CN108661822A - 甚高压间冷循环涡扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种甚高压间冷循环涡扇发动机，包括风扇、高压压气机、间冷器、甚高压压气机、燃烧室、圆转扇过渡段、甚高压涡轮、高压涡轮、低压涡轮、低压轴、高压轴和甚高压轴；风扇、高压压气机、间冷器、甚高压压气机、燃烧室、圆转扇过渡段、甚高压涡轮、高压涡轮和低压涡轮依次连接；甚高压涡轮通过甚高压轴驱动甚高压压气机运转，高压涡轮通过高压轴驱动高压压气机运转，低压涡轮通过低压轴驱动风扇运转；甚高压压气机的旋转中心轴线、燃烧室的轴线均与发动机的轴线平行但不重合；高压压气机由多级高负荷轴流压气机和单级高通流离心/斜流压气机组成。

Description

甚高压间冷循环涡扇发动机
技术领域
本公开涉及航空发动机领域，尤其涉及一种甚高压间冷循环涡扇发动机。
背景技术
更低的巡航耗油率是驱动军、民用大中型运输机用吸气式大推力、大涵道比涡扇或浆扇发动机不断发展的最主要驱动力之一。美国高效涡轮发动机HEETE(Highly EnergyEfficient Turbine Engine)计划提出军用大中型运输机巡航耗油率在既有水平基础上再下降25％这一具有颠覆性的性能指标。根据涡扇或浆扇发动机的原理与热力学普遍理论，进一步显著降低这类发动机耗油率的主要方式有，进一步增加涵道比以提高推进效率；或进一步提高涡扇发动机涡轮前温度至2000K量级以提高热循环效率。对于后一方式，压缩系统最佳“总增压比(总压比)”需要达到70:1量级，即所谓甚高压(或称超高压，Ultra-highPressure)量级。
通过增加涡轮前温度的方式降低耗油率，国外技术已经可以问津2200K量级的燃烧室出口最高温度，此外，燃烧室下游涡轮可依靠先进冷却技术实现功率的可靠提取，上述两个部件的技术已相对成熟，但目前仍然没有能够确定可行且良好的技术路线的是甚高压压缩系统，难点在于如何在压缩系统的气动与结构复杂程度与开发难度，重量、成本、可维护性等可接受前提下，实现甚高压量级的总增压比。
关于甚高压量级压缩系统，罗-罗、GE等36家合作单位在欧洲委员会联合基金支持的低排放核心机技术(LEMCOTEC，Low Emission Core Engine Technology)研究计划中，提出了一种传统的基于三转子多级轴流压气机的甚高压压缩系统方案，被称为“大型三转子方案”，其要点是通过串列更多轴流级来进一步提高总增压比至甚高压量级。
可见，在甚高压量级的总增压比下，不论加与不加间冷器，气流的体积至少要缩小到大气体积的1/(28～22)，简单地串列更多轴流级将使得最后一级或两级的气流流动通道变成一条环缝。此时，叶尖间隙与叶片高度之比即叶尖间隙占比已大大超过了良好效率所必需的比值，同时气流单位体积湿面积显著增加(小雷诺数效应)。这两方面的影响将显著增加后面级气动损失，显著降低后面级加功能力。
美国工程院院士Wennerstrom博士提出一种涡扇发动机总体方案：基于异构甚高压核心机的涡扇发动机(Aircraft Turbofan Engine with Multiple High-PressureCore Modules not Concentric with the Engine Centerline)，其核心是提出了一种异构甚高压核心机来实现甚高压热力循环。
Wennerstrom博士提出的异构甚高压核心机由若干完全相同的、均布在相同半径和相同轴向位置处的(发动机主轴为圆心)、各自独立的、呈并列关系的甚高压单机构成。每个甚高压单机由甚高压压气机、甚高压燃烧室、甚高压涡轮构成，甚高压涡轮通过与发动机主轴平行的甚高压轴直接驱动甚高压压气机转动。该异构甚高压核心机下游为集气管，用于将各个甚高压单机喷出的气流收集在一起，并导向呈常规结构的低/中/高压涡轮。
