CN109209644A - 桨尖涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桨尖涡轮发动机，包括：转动设置的高压压气机，高压压气机用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，高压压气机外套装有用于对来流空气进行扩压减速后流出的风扇静子，风扇静子呈环状且固定设置，风扇静子的外涵道处设有燃烧室。风扇静子的进气端与高压压气机的排气端相匹配设计，以用于使由高压压气机流出的高速气流沿径向流入风扇静子，风扇静子的排气端与燃烧室的进气端相匹配设计，以用于使由风扇静子扩压减速后的气流流入燃烧室。本发明的高压压气机自身可满足气流从轴向到径向的换向，不存在技术障碍，解决现有压气机轴流出口气流与空心风扇内流道入口气动性能匹配问题。

Description

桨尖涡轮发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种桨尖涡轮发动机。
背景技术
短距、垂直起降飞行器能大大降低对机场的特殊要求，特别适用于救灾、海上环境等使用，其军事及民用潜力巨大。国外在本世纪初开始开展可用于短距、垂直起降飞行器的桨尖涡轮风扇发动机原理研究，其工作原理为：轴流式压气机出口气流经空心风扇引入燃烧室，燃烧室产生的高温气流再推动安装在空心风扇叶尖的涡轮，从而带动空心风扇转动，空心风扇对来流增压产生大部分推力，同时空心风扇将涡轮产生的部分动力通过增速器驱动轴流式压气机运转。该桨尖涡轮风扇发动机中，由于需要解决轴流式压气机出口与空心风扇进气口间的动密封问题、轴流式压气机轴流出口气流与空心风扇内流道入口气动性能匹配问题、空心风扇内扩压通道结构需求及与涡轮盘及风扇强度寿命需求的矛盾问题等，故而桨尖涡轮风扇发动机仅存在于理论研究阶段，并未具体实施。
发明内容
本发明提供了一种桨尖涡轮发动机，以解决现有的桨尖涡轮发动机存在的压气机出口与空心风扇进气口间的动密封、压气机轴流出口气流与空心风扇内流道入口气动性能匹配的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种桨尖涡轮发动机，包括转动设置的高压压气机，高压压气机用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，高压压气机外套装有用于对来流空气进行扩压减速后流出的风扇静子，风扇静子呈环状且固定设置，风扇静子的外涵道处设有燃烧室；风扇静子的进气端与高压压气机的排气端相匹配设计，以用于使由高压压气机流出的高速气流沿径向流入风扇静子，风扇静子的排气端与燃烧室的进气端相匹配设计，以用于使由风扇静子扩压减速后的气流流入燃烧室。
进一步地，风扇静子包括套装于高压压气机外且呈空心筒状的安装内筒、套装于安装内筒外且呈空心筒状的安装外筒、连接于安装内筒和安装外筒之间的多片静子叶片。
进一步地，高压压气机的排气端呈环形且由高压压气机的排气端流出的气流沿高压压气机的径向向外；安装内筒的外圆上设有内凹且呈环形的进气环道，进气环道的开口与高压压气机排气端的排气口相匹配设计，以使由高压压气机流出的高速气流沿径向流入风扇静子。
进一步地，进气环道开口的宽度等于或大于高压压气机排气端排气口的宽度。
进一步地，安装内筒包括呈空心筒状的内筒本体，内筒本体的外圆上设有外凸且呈环形的安装凸环，进气环道设于安装凸环的外环面上。
进一步地，安装外筒的外圆上设有呈环形的排气环道，排气环道的开口与燃烧室进气端的进气口相匹配设计，以使由风扇静子流出的气流沿轴向流入燃烧室内。
进一步地，安装外筒包括呈空心筒状的外筒本体，外筒本体的外圆上连接有呈环形且截面为“L”型的排气环罩；排气环罩的短边与外筒本体的外圆面相连，排气环罩的长边沿外筒本体的轴向朝燃烧室的进气端延伸，且排气环罩与外筒本体外圆面之间的间隙构成排气环道。
进一步地，多片静子叶片沿风扇静子的周向依次间隔设置；各静子叶片内设有用于对进入的气流进行扩压减速的扩压通道，扩压通道的进气端和排气端分别与进气环道和排气环道连通。
进一步地，扩压通道沿静子叶片的长度方向延伸，且扩压通道的截面积由其进气端至排气端的方向逐渐变大。
进一步地，扩压通道采用管式扩压器空心通道设计的原理设计而成的空心通道。
本发明具有以下有益效果：
本发明的桨尖涡轮发动机包括高压压气机，高压压气机用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，由于高压压气机自身可满足将沿轴向的来流压缩后沿径向流出，故而相比于现有技术中的轴流式压气机，本发明的高压压气机自身可满足气流从轴向到径向的换向，不存在技术障碍，且风扇静子的进气端与高压压气机的排气端相匹配设计，故而由高压压气机排气端流出的高速气流将继续沿径向流入风扇静子，从而解决现有轴流式压气机轴流出口气流与空心风扇内流道入口气动性能匹配问题；由于高压压气机转动设置，而风扇静子固定设置，故而高压压气机排气端与风扇静子进气端间为动-静密封，采用常规封严结构即可满足密封要求，从而解决现有轴流式压气机出口与空心风扇入口间动密封问题。
