CN109854379B - 涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种涡扇发动机，属于航空涡扇发动机设计技术领域，该发动机包括第二加力燃烧室(2)，包括固定连接所述内筒后端的加力燃烧室内喷管以及位于所述加力燃烧室内喷管内的主加力腔，所述加力燃烧室内喷管上设置有通孔；第一加力燃烧室(1)，包括固定连接所述外筒后端的加力燃烧室外喷管以及位于所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间的附加力腔，所述第一加力燃烧室(1)还包括挡板，通过调节机构控制所述挡板封闭或打开所述加力燃烧室内喷管上的通孔，所述加力燃烧室外喷管的末端开口截面可调。本申请通过调节主加力腔与附加力腔的燃烧加力情况，减少了加力燃烧室的长度及重量。

Description

涡扇发动机

技术领域

本申请属于航空涡扇发动机设计技术领域，特别涉及一种超短、轻质、高效加力式概念的涡扇发动机。

背景技术

加力式涡轮风扇发动机一般指在常规发动机末端增加加力燃烧室，外涵道的空气和涡轮后的燃气一同进入加力燃烧室喷油后再次燃烧，使推力可大幅度增加，如图6所示的为传统加力式涡轮风扇发动机M88欧的结构示意图，加力式涡轮风扇发动机一般由风扇7、高压压气机5、主燃烧室4、高低压涡轮3、加力燃烧室8、喷管9等串行连接组成。一般低压涡轮出口为加力燃烧室进口，加力燃烧室出口为喷管出口。目前国际上通用的加力式涡轮风扇发动机均为以上结构形式，具有如下缺陷：

1)发动机整体长度较长；

2)发动机重量较重；

3)发动机气动损失较大；

4)高温运动机构可靠性差

5)发动机由于长度较长，造成飞机布局困难，飞机长度较长。

发明内容

本申请的目的是提供涡扇发动机，以解决上述至少一方面的问题。本申请的主要技术方案为对传统加力式涡轮风扇发动机的涡轮支板、加力、喷管等部件进行全新设计，采用现有的风扇、高压压气机、主燃烧室及高低压涡轮等结构。

本申请涡扇发动机，包括：

第二加力燃烧室，包括固定连接所述内筒后端的加力燃烧室内喷管以及位于所述加力燃烧室内喷管内的主加力腔，所述加力燃烧室内喷管上设置有通孔；

第一加力燃烧室，包括固定连接所述外筒后端的加力燃烧室外喷管以及位于所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间的附加力腔，所述第一加力燃烧室还包括挡板，通过调节机构控制所述挡板封闭或打开所述加力燃烧室内喷管上的通孔，所述加力燃烧室外喷管的末端开口截面可调；

所述第一加力燃烧室及所述第二加力燃烧室内均设置有喷油系统。

优选的是，所述加力燃烧室内喷管包括内喷管收敛段及内喷管扩张段，所述内喷管收敛段的前端连接在所述内筒后端，后端连接所述内喷管扩张段的前端，所述内喷管收敛段自前端向后端截面面积不断变小，所述内喷管扩张段自前端向后端截面面积不断变大。

优选的是，所述内喷管收敛段上沿周向设置有多个条形孔，所述挡板包括内外调节环，所述内外调节环转动设置在所述内喷管收敛段上，且在轴向的末端沿周向设置有若干条状板，所述条状板尺寸适配于所述条形孔，且位于所述涡扇发动机的同一轴向位置，所述调节机构用于控制所述内外调节环在所述内喷管收敛段上转动，以使所述条状板封闭或打开所述条形孔，以及调节所述条形孔的敞口大小，所述敞口指所述主加力腔与所述附加力腔的连通口。

优选的是，所述调节机构包括运动拉杆系统及作动筒系统，所述作动筒系统固定设置在所述外筒外壁上，其输出轴连接运动拉杆系统的一端，运动拉杆系统的另一端穿过设置在所述外筒上的通孔，伸入所述附加力腔内，并连接所述内外调节环。

优选的是，所述第二加力燃烧室的喷油系统包括设置锥体上的内喷油系统以及设置锥体上的环向凹台，通过所述凹台形成稳定燃烧的火焰。

优选的是，所述第一加力燃烧室的喷油系统包括设置所述通孔后端的外火焰稳定器及外喷油杆，所述外火焰稳定器及外喷油杆均呈环状，固定在所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间。

