CN109854410B - 一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统，系统包括核心机驱动风扇、压气机转子和前轴颈，核心机驱动风扇沿气流流向具有逐渐收缩的锥形CDFS后鼓筒、压气机转子沿气流流向具有逐渐升高的锥形压气机前鼓筒，CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒及前轴颈通过紧固件连接于一点以构成Y字形结构，其中通过调节CDFS后鼓筒的角度、CDFS后鼓筒与压气机前鼓筒的夹角以及紧固件的装配位置以消除级间盘。本申请的核心机驱动风扇与压气机转子系统在保证现有变循环发动机CDFS与压气机转子系统功能的基础上，在不增加多余结构件的情况下，解决CDFS转子与压气机转子之间应力高、变形大的问题。

Description

一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统

技术领域

本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统。

背景技术

安装变循环发动机的飞机具有灵活机动、长航时低油耗以及超音速巡航等优点，因此变循环发动机将成为未来发动机的主流。如图1和图2所示的常规循环发动机及变循环发动机示意图，两者均具有内涵道41和外涵道42，风扇11通过低压鼓筒轴13与低压涡轮12连接，压气机21通过高压鼓筒轴23与高压涡轮22连接，在压气机21和高压涡轮22之间有燃烧室31。而区分常规循环发动机和变循环发动机则主要看位于风扇11与压气机21之间是否具有核心机驱动风扇51(核心机驱动风扇简称CDFS，Core Driven Fan Stage)。

CDFS转子与压气机转子相连接，以保证CDFS转子与压气机转子具有相同的转速。因CDFS与压气机之间设计有用于控制涵道比(即循环模式)变化的涵道引射器52，故拉长了CDFS转子与压气机转子之间的轴向距离，这样就加大了CDFS转子与压气机转子之间的连接鼓筒的长度。在变循环发动机工作状态下，CDFS与压气机转子的物理转速很高(12000～16000r/min)。大直径的长鼓筒(轴)在高速旋转时，其应力和变形都很大，严重的影响了发动机的安全性。

如图3所示，为了解决CDFS与压气机之间的鼓筒(轴)高应力、大变形的问题，现有技术中，通过在CDFS转子与压气机转子之间增加了用于控制鼓筒应力、变形的级间盘或兼顾有封严CDFS与压气机之间燃气的轴向泄漏的级间盘62(或篦齿盘)。因此，现有的变循环发动机的CDFS与压气机转子系统由CDFS转子511、前轴颈61、级间盘62(或篦齿盘)、压气机转子211以及紧固件63等组成。

然而，现有的变循环发动机CDFS与压气机转子系统具有以下缺点：

1)通过增加级间盘62(篦齿盘)来控制CDFS转子511与压气机转子211之间的鼓筒的应力和变形，并未从根本上解决鼓筒高应力、大变形的问题；

2)有级间盘62(或篦齿盘)的设计给整个发动机带来了额外的重量增加；

3)如图4所示，CDFS转子511、前轴颈61、级间盘62(或篦齿盘)以及压气机转子211的连接位置，通过一组螺栓固定四个零件，存在三处止口Z1～Z3，这种结构形式存在止口的叠加设计，极大的影响了转子系统的稳定性；

4)紧固件63安装位置较深不利于装配操作性，当装配扳手与螺栓(螺母)轴线不垂直时，会产生较大的拧紧力矩误差；

5)级间盘62(或篦齿盘)的增加，增加了材料及加工成本。

发明内容

本申请的目的是提供了一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统，以解决上述任一问题。

本申请的技术方案是：一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统，所述系统包括核心机驱动风扇、压气机转子和前轴颈，所述核心机驱动风扇沿气流流向具有逐渐收缩的锥形CDFS后鼓筒、所述压气机转子沿气流流向具有逐渐升高的锥形压气机前鼓筒，所述CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒及前轴颈通过紧固件连接于一点以构成Y字形结构，其中通过调节所述CDFS后鼓筒的角度、CDFS后鼓筒与压气机前鼓筒的夹角以及紧固件的装配位置以消除级间盘。

在本申请中，所述CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒分别以止口形式安装于前轴颈安装边的两侧。

在本申请中，所述前轴颈安装边外径具有篦齿结构，用于实现篦齿盘的封严功能。

在本申请中，所述前轴颈具有与所述压气机前鼓筒共线的轴颈。

本申请的核心机驱动风扇与压气机转子系统在保证现有变循环发动机CDFS与压气机转子系统功能的基础上，在不增加多余结构件的情况下，解决CDFS转子与压气机转子之间应力高、变形大的问题，通过避免转子安装边叠加设计、良好的传力路径设计、渐变刚度的设计，大幅提升CDFS与压气机转子系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为常规循环发动机示意图。

图2为变循环发动机示意图。

图3为核心机与压气机连接示意图。

图4为核心机转子、压气机转子、前轴径和级间盘连接示意图。

图5为本申请的核心机与压气机连接示意图。

图6为本申请的核心机转子、压气机转子和前轴径连接示意图。

图7为本申请的核心机转子、压气机转子和前轴径连接角度示意图。

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。

本申请的目的是提供一种变循环发动机的CDFS与压气机转子系统，在不增加结构件的基础上，解决现有技术中CDFS与压气机转子系统在强度、变形、结构稳定性、装配性、减重以及经济成本等方面的问题。