Wennerstrom博士提出的异构甚高压核心机主要用于改善常规结构甚高压级的环缝流动问题，通过改变通流结构，减小甚高压级小雷诺数和大叶尖间隙占比的负面影响，改善甚高压级做功能力，进而实现甚高压热力循环。同时，该发动机兼具维护性好、可靠性高、经济性好等特点。但是，该方案仍存在近期难于逾越的技术壁垒：(1)甚高压热力循环的涡轮前温度非常高，在2000K至2200K量级，远超目前的涡轮材料所能承受的温度上限，必须引入先进热防护技术，才能使涡轮可靠工作。但是，由于该方案中的甚高压涡轮具有结构尺寸过小、不与发动机主轴共轴(不绕发动机主轴旋转)的突出特点，所以很难引入先进热防护技术对甚高压涡轮进行高强度且可靠的热防护，以使其耐受2000K量级涡轮前温度；(2)同样源自甚高压涡轮结构尺寸小、不与发动机主轴共轴的突出特点，甚高压轴的润滑条件也非常恶劣，技术突破难度非常大；(3)甚高压压气机、甚高压燃烧室与甚高压涡轮实际构成甚高压燃气发生器，每一个燃气发生器都有相对独立的控制系统，虽然可靠性增加，但控制系统过于繁杂，不利于减小发动机重量。
本公开在汲取Wennerstrom博士提出的“基于异构甚高压核心机的涡扇发动机”之于甚高压热力循环方面的优点的同时，针对其不可行方面进行改善，提出一种新型甚高压间冷循环涡扇发动机，在甚高压涡轮的热防护环节、甚高压压气机与甚高压涡轮的转速比调节、发动机间冷环节等方面均做出改进，可有效提高甚高压压气机的压缩效率，降低发动机耗油率，同时简化发动机结构，降低装配难度。
发明内容
本公开技术方案利用齿轮驱动甚高压压气机，以调整甚高压压气机到合适的转速，此外，涡轮结构的设计可使甚高压涡轮的热防护问题得以解决，离心/斜流组合高压压气机的使用也使得该涡扇发动机在总体结构上更为紧凑，同时有效提高压气机的失速裕度，降低了发动机的研发难度。本公开通过以下技术方案实现：
甚高压间冷循环涡扇发动机，包括风扇、高压压气机、间冷器、甚高压压气机、燃烧室、圆转扇过渡段、甚高压涡轮、高压涡轮、低压涡轮、低压轴、高压轴和甚高压轴；
所述风扇、所述高压压气机、所述间冷器、所述甚高压压气机、所述燃烧室、所述圆转扇过渡段、所述甚高压涡轮、所述高压涡轮和所述低压涡轮依次连接；
所述甚高压涡轮通过所述甚高压轴驱动所述甚高压压气机运转，所述高压涡轮通过所述高压轴驱动所述高压压气机运转，所述低压涡轮通过所述低压轴驱动所述风扇运转；
所述甚高压压气机的旋转中心轴线、所述燃烧室的轴线均与所述发动机的轴线平行但不重合；
所述高压压气机由多级高负荷轴流压气机和单级高通流离心/斜流压气机组成；
所述圆转扇过渡段位于所述燃烧室和所述甚高压涡轮之间，用于将所述燃烧室的燃气导向所述甚高压涡轮、所述高压涡轮和所述低压涡轮。
其中，所述燃烧室可以为管式燃烧室；所述燃烧室中排出的高速高压燃气流经所述圆转扇过渡段后，依次推动所述甚高压涡轮、所述高压涡轮和所述低压涡轮旋转；所述高压压气机包括管式扩压器，进入内涵道的气流经过所述高压压气机的管式扩压器时被分成多股气流，并被分别导向相应的、相对独立的所述间冷器通道进行降温；内涵气流和外涵气流在同时流经所述间冷器时有一个换热过程，使得内涵气流静温降低，外涵气流静温升高。
进一步地，所述发动机还包括齿轮箱，所述齿轮箱与所述甚高压轴和所述甚高压压气机相连，所述甚高压轴通过所述齿轮箱驱动所述甚高压压气机运转并调节所述甚高压压气机的转速。
其中，所述甚高压涡轮驱动所述甚高压轴旋转，所述甚高压轴驱动所述齿轮箱运转，并经所述齿轮箱变速后进一步驱动所述甚高压压气机做功；所述齿轮箱的转速比通常选择大于1，即采用升速齿轮传动的方式以增加所述甚高压压气机的做功能力，保证压缩效率。
进一步地，所述发动机还包括集流管，所述集流管位于所述间冷器和所述甚高压压气机之间，用于将气流分流至所述甚高压压气机。
进一步地，所述集流管、所述甚高压压气机、所述燃烧室和所述圆转扇过渡段的数量均为大于等于2个，以所述发动机的轴线为中心对称分布(即围绕所述发动机的轴线周向均布)。
其中，所述燃烧室的数量与所述甚高压压气机的数量一致，所述燃烧室的布局方式与所述甚高压压气机相同，即每一个所述燃烧室对应一个所述甚高压压气机，每一个燃烧室的燃烧供气和燃烧过程均独立进行，互不干涉；所述甚高压涡轮、所述高压涡轮、所述低压涡轮和所述齿轮箱的数量均为一个。
