CN108506111B - 一种微小型涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空涡轮发动机技术领域，尤其是涉及一种微小型涡扇发动机。其特点是包括核心机，所述的核心机后部通过中介机匣设置有涡扇发动机低压部分，所述的涡扇发动机低压部分包括风扇机匣，风扇机匣内设置有一体化涡轮风扇，内涵喷管通过风扇机匣后支撑安装在风扇机匣的内表面，风扇机匣后端还设置有外涵喷管。所述的一种微小型涡扇发动机，其通过低压涡轮与叶尖风扇的组合结构，令内涵喷管可以布置于风扇之后，使得内涵喷管可以正常设计，从而克服了内涵喷管的布置问题，保存了内涵推力；避免了内涵喷管排出的高温气体与风扇前来流空气产生干涉，保证了风扇的正常工作，其最大程度保留了工质的总压，减少了能量的损耗，降低了结构的复杂程度。

Description

一种微小型涡扇发动机

技术领域

本发明涉及航空涡轮发动机技术领域，尤其是涉及一种微小型涡扇发动机。

背景技术

涡轮喷气发动机是当代航空器的主要动力，主要可以分为涡喷、涡扇、涡轴和涡桨发动机四类，多用于客机、运输机、战斗机、巡航导弹等。而微小型涡轮发动机是其一个分支，是指推力几公斤到几百公斤，功率几千瓦到几百千瓦的涡轮发动机。微小型涡轮发动机相对于活塞发动机具有功重比/推重比高、飞行速度快的优点，相对于电池具有能量密度高，续航时间长的特点，是未来无人机的重要动力方向。

目前的微小型涡轮发动机多为微小型涡喷发动机，该类发动机耗油率较高，能量利用效率较低，而涡扇发动机耗油率低、能量利用效率较高、续航时间长，更加适用于低速(0.8马赫以下)的各种小型飞行器。但由于微小型涡轮发动机尺寸较小，结构较为复杂，传统的涡扇发动机的设计手段及结构布局方式已经难以适用，因此，微小型涡轮风扇发动机(简称微小型涡扇发动机)市面较为少见。

公开号103216361A的发明专利提出了两种新型小型涵道涡扇发动机方案，一种方案将涡喷发动机核心机与后置自由涡轮、减速器、反向安装风扇串联的手段，完成了涡扇发动机结构的实现。其问题在于内涵喷管的喷气方向与速度方向一致，导致内涵推力完全损失，并产生阻力；内涵喷管的热气流会被来流气流吹入风扇，导致风扇进口流场温度畸变，影响风扇正常工作；风扇没有安装喷管，导致其风扇的压升没有转化为速度的提升，导致推力的大幅下降。另一种方案将是将反向安装的涡喷发动机核心机与自由涡轮、风扇组合起来，来流气流穿过风扇后通过管道引入反向安装的核心机，核心机的气流再通过管道穿出核心机引气的管道排出。该方案的问题在于(1)结构过于复杂、管道干涉、布置困难，难以实现；(2)过多的管道导致气流的压力损失过多，能量利用效率低下。

综上分析，现有技术较少有关于微小型涡扇发动机的技术方案，且可查询的技术方案中存在着(1)内涵喷管布置困难，导致推力损失；(2)内外涵道结构不协调不合理(3)高压推力损失，(4)方案实现难度高等问题。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的缺陷而提供一种微小型涡扇发动机，有效解决了现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种微小型涡扇发动机，其特点是包括核心机，所述的核心机后部通过中介机匣设置有涡扇发动机低压部分，所述的涡扇发动机低压部分包括风扇机匣，风扇机匣前端通过风扇机匣前支撑安装在中介机匣的外表面，风扇机匣后端通过风扇机匣后支撑安装在内涵喷管外表面，风扇机匣内设置有一体化涡轮风扇，一体化涡轮风扇通过低压转子轴前轴承和低压转子轴后轴承套装在低压转子轴上，低压转子轴前轴承通过低压转子轴前支撑安装于低压转子进气罩内壁面，低压涡轮进气罩通过低压涡轮前支撑安装于中介机匣内表面；低压转子轴后轴承通过低压转子轴后支撑安装在低压涡轮排气锥的内表面；低压涡轮排气锥通过低压涡轮后支撑安装在内涵喷管的内表面，内涵喷管通过风扇机匣后支撑安装在风扇机匣的内表面，风扇机匣后端还设置有外涵喷管。

