适应风扇结构示意图；

图6是本公开具体实施方式的高空高速大推力状态下的自适应机匣和自适应风扇结构示意图；

图7是本公开具体实施方式的中等推力中等油耗状态下的自适应机匣和自适应风扇结构示意图。

图中符号说明如下：

1进气道气体，2内涵气体，3外涵气体，4内涵道机匣，5内涵出口气体，6外涵出口气体，7尾喷管气体，8自适应风扇叶片，9进口段自适应机匣，10第一驱动执行部，11风扇段自适应机匣，12第二驱动执行部，13前安装节，14外机匣，15发动机中段自适应机匣，16后安装节，17混合器，18第三驱动执行部，19出口段自适应机匣，20加力燃烧室，21可调节矢量喷管，22进气锥，23第四驱动执行部，24低压滚珠轴承，25低压压气机，26高压滚珠轴承，27高压压气机，28低压轴，29高压轴，30中介滚棒轴承，31高压涡轮，32低压涡轮，33低压滚棒轴承，34尾椎，35燃烧室，36压气机静叶调节机构，37涡轮导叶调节机构，38进气道，39外涵道，40内涵道，41机匣腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

如图1-7所示，具有自适应机匣和自适应风扇的发动机，包括自适应机匣、自适应风扇和燃气发生器；自适应机匣包括自适应机匣驱动执行部以及依次连接的进口段自适应机匣9、风扇段自适应机匣11、发动机中段自适应机匣15、出口段自适应机匣19；自适应风扇包括自适应风扇叶片8和风扇驱动执行部23；发动机中段自适应机匣15和燃气发生器的内涵道机匣4之间形成自适应外涵道39；内涵道机匣4内形成内涵道40；自适应机匣驱动执行部通过驱动自适应机匣移动来控制外涵道39的截面面积的大小；风扇驱动执行部23通过驱动自适应风扇叶片8沿径向移动使得自适应风扇叶片8与风扇段自适应机匣11相匹配。

内涵道的截面面积保持不变，自适应机匣的截面周长能够连续调节，通过改变外涵道39的截面面积，从而调整发动机的涵道比的值，当自适应机匣与内涵道机匣接触时，自适应机匣的截面周长最小，涵道比的最小值为0。

自适应风扇叶片8的工作区域及安装角度能够根据外涵道的大小或自适应机匣的大小进行自适应调节，自适应风扇叶片的工作区域为裸露在发动机的进气锥外面的部分。

自适应机匣驱动执行部包括第一驱动执行部10、第二驱动执行部12和第三驱动执行部18；第一驱动执行部10配置在进口段自适应机匣9和风扇段自适应机匣11的连接处；第二驱动执行部12配置在风扇段自适应机匣11和发动机中段自适应机匣15的连接处；第三驱动执行部18配置在发动机中段自适应机匣15和出口段自适应机匣19的连接处。

燃气发生器包括依次连接的低压压气机25、高压压气机27、燃烧室35、高压涡轮31和低压涡轮32；

燃气发生器还包括压气机静叶调节机构36和涡轮导叶调节机构37；压气机静叶调节机构36用于旋转调整高压压气机的静叶的安装角和低压压气机的静叶的安装角，涡轮导叶调节机构37用于旋转调整高压涡轮31的导叶的安装角和低压涡轮32的导叶的安装角；

燃气发生器还包括低压轴28和高压轴29，低压涡轮32控制低压轴28驱动低压压气机25压缩内涵道40内的气体，高压涡轮31控制高压轴29驱动高压压气机27压缩内涵道40内的气体；