优选的是，所述内筒后端与所述加力燃烧室内喷管连接处通过支板固定在所述锥体上。

本申请具有如下关键技术及优点：

取消传统发动机中喷管设置在加力燃烧室后的结构布局，加力燃烧室分为两部分，一部分设置在将内筒末端，另一部分设置在外筒末端。由此，发动机长度大幅度缩短，可缩短发动机长度35％以上，以某发动机为例，其长度由4.8m,缩短至约3.1m左右。

取消传统发动机常规喷管的主调节功能，加力燃烧室内喷管为固定不可调喷管，加力燃烧室外喷管由于载荷的降低，仅通过小作动筒进行小面积变化的调节，因此，减少了运动零件数，同时在加力燃烧室内喷管的壁面开设了通风口，通风口被加力燃烧室外喷管中的内外调节环遮挡，通过小型作动机构调节内外调节环实现控制内外涵气流面积。

由于提升了加力燃油雾化能力，同时将主加力燃烧室集成至锥体内，加力燃烧室长度急剧缩短，气流从涡轮出口流出后很快就从喷管中喷出，其气动损失较小，以某发动机为例，其加力燃烧室造成的总压损失在3.5％-5％之间，而本方案中加力燃烧室损失较小。

在成本方面：传统发动机加力燃烧室和喷管零组件较多，且结构尺寸较大，因此其加工成本较大，本方案结构尺寸小、零组件数量少，成本大幅降低。

在效率方面：传统发动机加力燃烧室和喷管零组件较多，且结构尺寸较大，因此其加工效率低，本方案结构尺寸小、零组件数量少，加工效率高。在发动机推进效率方面，本发动机重量减轻、推力增大，其推重比和推进效率均有所增强。

本申请提供了一种超短、轻质、高推重比加力式涡扇发动机。解决了传统发动机质量大、长度长、推重比低、高温运动零件多等一系列技术难题，实现了发动机长度缩短、重量减轻、推重比增大等技术效果。

附图说明

图1是本申请涡扇发动机的一优选实施例的发动机构成示意图。

图2是本申请图1所示实施例的加力燃烧室结构示意图。

图3是本申请图2所示实施例的立体图。

图4是内外调节环与内喷管收敛段改变内外涵通道面积原理图。

图5是内涵燃气与外涵空气流向示意图。

图6是现有的加力式涡轮风扇发动机结构示意图。

其中，1-第一加力燃烧室，2-第二加力燃烧室，3-高低压涡轮，4-燃烧室，5-高压压气机，6-外涵道，7-风扇，8-加力燃烧室，9-喷管；

101-外调节结构，102-外火焰稳定器，103-外喷油杆，104-内外调节环，105-运动拉杆系统，106-作动筒系统；

201-内喷管扩张段，202-内喷管收敛段，203-锥体，204-内喷油系统，205-支板；

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本申请提供了一种超短、轻质、高推重比加力式涡扇发动机。解决了传统发动机质量大、长度长、推重比低、高温运动零件多等一系列技术难题，实现了发动机长度缩短、重量减轻、推重比增大等技术效果。

以下对本申请涡扇发动机的描述中，前端与后端是按空气流通方向来区分的，如图1或图6中，左侧风扇7的入风端为前端，右侧高低压涡轮3及尾喷口的排气端为后端，涡扇发动机具有中间贯通的涡扇轴，以该轴的轴向定义涡扇发动机的轴向方向。

如图1、图2及图3所示，本申请涡扇发动机，主要包括：

第二加力燃烧室2，包括固定连接所述内筒后端的加力燃烧室内喷管以及位于所述加力燃烧室内喷管内的主加力腔，所述加力燃烧室内喷管上设置有通孔；

第一加力燃烧室1，包括固定连接所述外筒后端的加力燃烧室外喷管以及位于所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间的附加力腔，所述第一加力燃烧室1还包括挡板，通过调节机构控制所述挡板封闭或打开所述加力燃烧室内喷管上的通孔，所述加力燃烧室外喷管的末端开口截面可调；

所述第一加力燃烧室1及所述第二加力燃烧室2内均设置有喷油系统。

本实施例中，加力燃烧室外喷管的末端开口截面可调采用与现有技术调节喷管9开口的方案相同，也可以设置为：所述加力燃烧室外喷管的末端设置有锥形段，所述锥形段后端沿周向分别铰接有多个弧形段，通过外调节结构101控制所述弧形段绕所述锥形段运动，以调节加力燃烧室外喷管开口截面面积。