所述的核心机为微小型涡喷发动机，核心机主要由压气机、发动机机匣、燃烧室、转子轴和涡轮组成，核心机主要作为燃气发生器提供高温高压的燃气工质。

所述的一体化涡轮风扇为一体式结构，一体化涡轮风扇包括低压涡轮盘、低压涡轮叶片、低压涡轮叶冠和叶尖风扇组成，低压涡轮盘中间设置有用于安装轴承与低压转子轴的孔，低压涡轮叶片一端与低压涡轮盘相连，低压涡轮盘与低压涡轮叶片构成了一种轴流式涡轮结构，低压涡轮叶冠为一个环形结构，低压涡轮叶冠的内表面与低压涡轮叶片相连，低压涡轮叶冠的外表面与叶尖风扇的叶根相连。

所述的中介机匣是一个圆柱形壳体，中介机匣的前端面与核心机中的发动机机匣的后端面固连，发动机机匣后端面的外表面与低压涡轮叶冠的前端的上表面齐平并设置2～5mm间隙构成叶尖风扇的一部分的进气流道。

所述的风扇机匣为一个圆筒状结构，一体化涡轮风扇将风扇机匣内，所述的外涵喷管为一个收敛形的圆筒，外涵喷管的圆环面积较大的端面与风扇机匣的后端面相连接，所述的内涵喷管为一个收敛形的圆筒，内涵喷管8的后端上表面与低压涡轮盘的后端上表面齐平并设置2～5mm间隙用于加速低压涡轮叶片风扇排出的气流、产生推力，内涵喷管靠近一体化涡轮风扇的一端的外表面高度与低压涡轮叶冠的后端外表面高度相平，内涵喷管与一体化涡轮风扇直接设置有2～5mm间隙，内涵喷管的外表面形成了叶尖风扇的一部分排气流道；所述的低压转子轴与核心机的转子轴在一条直线上，所述的低压涡轮进气罩为一个筒状结构，低压涡轮进气罩一方面用于构成气流工质的流道，低压涡轮进气罩另一方面用于提供支撑，低压涡轮进气罩前端为封闭的筒底，低压涡轮进气罩后端上表面与低压涡轮盘前端上表面齐平并设置有2～5mm间隙并构成了低压涡轮叶片的一部分进气流道，所述的低压涡轮排气锥为一个锥形壳体，低压涡轮排气锥形成排气流道并提供支撑。

本发明的有益效果是：所述的一种微小型涡扇发动机，其采用低压转子与高压转子分开放置的方式，通过“串列转子”的方式，既避免了传统涡扇发动机“轴套轴”方案与“多重管道”难以实现的问题。其通过低压涡轮与叶尖风扇的组合结构，令内涵喷管可以布置于风扇之后，使得内涵喷管可以正常设计，从而克服了内涵喷管的布置问题，保存了内涵推力；由于内涵喷管布置于风扇之后，避免了内涵喷管排出的高温气体与风扇前来流空气产生干涉，保证了风扇的正常工作。此外，通过在风扇后加装外涵尾喷管，使得流过风扇的增压空气得以产生更高的推力；本发明中没有过多的管道引入，最大程度保留了工质的总压，减少了能量的损耗，降低了结构的复杂程度。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图；