燃气发生器还包括混合器17，混合器17配置在外涵道39的出口处；

发动机还包括加力燃烧室20，用于对内涵道40和/或外涵道39喷出的气体加喷燃油；

发动机的尾部配置有可调节矢量喷管21，用于调节发动机尾喷口的截面积和喷射方向；

发动机包括外机匣14，外机匣14与自适应机匣之间形成机匣腔41，自适应机匣驱动执行部置于机匣腔41内；

低压轴28通过低压滚珠轴承24驱动低压压气机25压缩内涵道40内的气体；高压轴29通过高压滚珠轴承26驱动高压压气机27压缩内涵道40内的气体。

更详细的，如图1所示，它主要包括自适应机匣、自适应风扇和燃气发生器。自适应机匣由进口段自适应机匣9、风扇段自适应机匣11、发动机中段自适应机匣15、出口段自适应机匣19以及驱动执行部10、12、18等构成。中段自适应机匣15和内涵道机匣4之间的空间构成自适应外涵道39，通过驱动执行部10、12和18的驱动可实现自适应机匣各段9、11、15和19的自适应扩展和收缩，在保持内涵道40不变的情况下，实现对外涵道39截面面积的调节，从而实现对发动机涵道比的连续调节。自适应风扇由自适应风扇叶片8和驱动执行部23构成。在涵道比变化的过程中，自适应风扇叶片8通过驱动执行部23来驱动，沿径向伸缩并旋转自身安装角实现风扇叶尖和外涵道机匣的间隙匹配及叶型与流道的匹配。燃气发生器主要由低压压气机25、高压压气机27、压气机静叶调节机构36、燃烧室35、高压涡轮31、低压涡轮32以及涡轮导叶调节机构37等构成。

发动机工作时，空气从进气道38进入发动机，进气道气体1经过自适应风扇后分成内涵气体2与外涵气体3两部分，只有内涵气体2进入燃气发生器。内涵气体2经过低压压气机25后压力升高，再经过高压压气机27后压力进一步升高，然后在燃烧室35与燃油混合燃烧产生高温燃气，高温燃气在高压涡轮31内膨胀做功，通过高压轴29驱动高压压气机27压缩内涵气体2。高温燃气经过高压涡轮31后仍然有较大的能量，继续在低压涡轮32中膨胀做功，通过低压轴28驱动低压压气机27压缩内涵气体，同时还驱动自适应风扇叶片8压缩进气道气体1。高温燃气经过低压涡轮32后成为内涵出口气体5，外涵气体3经过外涵道39后在经过混合器17后与内涵出口气体5混合，最终形成尾喷管气体7排出发动机外。尾喷管气体7的动量和能量都比进道气体1的动量和能量要高，发动机产生有效推力。

如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示：

1)当飞行器在低空低速低耗油率状态下长时间巡航时，驱动驱动执行部10、12和18，使自适应机匣的截面周长最大，整机结构状态如图2所示，发动机进口附近的自适应机匣与自适应风扇状态如图5所示。与此同时，驱动执行部23使自适应风扇叶片8沿径向向外移动，并旋转自身安装角，以保证自适应风扇与风扇段自适应机匣11的匹配。此时外涵道39截面积处于最大状态，从进气道38进入发动机的气体通过自适应风扇后，一部分流经外涵道39，另一部分进入内涵道40中，智能发动机工作在涵道比最大的涡扇发动机状态。根据涵道比的变化，自动调节压气机静叶调节机构36、燃烧室35的燃油喷油规律、涡轮导叶调节机构37和可调节矢量喷管21以使发动机整机匹配性最佳。

2)当飞行器在高空高速大推力状态下飞行时，驱动执行部10、12和18，使自适应机匣的截面周长最小，发动机中段自适应机匣15与内涵道机匣4在发动机内涵道40的前端接触，整机结构状态如图3所示，发动机进口附近的自适应机匣与自适应风扇状态如图6所示。与此同时，驱动执行部23使自适应风扇叶片8沿径向向内移动，并旋转自身安装角，以保证自适应风扇与风扇段自适应机匣11的匹配。此时外涵道39封闭，无气体流经外涵道，所有从进气道38进入发动机的气体都进入到内涵道40中，智能发动机的工作状态与涡喷发动机的工作状态相当。根据涵道比的变化，自动调节压气机静叶调节机构36、燃烧室35的燃油喷油规律、涡轮导叶调节机构37和可调节矢量喷管21以使发动机的推力最大化。若要继续增加推力，可在加力燃烧室20喷入合适的燃油量，以满足需求。

3)当飞行器在中等推力中等油耗状态下飞行时，驱动执行部10、12和18，使自适应机匣的截面周长处于中间涵道比状态，整机结构状态如图4所示，发动机进口附近的自适应机匣与自适应风扇状态如图7所示。与此同时，驱动执行部23使自适应风扇叶片8沿径向移动，并旋转自身安装角，以保证自适应风扇与风扇段自适应机匣11的匹配。此时外涵道39截面积适中，从进气道38进入发动机的气体通过自适应风扇后，一部分流经外涵道39，另一部分进入内涵道40中，智能发动机工作在中等涵道比的涡扇发动机状态。根据涵道比的变化，自动调节压气机静叶调节机构36、燃烧室35的燃油喷油规律、涡轮导叶调节机构37和可调节矢量喷管21以使发动机整机匹配性能最优。