本实施例将现有的加力燃烧室分为主加力腔与附加力腔，主加力腔连通至现有结构的内涵段，附加力腔连通现有结构的外涵段，因此，可以将加力腔作为涵道的一部分，本申请下述描述中也采用内外涵道来等效该主加力腔与附加力腔。

在一些可选实施方式中，所述加力燃烧室内喷管包括内喷管收敛段202及内喷管扩张段201，所述内喷管收敛段202的前端连接在所述内筒后端，后端连接所述内喷管扩张段201的前端，所述内喷管收敛段202自前端向后端截面面积不断变小，所述内喷管扩张段201自前端向后端截面面积不断变大。

在一些可选实施方式中，如图4所示，所述内喷管收敛段202上沿周向设置有多个条形孔，所述挡板包括内外调节环104，所述内外调节环104转动设置在所述内喷管收敛段202上，且在轴向的末端沿周向设置有若干条状板，所述条状板尺寸适配于所述条形孔，且位于所述涡扇发动机的同一轴向位置，所述调节机构用于控制所述内外调节环在所述内喷管收敛段202上转动，以使所述条状板封闭或打开所述条形孔，以及调节所述条形孔的敞口大小，所述敞口指所述主加力腔与所述附加力腔的连通口。

在一些可选实施方式中，所述调节机构包括运动拉杆系统105及作动筒系统106，所述作动筒系统106固定设置在所述外筒外壁上，其输出轴连接运动拉杆系统105的一端，运动拉杆系统105的另一端穿过设置在所述外筒上的通孔，伸入所述附加力腔内，并连接所述内外调节环104。

在一些可选实施方式中，所述第二加力燃烧室2的喷油系统包括设置锥体上的内喷油系统204以及设置锥体上的环向凹台，通过所述凹台形成稳定燃烧的火焰，如图3所示，内喷油系统204的喷油杆沿涡扇发动机的轴向向后端延伸及喷油，并在喷油口对应的位置间隔一定距离设置有阻挡面，形成凹台，以提供稳定燃烧的火焰。

在一些可选实施方式中，所述第一加力燃烧室1的喷油系统包括设置所述通孔后端的外火焰稳定器102及外喷油杆103，所述外火焰稳定器102及外喷油杆103均呈环状，固定在所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间，如图3所示，沿轴向方向，外喷油杆103相比于外火焰稳定器102更靠近前端，外喷油杆103向后喷油，并通过后方的外火焰稳定器102稳定火焰。

在一些可选实施方式中，所述内筒后端与所述加力燃烧室内喷管连接处通过支板205固定在所述锥体203上。

本申请涡扇发动机的工作原理如下：

将第二加力燃烧室2的喉道面积设置为发动机所有工作状态中的最小面积A8，内外调节环104和内喷管收敛段202，形成内外环交错层迭的封闭和开合通道，通过作动筒系统106、运动拉杆系统105推动内外调节环104沿发动机轴向旋转，从而形成面积可调节的发动机内涵燃气可调节变量面积通道。

当发动机处于中间工作状态时，其主要排气口由第一加力燃烧室1、第二加力燃烧室2的截面面积A9决定，内外调节环104控制内外涵的混合流量。当发动机处于加力燃烧状态或大喷口状态时，外调节结构101通过调节机构控制可调节，调整至最大喷口状态，内外调节环104与内喷管收敛段202的调节通道处于完全打开状态，实现发动机排气面积的调节。

当发动机处于加力燃烧时，锥体上的内喷油系统204喷出燃油，利用锥体的凹台形成火焰稳定燃烧，从而形成内涵燃气的加力燃烧；外喷油杆103喷出燃油，利用外火焰稳定器102形成火焰稳燃烧，外调节结构101通过调节机构控制可调节，调整至最大喷口状态，从而实现发动机全加力燃烧能力的实现。