进一步地，所述高压压气机、所述低压轴、所述高压轴和所述甚高压轴的数量均为1个。
其中，所述低压轴、所述高压轴和所述甚高压轴的轴线与所述发动机的轴线重合；所述甚高压轴和所述高压轴可以合并为一根轴，由所述甚高压涡轮和所述高压涡轮共同驱动。
进一步地，所述甚高压涡轮、所述高压涡轮和所述低压涡轮均采用轴流形式。
进一步地，所述甚高压压气机至少包括第一甚高压压气机和第二甚高压压气机，所述燃烧室至少包括第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃烧室与所述第一甚高压压气机的排气口连通，所述第二燃烧室与所述第二甚高压压气机的排气口连通。
本公开的有益效果：
1)采用多个甚高压压气机围绕发动机轴线周向均布的形式，这种形式有效增加了甚高压压气机叶片展向高度，有效避免了在环缝、特别是在有叶尖间隙的环缝中对高温气流加功增压，从而有效减少叶尖间隙占比、有效缓解小雷诺数效应，有利于减小气动损失，提高甚高压热力循环热效率，进而有效降低发动机耗油率；
2)针对甚高压热力循环必需的间冷过程，提出外涵气流作为冷源，内涵道高压压气机采用“高负荷轴流+高通流离心/斜流”的气动总体方案，这种方案在实现对内涵气流间冷的同时，充分利用了间冷过程内涵气流半径变化较大的固有特点，借助相对坐标系下离心力对气流做功，一方面，该方案有效减少压缩系统轴流级级数、减小压缩系统轴向长度、降低压缩系统重量、增加转子和机匣结构刚性，进而从转子动力学角度有效降低发动机研发难度，另一方面，该方案有效回避了多级轴流压气机级间匹配技术难点，有效提高了压气机失速裕度，并从叶轮机气动力学的角度有效降低了发动机的研发难度；
3)采用升速齿轮驱动甚高压压气机，确保甚高压压气机工作在合适的转速，保证了甚高压压气机较高的通流能力和压缩效率，同时降低甚高压压气机与涡轮的气动设计难度；
4)发动机采用甚高压涡轮、高压涡轮和低压涡轮依次连接的涡轮结构，分别通过甚高压轴、高压轴和低压轴驱动甚高压压气机、高压压气机和低压压气机，并增加圆转扇过渡段结构，可有效解决甚高压涡轮的热防护和润滑问题。
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甚高压间冷循环涡扇发动机的主要构件示意图；
图2是本公开具体实施方式的甚高压间冷循环涡扇发动机的甚高压压气机径向位置示意图。
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1-2所示，甚高压间冷循环涡扇发动机，包括风扇1，2、高压压气机3、间冷器4、甚高压压气机6、燃烧室7、圆转扇过渡段8、甚高压涡轮9、高压涡轮10、低压涡轮11、低压轴12、高压轴13和甚高压轴14；甚高压间冷循环涡扇发动机还可以包括低压压气机(图中未示出)。
风扇1，2、高压压气机3、间冷器4、甚高压压气机6、燃烧室7、圆转扇过渡段8、甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11依次连接；
甚高压涡轮9通过甚高压轴14驱动甚高压压气机6运转，高压涡轮10通过高压轴13驱动高压压气机3运转，低压涡轮11通过低压轴12驱动风扇1，2运转；
甚高压压气机6的旋转中心轴线、燃烧室7的轴线均与发动机的轴线平行但不重合；
高压压气机3由多级高负荷轴流压气机和单级高通流离心/斜流压气机组成，即高压压气机3由多级高负荷轴流压气机和单级高通流离心压气机组成，或者，高压压气机3由多级高负荷轴流压气机和单级高通流斜流压气机组成；
圆转扇过渡段8位于燃烧室7和甚高压涡轮9之间，用于将燃烧室7的燃气导向甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11。
发动机还包括齿轮箱15，齿轮箱15与甚高压轴14和甚高压压气机6相连，甚高压轴14通过齿轮箱15驱动甚高压压气机6运转并调节甚高压压气机6的转速。
发动机还包括集流管5，集流管5位于间冷器4和甚高压压气机6之间，用于将气流分流至甚高压压气机6。