图2为本发明具体结构示意图

图3为本发明图2中的C-C处剖视结构示意图；

图4为本发明图2中的核心机结构原理示意图；

图5为本发明图2中的一体化涡轮风扇结构原理示意图；

图6为本发明图5的B-B处剖视结构原理示意图；

图中所示：1、核心机；2、中介机匣；3、风扇机匣前支撑；4、风扇机匣；5、一体化涡轮风扇；6、外涵喷管；7、风扇机匣后支撑；8、内涵喷管；9、低压涡轮后支撑；10、低压涡轮排气锥；11、低压转子轴后轴承；12、低压转子轴后支撑；13、低压转子轴前支撑；14、低压涡轮前支撑；15、低压转子轴前轴承；16、低压转子轴；17、低压涡轮进气罩；18、压气机；19、发动机机匣；20、燃烧室；21、转子轴；22、涡轮；23、低压涡轮盘；24、低压涡轮叶片；25、低压涡轮叶冠；26、叶尖风扇；27、涡扇发动机低压部分。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至6所示，所述的一种微小型涡扇发动机，其特点是包括核心机1，所述的核心机1后部通过中介机匣2设置有涡扇发动机低压部分27，所述的涡扇发动机低压部分27包括风扇机匣4，风扇机匣4前端通过风扇机匣前支撑3安装在中介机匣2的外表面，风扇机匣4后端通过风扇机匣后支撑7安装在内涵喷管8外表面，风扇机匣4内设置有一体化涡轮风扇5，一体化涡轮风扇5通过低压转子轴前轴承15和低压转子轴后轴承11套装在低压转子轴16上，低压转子轴前轴承15通过低压转子轴前支撑13安装于低压涡轮进气罩17内壁面，低压涡轮进气罩17通过低压涡轮前支撑14安装于中介机匣2内表面；低压转子轴后轴承11通过低压转子轴后支撑12安装在低压涡轮排气锥10的内表面；低压涡轮排气锥10通过低压涡轮后支撑9安装在内涵喷管8的内表面，内涵喷管8通过风扇机匣后支撑7安装在风扇机匣4的内表面，风扇机匣4后端还设置有外涵喷管6。

所述的核心机1为微小型涡喷发动机，核心机主要由压气机18、发动机机匣19、燃烧室20、转子轴21和涡轮22组成，核心机主要作为燃气发生器提供高温高压的燃气工质。

所述的一体化涡轮风扇5为一体式结构，一体化涡轮风扇包括低压涡轮盘23、低压涡轮叶片24、低压涡轮叶冠25和叶尖风扇26组成，低压涡轮盘23中间设置有用于安装轴承与低压转子轴16的孔，低压涡轮叶片24一端与低压涡轮盘23相连，低压涡轮盘23与低压涡轮叶片24构成了一种轴流式涡轮结构，低压涡轮叶冠25为一个环形结构，低压涡轮叶冠25的内表面与低压涡轮叶片24相连，低压涡轮叶冠25的外表面与叶尖风扇26的叶根相连。

所述的中介机匣2是一个圆柱形壳体，中介机匣2的前端面与核心机中的发动机机匣19的后端面固连，发动机机匣19后端面的外表面与低压涡轮叶冠25的前端的上表面齐平并设置2～5mm间隙构成叶尖风扇26的一部分的进气流道。

所述的风扇机匣4为一个圆筒状结构，一体化涡轮风扇5在风扇机匣4内，所述的外涵喷管6为一个收敛形的圆筒，外涵喷管6的圆环面积较大的端面与风扇机匣4的后端面相连接，所述的内涵喷管8为一个收敛形的圆筒，内涵喷管8的后端上表面与低压涡轮盘23的后端上表面齐平并设置2～5mm间隙用于加速低压涡轮叶片24排出的气流、产生推力，内涵喷管8靠近一体化涡轮风扇5的一端的外表面高度与低压涡轮叶冠25的后端外表面高度相平，内涵喷管8与一体化涡轮风扇5之间设置有2～5mm间隙，内涵喷管的外表面形成了叶尖风扇26的一部分排气流道；所述的低压转子轴16与核心机1的转子轴21在一条直线上，所述的低压涡轮进气罩17为一个筒状结构，低压涡轮进气罩17一方面用于构成气流工质的流道，另一方面用于提供支撑，低压涡轮进气罩17前端为封闭的筒底，低压涡轮进气罩17后端上表面与低压涡轮盘23前端上表面齐平并设置有2～5mm间隙并构成了低压涡轮叶片24的一部分进气流道，所述的低压涡轮排气锥10为一个锥形壳体，低压涡轮排气锥10形成排气流道并提供支撑。