该新型超短、轻质、高推重比加力式涡扇发动机由于采用了第一加力燃烧室1、第二加力燃烧室2的设计，其轴向长度可大幅缩短，以某国产大推力加力式涡扇发动机为例，其长度可以由4.8m，降低至3.1m左右。长度缩短的同时发动机重量也大幅度降低了。在非加力状态，由于发动机长度缩短了，同时燃气从低压涡轮出口流出后无需经过传统加力燃烧室的大幅减速扩压，也取消了混合器，对稳定器结构形式进行了大幅度的改善，因此其非加力状态推力增强；在加力状态，通过改变喷油嘴系统使燃油雾化更充分，因此，需要加力燃烧室的长度更短，发动机的加力状态推力更大。内涵燃气(黑实线箭头)与外涵空气(虚实线箭头)流向见图5所示，内涵高温可通过内外调节环104的开闭，控制流入外涵的流量，外涵的空气，通过喷管扩张段201、内喷管收敛段202的冷却斜孔，从外涵流向内涵，冷却喷管扩张段201、内喷管收敛段202的壁面温度。

推力的增加和发动机重量的降低使该发动机的推重比可以比传统同类级别的发动机提升38％以上。

该发动机具有以下特点：

1)该发动机整体长度较同级别发动机长度缩短35％以上；

2)该发动机整体重量较同级别发动机减轻25％以上；

3)该发动机气动损失较同级别发动机减少3.5％以上；

4)该发动机推重比较同级别发动机提升38％以上。

5)减少高温运动零件70％以上，大大提升了高温部件的可靠性。

6)该发动机长度大幅缩短，飞机布局容易，可飞翼布局，飞机长度大幅缩短，对未来飞机设计有着颠覆性的贡献。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.涡扇发动机，包括锥体、内筒、外筒以及自前向后依次串联的风扇(7)、高压压气机(5)、燃烧室(4)、高低压涡轮(3)，所述高压压气机(5)、燃烧室(4)及高低压涡轮(3)设置在锥体与内筒之间的内涵道内，所述内筒与所述外筒形成外涵道(6)，其特征在于，所述涡扇发动机还包括：

第二加力燃烧室(2)，包括固定连接所述内筒后端的加力燃烧室内喷管以及位于所述加力燃烧室内喷管内的主加力腔，所述加力燃烧室内喷管上设置有通孔；

第一加力燃烧室(1)，包括固定连接所述外筒后端的加力燃烧室外喷管以及位于所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间的附加力腔，所述第一加力燃烧室(1)还包括挡板，通过调节机构控制所述挡板封闭或打开所述加力燃烧室内喷管上的通孔，所述加力燃烧室外喷管的末端开口截面可调；

所述第一加力燃烧室(1)及所述第二加力燃烧室(2)内均设置有喷油系统。

2.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述加力燃烧室内喷管包括内喷管收敛段(202)及内喷管扩张段(201)，所述内喷管收敛段(202)的前端连接在所述内筒后端，后端连接所述内喷管扩张段(201)的前端，所述内喷管收敛段(202)自前端向后端截面面积不断变小，所述内喷管扩张段(201)自前端向后端截面面积不断变大。

3.根据权利要求2所述的涡扇发动机，其特征在于，所述内喷管收敛段(202)上沿周向设置有多个条形孔，所述挡板包括内外调节环(104)，所述内外调节环(104)转动设置在所述内喷管收敛段(202)上，且在轴向的末端沿周向设置有若干条状板，所述条状板尺寸适配于所述条形孔，且位于所述涡扇发动机的同一轴向位置，所述调节机构用于控制所述内外调节环在所述内喷管收敛段(202)上转动，以使所述条状板封闭或打开所述条形孔，以及调节所述条形孔的敞口大小，所述敞口指所述主加力腔与所述附加力腔的连通口。

4.根据权利要求3所述的涡扇发动机，其特征在于，所述调节机构包括运动拉杆系统(105)及作动筒系统(106)，所述作动筒系统(106)固定设置在所述外筒外壁上，其输出轴连接运动拉杆系统(105)的一端，运动拉杆系统(105)的另一端穿过设置在所述外筒上的通孔，伸入所述附加力腔内，并连接所述内外调节环(104)。

5.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述第二加力燃烧室(2)的喷油系统包括设置锥体上的内喷油系统(204)以及设置锥体上的环向凹台，通过所述凹台形成稳定燃烧的火焰。

6.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述第一加力燃烧室(1)的喷油系统包括设置所述通孔后端的外火焰稳定器(102)及外喷油杆(103)，所述外火焰稳定器(102)及外喷油杆(103)均呈环状，固定在所述加力燃烧室外喷管与所述加力燃烧室内喷管之间。

7.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述内筒后端与所述加力燃烧室内喷管连接处通过支板(205)固定在所述锥体(203)上。

Images