集流管5、甚高压压气机6、燃烧室7、圆转扇过渡段8的数量均为大于等于2个，以发动机的轴线为中心对称分布。
高压压气机3、低压轴12、高压轴13和甚高压轴14的数量均为1个。
甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11均采用轴流形式。
甚高压压气机6至少包括第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2，燃烧室7至少包括第一燃烧室19和第二燃烧室，第一燃烧室19与第一甚高压压气机18-1的排气口连通，第二燃烧室与第二甚高压压气机18-2的排气口连通。
更为详细的，如图1所示，新型甚高压间冷循环涡扇发动机，包括风扇、高压压气机3、间冷器4、集流管5、甚高压压气机6、甚高压燃烧室7、圆转扇过渡段8、甚高压涡轮9、高压涡轮10、低压涡轮11、低压轴12、高压轴13、甚高压轴14、齿轮箱15和启动电机16。
在本实施例中，风扇包括转子叶片1和外涵道风扇静子2。
在本实施例中，甚高压压气机6包括第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2，图1仅示出第一甚高压压气机18-1。图2示出了第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2在发动机中的径向位置。第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2结构完全相同，二者以发动机的轴线为中心，对称分布。第一甚高压压气机的轴线17与发动机的轴线平行但不重合。
在本实施例中，与甚高压压气机6相对应的甚高压燃烧室7包括第一燃烧室19和第二燃烧室，图1仅示出第一燃烧室19，第一燃烧室19与第一甚高压压气机18-1的排气口连通。
图1示出了齿轮箱15。齿轮箱15驱动甚高压压气机6时，可按照气动设计需要，在一定范围内改变甚高压压气机6与甚高压涡轮9的转速比，从而降低甚高压压气机6和甚高压涡轮9的气动设计难度。
在本实施例中，甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11的数量均为1个；低压轴12、高压轴13和甚高压轴14的数量均为1个，分别由低压涡轮11、高压涡轮10和甚高压涡轮9驱动，并且低压轴12、高压轴13和甚高压轴14的轴线与发动机的轴线重合。
在本实施例中，间冷过程选择以内涵气流引向外涵道为主，同时将外涵气流适度引向内涵道的方案。间冷冷源选择外涵气流，外涵气流流量大、静温低，并且外涵道空间大，方便布置换热器。同时，经间冷过程，热能从内涵气流传向外涵气流，内涵气流静温降低，同时外涵气流静温升高，传入外涵气流的热能经膨胀可继续转化为气流动能，即发动机推力。
在本实施例中，高压压气机3采用“多级高负荷轴流+单级高通流离心/斜流”的组合压气机方案。相同总增压比条件下，组合压气机轴向长度明显较小、结构更为紧凑，进而使发动机转子、机匣轴向长度减小、刚性增加，从转子动力学角度有效降低了发动机研发难度。此外，离心/斜流压气机可将内涵气流从半径较小的内涵道引向半径较大的外涵道，同时，利用离心力对气体做功，将轮缘功加入气流，因此，离心/斜流压气机兼具间冷引流与轮缘功加入的双重作用。离心/斜流级扩压器的形式采用管式扩压器，管式扩压器兼具扩压和分流作用，将其出口与间冷器4的入口相接，在扩压的同时，将多股气流通过管道导入间冷器4中进行冷却。
甚高压间冷循环涡扇发动机的工作流程：
