CN112049823B - 一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统，包含套筒和离心压气机。本发明利用风扇主轴上的微小型离心压气机将径向间隙的气流从箍环、风扇叶片、轮毂抽出来，增压后排进增压级后的主流流道中。吸走的间隙气流能够将热量带走，从而避免机匣与高速运动的箍环之间间隙的气流摩擦热积聚而形成高温。

Description

一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统
技术领域
本发明涉及航空发动机设计领域，尤其是涡轮风扇发动机中的风扇/压气机系统，具体涉及一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统。
背景技术
对于民用客机和运输机而言，往往使用大涵道比的涡扇发动机。但是对于风扇而言，叶片长度的增加会带来强度的下降，所以在保证重量的不大幅增加的前提下，保证风扇的强度是设计者需要考虑的问题。此外，在涡扇发动机的运行过程中，在叶尖发生失速是对风扇造成重大威胁的因素之一，这会使得风扇叶片发生振动，容易使叶片折断。
叶尖失速的一个重要原因就是叶尖泄漏流的影响。由于叶片与发动机机匣存在相对运动，因此需要叶片在叶尖处留有一定的间隙，而气体在叶片两侧的压力差驱动下会翻过叶片，从而产生了叶尖泄漏流。叶尖泄漏是诱发叶尖附近失速的重要原因。
对于涡扇发动机中的风扇叶片强度和叶尖泄漏这两个问题，研究人员想出了使用箍环将整个风扇叶排连接起来的方法。使用箍环可以阻止气体翻过叶尖间隙，并且能增加叶片的强度，减少共振。但使用箍环风扇也带来了一些问题，例如鼓风热。中国开展箍环风扇的研究非常早，在1994年，中国燃气涡轮研究院开展了带箍环的高性能风扇研究，设计出的箍环风扇性能超过了美国当时的预研风扇指标。
在风扇叶排使用箍环后，风扇叶尖与机匣的间隙变为箍环与机匣之间的间隙，在风扇高速旋转过程中，由于壁面处的气体的速度与壁面相同，箍环表面的气体随着箍环一起高速运动，机匣表面的气体与机匣一起保持静止，而且箍环与机匣的间隙十分小，所以气体之间的相对运动会产生大量的热量，即鼓风热。在航空发动机中，为了减轻发动机的重量，机匣大量使用复合材料。因此，在箍环与机匣的缝隙处由于鼓风热堆积大量热量时，机匣处的复合材料会融化甚至燃烧，从而造成发动机事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统，所述箍环风扇包括主轴、轮毂、若干风扇叶片和箍环，所述轮毂固定在主轴上；所述若干风扇叶片周向均匀的设置在所述轮毂和箍环之间，风扇叶片的根部和轮毂密闭固连、尖部和箍环内侧密闭固连；所述箍环和发动机的机匣之间留有空隙；
所述涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统还包含套筒和离心压气机；
所述风扇叶片内设有贯穿其根部和尖部的通道；
所述轮毂呈空心状，其内设有空腔，且轮毂上设有用于用于和各个风扇叶片根部通道相联通的通孔；
所述箍环为空心环状结构，其面对机匣的一侧周向均匀设有若干通孔，使得箍环与机匣之间的间隙和箍环内部的空腔相联通、气体能够从箍环与机匣间隙流入箍环空腔；所述箍环上还设有用于和各个风扇叶片尖部通道相联通的通孔；
所述离心压气机固定在发动机中、和主轴同轴，离心压气机的输出口和发动机增压级后的管道相联通；
所述套筒套在所述主轴外、和主轴同轴，套筒一端和所述轮毂密闭固定相连、另一端和所述离心压气机的输入口通过轴承转动相连，且所述轮毂上周向设有若干用于与套筒和主轴形成的通道相联通的通孔；
所述离心压气机用于利用离心力将箍环与机匣径向间隙的气流依次通过箍环、风扇叶片的通道、轮毂抽出后加压排入发动机增压级后的管道，以降低箍环与机匣间隙处的温度。
作为本发明一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统进一步的优化方案，所述套筒和离心压气机的输入口之间的轴承外设有封严篦齿进一步密封。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明与现有的箍环风扇相比，其显著优点在于与主轴连接的微小型离心压气机可以直接由主轴驱动从而使气体在离心力的作用下甩入发动机的增压级之后，且经过微小型离心压气机的增压后的气体的能量不会被浪费。与此同时，热量也随着箍环与机匣的间隙内的气体流动而被带走，从而起到冷却的作用。同时，空心的箍环、风扇叶片也会带来重量的下降。