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桨尖涡轮发动机原理方案示意图；
图2是图1中桨尖涡轮发动机去除燃烧室后的主视结构示意图；
图3是图2的A-A向剖视结构示意图；
图4是图2中风扇静子的局部主视结构示意图；
图5是图4的B-B向剖视结构示意图。
图例说明
10、高压压气机；20、风扇静子；21、安装内筒；210、进气环道；211、内筒本体；212、安装凸环；22、安装外筒；220、排气环道；221、外筒本体；222、排气环罩；23、静子叶片；230、扩压通道；30、燃烧室。
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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种桨尖涡轮发动机，包括：转动设置的高压压气机10，高压压气机10用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，高压压气机10外套装有用于对来流空气进行扩压减速后流出的风扇静子20，风扇静子20呈环状且固定设置，风扇静子20的外涵道处设有燃烧室30。风扇静子20的进气端与高压压气机10的排气端相匹配设计，以用于使由高压压气机10流出的高速气流沿径向流入风扇静子20，风扇静子20的排气端与燃烧室30的进气端相匹配设计，以用于使由风扇静子20扩压减速后的气流流入燃烧室30。
本发明的桨尖涡轮发动机包括高压压气机10，高压压气机10用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，由于高压压气机10自身可满足将沿轴向的来流压缩后沿径向流出，故而相比于现有技术中的轴流式压气机，本发明的高压压气机10自身可满足气流从轴向到径向的换向，不存在技术障碍，且风扇静子20的进气端与高压压气机10的排气端相匹配设计，故而由高压压气机10排气端流出的高速气流将继续沿径向流入风扇静子20，从而解决现有轴流式压气机轴流出口气流与空心风扇内流道入口气动性能匹配问题；由于高压压气机10转动设置，而风扇静子20固定设置，故而高压压气机10排气端与风扇静子20进气端间为动-静密封，采用常规封严结构即可满足密封要求，从而解决现有轴流式压气机出口与空心风扇入口间动密封问题。
可选地，如图2和图3所示，风扇静子20包括套装于高压压气机10外且呈空心筒状的安装内筒21、套装于安装内筒21外且呈空心筒状的安装外筒22、连接于安装内筒21和安装外筒22之间的多片静子叶片23。优选地，安装内筒21、安装外筒22及多片静子叶片23整体铸造而成，有利于增强风扇静子20整体的结构强度，满足航空发动机的性能要求。
本发明中，如图3所示，高压压气机10的排气端呈环形且由高压压气机10的排气端流出的气流沿高压压气机10的径向向外。本发明具体实施例中，高压压气机10为离心压气机，离心压气机包括用于对来流空气进行压缩的离心叶轮，离心叶轮自身可满足气流从轴向到径向的换向。
本发明中，如图3所示，安装内筒21的外圆上设有内凹且呈环形的进气环道210，进气环道210的开口与高压压气机10排气端的排气口相匹配设计，以使由高压压气机10流出的高速气流沿径向流入风扇静子20，从而解决压气机出口气流与风扇静子20内流道入口气动性能匹配的问题。
优选地，如图3所示，进气环道210开口的宽度等于或大于高压压气机10排气端排气口的宽度，从而便于由高压压气机10流出的气流全部流入风扇静子20的进气环道210内，降低气流的损失。
本发明具体实施例中，如图3所示，安装内筒21包括呈空心筒状的内筒本体211，内筒本体211的外圆上设有外凸且呈环形的安装凸环212，进气环道210设于安装凸环212的外环面上。通过在内筒本体211的外圆上设置安装凸环212，且在安装凸环212上设置进气环道210，在保证进气环道210进气深度的同时，降低安装内筒21的壁厚，进而减轻风扇静子20的重量。
本发明中，如图3所示，安装外筒22的外圆上设有呈环形的排气环道220，排气环道220的开口与燃烧室30进气端的进气口相匹配设计，以使由风扇静子20流出的气流沿轴向流入燃烧室30内。由风扇静子20排气端流出的气流再流入排气环道220中，并在排气环道220的作用下沿风扇静子20的轴向流入燃烧室30内，从而解决风扇静子20出口气流与燃烧室入口气动性能匹配问题。
本发明具体实施例中，如图3所示，安装外筒22包括呈空心筒状的外筒本体221，外筒本体221的外圆上连接有呈环形且截面为“L”型的排气环罩222。排气环罩222的短边与外筒本体221的外圆面相连，排气环罩222的长边沿外筒本体221的轴向朝燃烧室30的进气端延伸，且排气环罩222与外筒本体221外圆面之间的间隙构成排气环道220。通过在外筒本体221的外圆上连接呈环形且截面为“L”型的排气环罩222，引导由风扇静子20径向流出的气流沿轴向流入燃烧室30的同时，降低安装外筒22的壁厚，进而减轻风扇静子20的重量。