由于现有技术中CDFS与压气机转子之间的级间盘(篦齿盘)主要作用是用于控制鼓筒的应力、变形，并且可以通过篦齿进行燃气的轴向封严。如果鼓筒的应力、变形值得到控制，便可以取消级间盘(篦齿盘)的。与此同时，可通过在前轴颈上增加篦齿已实现燃气的轴向封严。

鼓筒作为连接CDFS转子盘以及压气机转子盘的关键结构，主要起到传递CDFS与压气机转子之间的扭矩和轴向力的作用。为了保证鼓筒能够安全高效的将扭矩和轴向力传递给CDFS及压气机转子盘，需提高鼓筒与转子盘的连接位置。连接位置的鼓筒径向高度虽然有所提高，但转子盘对连接处的鼓筒具有边界效应，可以很好的降低鼓筒在连接位置附近应力。

鼓筒、前轴颈以及其连接位置径向高度的连续变化可以提高其传力效果，并可以提升转子系统的振动特性。

为此，在本申请中CDFS与压气机转子系统的结构形式如图5所示，系统主要包括：核心机驱动风扇100、前轴颈200、紧固件300和压气机转子400。其中，核心机驱动风扇包括CDFS转子盘101、CDFS后鼓筒102和CDFS转子后安装边103。前轴颈200包括篦齿201、安装边202和轴颈203。压气机转子400包括压气机前鼓筒401、压气机转子前安装边402和压气机转子其余部分403。

本申请中，CDFS转子后鼓筒102沿气流流向呈斜锥形由高到低逐渐收缩至CDFS转子后安装边103，压气机前鼓筒401由压气机前安装边402起始，沿气流流向呈由低到高逐步提升的斜锥形。CDFS转子后安装边103与压气机前安装边402在较小半径位置处由紧固件300(螺栓、螺母)连接于前轴颈安装边202两侧，CDFS转子后安装边103、压气机前安装边401以及前轴200颈三者呈“y”字形连接结构。通过调节所述CDFS后鼓筒的角度、CDFS后鼓筒与压气机前鼓筒的夹角以及紧固件的装配位置以消除级间盘(篦齿盘)。

与现有CDFS与压气机转子系统相比，本申请的核心机驱动风扇与压气机转子系统没有了级间盘(篦齿盘)。为了保证燃气的轴向密封，在前轴颈安装边径向外端面设有篦齿结构，很好的取代了篦齿盘的封严燃气泄漏的功能。

本申请的CDFS与压气机转子系统通过调整鼓筒的径向高度从根本上解决了鼓筒应力、变形过大的问题，因此本申请的核心机驱动风扇与压气机转子系统无需设计级间盘(篦齿盘)。级间盘(篦齿盘)的取消可以达到发动机减重以及节约材料加工成本的效果。

如图6所示，在本申请中，CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒分别以止口形式安装于前轴颈安装边的两侧，因此，本申请中的CDFS与压气机转子系统的连接方式将现有技术中的三个止口叠加设计改为两个止口单独定位的设计，大大提高了转子系统的稳定性。较低的紧固件300的装配位置也提高了本申请的转子系统的装配性和螺栓拧紧力矩的精度控制。

如图7所示，在本申请中，为保证前轴颈200与压气机400之间的传力路径良好，将前轴颈的轴颈203与压气机的前鼓筒401设计成共线(或基本共线)。CDFS与压气机转子的轴向距离是不可变化的，因此可通过控制紧固件的安装位置高度H、CDFS后鼓筒与压气机前鼓筒之间的夹角a以及CDFS转子后鼓筒角度a1，来实现降低鼓筒应力、变形值进而达到消除级间盘(篦齿盘)的目的。

本申请的转子系统与现有技术相比，主要具有如下优点：

1)通过CDFS与压气机转子之间鼓筒的渐变半径设计，降低了鼓筒的平均半径进而从根本上降低了鼓筒在工作时的应力和变形；

2)通过调节CDFS转子后鼓筒角度、CDFS转子后鼓筒与压气机转子前鼓筒之间夹角以及紧固件装配位置以达到去除级间盘(或篦齿盘)的目的，从而相比现有带级间盘(篦齿盘)的CDFS与压气机转子系统实现了减重的效果；

3)在CDFS与压气机转子连接处只存在三个零件，避免了安装边的叠加设计，进而提高了转子系统的稳定性；

4)降低了紧固件的装配半径，提高了CDFS与压气机转子装配性和螺母拧紧力矩的精度；

5)在保证现有变循环发动机CDFS与压气机转子系统功能的基础上，没有级间盘(或篦齿盘)等多余结构件，故较现有方案降低了材料及加工成本。

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 (4)

1.一种变循环发动机的核心机驱动风扇与压气机转子系统，其特征在于，所述系统包括核心机驱动风扇、压气机转子和前轴颈，所述核心机驱动风扇沿气流流向具有逐渐收缩的锥形CDFS后鼓筒、所述压气机转子沿气流流向具有逐渐升高的锥形压气机前鼓筒，所述CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒及前轴颈通过紧固件连接于一点以构成Y字形结构，其中通过调节所述CDFS后鼓筒的角度、CDFS后鼓筒与压气机前鼓筒的夹角以及紧固件的装配位置以消除级间盘。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CDFS后鼓筒、压气机前鼓筒分别以止口形式安装于前轴颈安装边的两侧。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述前轴颈安装边外径具有篦齿结构，用于实现篦齿盘的封严功能。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前轴颈具有与所述压气机前鼓筒共线的轴颈。

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