空气经风扇转子叶片1吸入加压，一部分流经外涵道、风扇静子2和间冷器4，排向大气，形成推力；另一部分空气进入内涵道，经高压压气机3进一步将总压比提高至35:1量级。内涵气流流经高压压气机3最后级管式扩压器后被分为若干股，并被导向间冷器4的通道。内、外涵气流在间冷器4中换热，内涵气流静温降低，外涵气流静温升高。外涵气流经膨胀，将从内涵气流中获取的热能部分转变为外涵气流的动能，并最终形成推力；冷却后的内涵气流经集流管5分流后，分别流入相对独立的第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2，经过第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2的内涵气流总压比提高至70:1量级，并流入相对应的第一燃烧室19和第二燃烧室进行燃烧。从第一燃烧室19和第二燃烧室燃烧生成的高速高压燃气排出后，分别经过相对应的2个圆转扇过渡段8，推动甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11旋转。甚高压涡轮9通过甚高压轴14驱动齿轮箱15运转，齿轮箱15进一步驱动第一甚高压压气机18-1和第二甚高压压气机18-2运转并根据需要调节其转速；高压涡轮10通过高压轴13驱动高压压气机3做功；低压涡轮11通过低压轴12驱动风扇转子叶片1做功。流经甚高压涡轮9、高压涡轮10和低压涡轮11的燃气最终排向大气，并形成推力。
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 (7)

1.甚高压间冷循环涡扇发动机，包括风扇(1，2)、高压压气机(3)、间冷器(4)、甚高压压气机(6)、燃烧室(7)、圆转扇过渡段(8)、甚高压涡轮(9)、高压涡轮(10)、低压涡轮(11)、低压轴(12)、高压轴(13)和甚高压轴(14)；
所述风扇(1，2)、所述高压压气机(3)、所述间冷器(4)、所述甚高压压气机(6)、所述燃烧室(7)、所述圆转扇过渡段(8)、所述甚高压涡轮(9)、所述高压涡轮(10)和所述低压涡轮(11)依次连接；
所述甚高压涡轮(9)通过所述甚高压轴(14)驱动所述甚高压压气机(6)运转，所述高压涡轮(10)通过所述高压轴(13)驱动所述高压压气机(3)运转，所述低压涡轮(11)通过所述低压轴(12)驱动所述风扇(1，2)运转；
所述甚高压压气机的旋转中心轴线、所述燃烧室的轴线均与所述发动机的轴线平行但不重合；
所述高压压气机(3)由多级高负荷轴流压气机和单级高通流离心/斜流压气机组成；
所述圆转扇过渡段(8)位于所述燃烧室(7)和所述甚高压涡轮(9)之间，用于将所述燃烧室(7)的燃气导向所述甚高压涡轮(9)、所述高压涡轮(10)和所述低压涡轮(11)。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括齿轮箱(15)，所述齿轮箱(15)与所述甚高压轴(14)和所述甚高压压气机(6)相连，所述甚高压轴(14)通过所述齿轮箱(15)驱动所述甚高压压气机(6)运转并调节所述甚高压压气机(6)的转速。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括集流管(5)，所述集流管(5)位于所述间冷器(4)和所述甚高压压气机(6)之间，用于将气流分流至所述甚高压压气机(6)。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述集流管(5)、所述甚高压压气机(6)、所述燃烧室(7)和所述圆转扇过渡段(8)的数量均为大于等于2个，以所述发动机的轴线为中心对称分布。
5.根据权利要求1-4任一项所述的发动机，其特征在于，所述高压压气机(3)、所述低压轴(12)、所述高压轴(13)和所述甚高压轴(14)的数量均为1个。
6.根据权利要求1-5任一项所述的发动机，其特征在于，所述甚高压涡轮(9)、所述高压涡轮(10)和所述低压涡轮(11)均采用轴流形式。
7.根据权利要求1-6任一项所述的发动机，其特征在于，所述甚高压压气机(6)至少包括第一甚高压压气机(18-1)和第二甚高压压气机(18-2)，所述燃烧室(7)至少包括第一燃烧室(19)和第二燃烧室，所述第一燃烧室(19)与所述第一甚高压压气机(18-1)的排气口连通，所述第二燃烧室与所述第二甚高压压气机(18-2)的排气口连通。
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