可选地，如图4所示，多片静子叶片23沿风扇静子20的周向依次间隔设置。再结合图5所示，各静子叶片23内设有用于对进入的气流进行扩压减速的扩压通道230，扩压通道230的进气端和排气端分别与进气环道210和排气环道220连通。实际工作时，由高压压气机10流出的高速气流首先进入进气环道210，然后再由进气环道210进入扩压通道230，经扩压通道230进一步扩压减速后流入排气环道220，最后由排气环道220流入燃烧室30。
本发明中，如图5所示，扩压通道230沿静子叶片23的长度方向延伸，且扩压通道230的截面积由其进气端至排气端的方向逐渐变大。本发明具体实施例中，扩压通道230采用管式扩压器空心通道设计的原理设计而成的空心通道。由于扩压通道230采用管式扩压器空心通道设计的原理设计而成的空心通道，而管式扩压器空心通道的设计为成熟的技术，从而可解决静子叶片23内扩压通道230结构需求与安装内筒21、安装外筒22及风扇静子20等寿命强度需求的矛盾。
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)

1.一种桨尖涡轮发动机，其特征在于，包括：
转动设置的高压压气机(10)，所述高压压气机(10)用于将沿轴向的来流空气压缩后沿其径向高速流出，所述高压压气机(10)外套装有用于对来流空气进行扩压减速后流出的风扇静子(20)，所述风扇静子(20)呈环状且固定设置，所述风扇静子(20)的外涵道处设有燃烧室(30)；
所述风扇静子(20)的进气端与所述高压压气机(10)的排气端相匹配设计，以用于使由所述高压压气机(10)流出的高速气流沿径向流入所述风扇静子(20)，所述风扇静子(20)的排气端与所述燃烧室(30)的进气端相匹配设计，以用于使由所述风扇静子(20)扩压减速后的气流流入所述燃烧室(30)。
2.根据权利要求1所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述风扇静子(20)包括套装于所述高压压气机(10)外且呈空心筒状的安装内筒(21)、套装于所述安装内筒(21)外且呈空心筒状的安装外筒(22)、连接于所述安装内筒(21)和所述安装外筒(22)之间的多片静子叶片(23)。
3.根据权利要求2所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述高压压气机(10)的排气端呈环形且由所述高压压气机(10)的排气端流出的气流沿所述高压压气机(10)的径向向外；
所述安装内筒(21)的外圆上设有内凹且呈环形的进气环道(210)，所述进气环道(210)的开口与所述高压压气机(10)排气端的排气口相匹配设计，以使由所述高压压气机(10)流出的高速气流沿径向流入所述风扇静子(20)。
4.根据权利要求3所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述进气环道(210)开口的宽度等于或大于所述高压压气机(10)排气端排气口的宽度。
5.根据权利要求3所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述安装内筒(21)包括呈空心筒状的内筒本体(211)，所述内筒本体(211)的外圆上设有外凸且呈环形的安装凸环(212)，所述进气环道(210)设于所述安装凸环(212)的外环面上。
6.根据权利要求3所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述安装外筒(22)的外圆上设有呈环形的排气环道(220)，所述排气环道(220)的开口与所述燃烧室(30)进气端的进气口相匹配设计，以使由所述风扇静子(20)流出的气流沿轴向流入所述燃烧室(30)内。
7.根据权利要求6所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述安装外筒(22)包括呈空心筒状的外筒本体(221)，所述外筒本体(221)的外圆上连接有呈环形且截面为“L”型的排气环罩(222)；
所述排气环罩(222)的短边与所述外筒本体(221)的外圆面相连，所述排气环罩(222)的长边沿所述外筒本体(221)的轴向朝所述燃烧室(30)的进气端延伸，且所述排气环罩(222)与所述外筒本体(221)外圆面之间的间隙构成所述排气环道(220)。
8.根据权利要求6所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
多片所述静子叶片(23)沿所述风扇静子(20)的周向依次间隔设置；
各所述静子叶片(23)内设有用于对进入的气流进行扩压减速的扩压通道(230)，所述扩压通道(230)的进气端和排气端分别与所述进气环道(210)和所述排气环道(220)连通。
9.根据权利要求8所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述扩压通道(230)沿所述静子叶片(23)的长度方向延伸，且所述扩压通道(230)的截面积由其进气端至排气端的方向逐渐变大。
10.根据权利要求9所述的桨尖涡轮发动机，其特征在于，
所述扩压通道(230)采用管式扩压器空心通道设计的原理设计而成的空心通道。
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