在涵道比变化过程中，压气机静叶调节机构36，旋转调整压气机静叶的安装角，以保证压气机工作的效率和稳定性；涡轮导叶调节机构37，旋转调整涡轮导叶的安装角，保证涡轮的工作效率，并为风扇和压气机提供相匹配的驱动功率；此外，混合器17跟据自适应涵道的变化自动调节其位置；可调节矢量喷管21调节尾喷口的截面积和方向，实现智能发动机整机匹配性最佳以及飞行器对动力的需求。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (5)

1.具有自适应机匣和自适应风扇的发动机，其特征在于，

包括自适应机匣、自适应风扇和燃气发生器；

所述自适应机匣包括自适应机匣驱动执行部以及依次连接的进口段自适应机匣(9)、风扇段自适应机匣(11)、发动机中段自适应机匣(15)、出口段自适应机匣(19)；

所述自适应风扇包括自适应风扇叶片(8)和风扇驱动执行部(23)；

所述发动机中段自适应机匣(15)和燃气发生器的内涵道机匣(4)之间形成自适应外涵道(39)；所述内涵道机匣(4)内形成内涵道(40)；

所述自适应机匣驱动执行部通过驱动所述自适应机匣移动来控制所述外涵道(39)的截面面积的大小；

所述风扇驱动执行部(23)通过驱动所述自适应风扇叶片(8)沿径向移动使得所述自适应风扇叶片(8)与所述风扇段自适应机匣(11)相匹配。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述内涵道的截面面积保持不变，所述自适应机匣的截面周长能够连续调节，改变所述外涵道(39)的截面面积，从而调整发动机的涵道比的值，当所述自适应机匣与所述内涵道机匣接触时，所述自适应机匣的截面周长最小，涵道比的最小值为0。

3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，所述自适应风扇叶片(8)的工作区域及安装角度能够根据所述外涵道的大小或所述自适应机匣的大小进行自适应调节，所述自适应风扇叶片的工作区域为裸露在所述发动机的进气锥外面的部分。

4.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，所述自适应机匣驱动执行部包括第一驱动执行部(10)、第二驱动执行部(12)和第三驱动执行部(18)；所述第一驱动执行部(10)配置在所述进口段自适应机匣(9)和所述风扇段自适应机匣(11)的连接处；所述第二驱动执行部(12)配置在所述风扇段自适应机匣(11)和所述发动机中段自适应机匣(15)的连接处；所述第三驱动执行部(18)配置在所述发动机中段自适应机匣(15)和所述出口段自适应机匣(19)的连接处。

5.根据权利要求1至4任一项所述的发动机，其特征在于，

所述燃气发生器包括依次连接的低压压气机(25)、高压压气机(27)、燃烧室(35)、高压涡轮(31)和低压涡轮(32)；

所述燃气发生器还包括压气机静叶调节机构(36)和涡轮导叶调节机构(37)；所述压气机静叶调节机构(36)用于旋转调整高压压气机的静叶的安装角和低压压气机的静叶的安装角，所述涡轮导叶调节机构(37)用于旋转调整高压涡轮(31)的导叶的安装角和低压涡轮(32)的导叶的安装角；

所述燃气发生器还包括低压轴(28)和高压轴(29)，所述低压涡轮(32)控制所述低压轴(28)驱动所述低压压气机(25)压缩内涵道(40)内的气体，所述高压涡轮(31)控制所述高压轴(29)驱动所述高压压气机(27)压缩内涵道(40)内的气体；

所述燃气发生器还包括混合器(17)，所述混合器(17)

配置在所述外涵道(39)的出口处；

所述发动机还包括加力燃烧室(20)，用于对内涵道(40)和/或外涵道(39)喷出的气体加喷燃油；

所述发动机的尾部配置有可调节矢量喷管(21)，用于调节发动机尾喷口的截面积和喷射方向；

所述发动机包括外机匣(14)，所述外机匣(14)与所述自适应机匣之间形成机匣腔(41)，所述自适应机匣驱动执行部置于机匣腔(41)内；

所述低压轴(28)通过低压滚珠轴承(24)驱动所述低压压气机(25)压缩内涵道(40)内的气体；所述高压轴(29)通过所述高压滚珠轴承(26)驱动所述高压压气机(27)压缩内涵道(40)内的气体。