附图说明
图1是箍环风扇的冷却系统示意图。
图中，1-离心压气机，2-发动机增压级，3-风扇叶片，4-箍环与机匣之间的间隙，5-箍环，6-主轴，7-套筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
针对带箍风扇箍环与机匣之间径向间隙鼓风热影响发动机安全问题，本发明提出一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统，包含套筒和离心压气机；
箍环风扇包括主轴、轮毂、若干风扇叶片和箍环，所述轮毂固定在主轴上；所述若干风扇叶片周向均匀的设置在所述轮毂和箍环之间，风扇叶片的根部和轮毂密闭固连、尖部和箍环内侧密闭固连；所述箍环和发动机的机匣之间留有空隙；
所述风扇叶片内设有贯穿其根部和尖部的通道；
所述轮毂呈空心状，其内设有空腔，且轮毂上设有用于用于和各个风扇叶片根部通道相联通的通孔；
所述箍环为空心环状结构，其面对机匣的一侧周向均匀设有若干通孔，使得箍环与机匣之间的间隙和箍环内部的空腔相联通、气体能够从箍环与机匣间隙流入箍环空腔；所述箍环上还设有用于和各个风扇叶片尖部通道相联通的通孔；
所述离心压气机固定在发动机中、和主轴同轴，离心压气机的输出口和发动机增压级后的管道相联通；
所述套筒套在所述主轴外、和主轴同轴，套筒一端和所述轮毂密闭固定相连、另一端和所述离心压气机的输入口通过轴承转动相连，且所述轮毂上周向设有若干用于与套筒和主轴形成的通道相联通的通孔；
所述离心压气机用于利用离心力将箍环与机匣径向间隙的气流依次通过箍环、风扇叶片的通道、轮毂抽出后加压排入发动机增压级后的管道，以降低箍环与机匣间隙处的温度。
所述离心压气机机匣一端与发动机增压级后的主流通道内环壁相连，通过在发动机增压级后的主流通道内环壁开的缝隙或者通孔将气体喷出；另一端与离心压气机入口处的套筒通过轴承和封严篦齿连接和密封。
如图1所示，首先，在微小型离心压气机的作用下，气体从箍环与机匣间隙内通过空心箍环外侧的开孔吸入空心箍环后流入空心风扇叶片内，然后，气体由风扇叶片内的通道流入轮毂内的空腔，接着，气体再由轮毂内的空腔流入套筒和主轴之间的空腔，进而进入微小型离心压气机内，最后，气体在随驱动轴一起转动的微小型离心压气机工作叶轮的离心作用下排入发动机增压级之后。在此过程中，热量随着气体流动而带走，进而降低箍环与机匣间隙处的温度。
本发明利用风扇主轴上的微小型离心压气机将径向间隙的气流从箍环、风扇叶片、轮毂抽出来，增压后排进增压级后的主流流道中。吸走的间隙气流能够将热量带走，从而避免机匣与高速运动的箍环之间间隙的气流摩擦热积聚而形成高温。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统，所述箍环风扇包括主轴、轮毂、若干风扇叶片和箍环，所述轮毂固定在主轴上；所述若干风扇叶片周向均匀的设置在所述轮毂和箍环之间，风扇叶片的根部和轮毂密闭固连、尖部和箍环内侧密闭固连；所述箍环和发动机的机匣之间留有空隙；
其特征在于，涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统还包含套筒和离心压气机；
所述风扇叶片内设有贯穿其根部和尖部的通道；
所述轮毂呈空心状，其内设有空腔，且轮毂上设有用于和各个风扇叶片根部通道相联通的通孔；
所述箍环为空心环状结构，其面对机匣的一侧周向均匀设有若干通孔，使得箍环与机匣之间的间隙和箍环内部的空腔相联通、气体能够从箍环与机匣之间的间隙流入箍环空腔；所述箍环上还设有用于和各个风扇叶片尖部通道相联通的通孔；
所述离心压气机固定在发动机中、和主轴同轴，离心压气机的输出口与发动机增压级后的主流通道相联通，
所述套筒套在所述主轴外、和主轴同轴，套筒一端和所述轮毂密闭固定相连、另一端和所述离心压气机的输入口通过轴承转动相连，且所述轮毂上周向设有若干用于和套筒与主轴形成的通道相联通的通孔；
所述离心压气机用于利用离心力将箍环与机匣之间间隙的气流依次通过箍环、风扇叶片中空通道、轮毂抽出后加压排入发动机增压级后的管道，以降低箍环与机匣之间间隙处的温度。
2.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机箍环风扇冷却系统，其特征在于，所述套筒和离心压气机的输入口之间的轴承外设有封严篦齿进一步密封。
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