所述的一种微小型涡扇发动机，其工作时，核心机1吸入来流空气，压缩，燃烧加热，膨胀，并产生高温高压高速的燃气工质；燃气工质通过低压涡轮进气罩17和中介机匣2构成的流道流入低压涡轮叶片24，驱动低压涡轮叶片24旋转，即带动整个一体化涡轮风扇5旋转，燃气工质经低压涡轮叶片24降压膨胀后由内涵喷管8排出，产生内涵推力；旋转的叶尖风扇26吸入前方自由来流空气，加压加速，然后通过外涵喷管6加速排出，产生外涵推力。

以限制本发明，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 (4)

1.一种微小型涡扇发动机，其特征是包括核心机，所述的核心机后部通过中介机匣设置有涡扇发动机低压部分，所述的涡扇发动机低压部分包括风扇机匣，风扇机匣前端通过风扇机匣前支撑安装在中介机匣的外表面，风扇机匣后端通过风扇机匣后支撑安装在内涵喷管外表面，风扇机匣内设置有一体化涡轮风扇，一体化涡轮风扇通过低压转子轴前轴承和低压转子轴后轴承套装在低压转子轴上，低压转子轴前轴承通过低压转子轴前支撑安装于低压转子进气罩内壁面，低压涡轮进气罩通过低压涡轮前支撑安装于中介机匣内表面；低压转子轴后轴承通过低压转子轴后支撑安装在低压涡轮排气锥的内表面；低压涡轮排气锥通过低压涡轮后支撑安装在内涵喷管的内表面，内涵喷管通过风扇机匣后支撑安装在风扇机匣的内表面，风扇机匣后端还设置有外涵喷管；

所述的风扇机匣为一个圆筒状结构，一体化涡轮风扇将风扇机匣内，所述的外涵喷管为一个收敛形的圆筒，外涵喷管的圆环面积较大的端面与风扇机匣的后端面相连接，所述的内涵喷管为一个收敛形的圆筒，内涵喷管（8）的后端上表面与低压涡轮盘的后端上表面齐平并设置2～5mm间隙用于加速低压涡轮叶片风扇排出的气流、产生推力，内涵喷管靠近一体化涡轮风扇的一端的外表面高度与低压涡轮叶冠的后端外表面高度相平，内涵喷管与一体化涡轮风扇直接设置有2～5mm间隙，内涵喷管的外表面形成了叶尖风扇的一部分排气流道；所述的低压转子轴与核心机的转子轴在一条直线上，所述的低压涡轮进气罩为一个筒状结构，低压涡轮进气罩一方面用于构成气流工质的流道，低压涡轮进气罩另一方面用于提供支撑，低压涡轮进气罩前端为封闭的筒底，低压涡轮进气罩后端上表面与低压涡轮盘前端上表面齐平并设置有2～5mm间隙并构成了低压涡轮叶片的一部分进气流道，所述的低压涡轮排气锥为一个锥形壳体，低压涡轮排气锥形成排气流道并提供支撑。

2.如权利要求1所述的一种微小型涡扇发动机，其特征在于：所述的核心机为微小型涡喷发动机，核心机主要由压气机、发动机机匣、燃烧室、转子轴和涡轮组成，核心机主要作为燃气发生器提供高温高压的燃气工质。

3.如权利要求1所述的一种微小型涡扇发动机，其特征在于：所述的一体化涡轮风扇为一体式结构，一体化涡轮风扇包括低压涡轮盘、低压涡轮叶片、低压涡轮叶冠和叶尖风扇组成，低压涡轮盘中间设置有用于安装轴承与低压转子轴的孔，低压涡轮叶片一端与低压涡轮盘相连，低压涡轮盘与低压涡轮叶片构成了一种轴流式涡轮结构，低压涡轮叶冠为一个环形结构，低压涡轮叶冠的内表面与低压涡轮叶片相连，低压涡轮叶冠的外表面与叶尖风扇的叶根相连。

4.如权利要求1所述的一种微小型涡扇发动机，其特征在于：所述的中介机匣是一个圆柱形壳体，中介机匣的前端面与核心机中的发动机机匣的后端面固连，发动机机匣后端面的外表面与低压涡轮叶冠的前端的上表面齐平并设置2～5mm间隙构成叶尖风扇的一部分的进气流道。