CN112901341B - 涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涡轮发动机，包括沿轴向依次布置的低压压气机、高压压气机、燃烧室和高压涡轮，涡轮发动机还包括连接在高压压气机的转子和高压涡轮的转子之间的转轴，涡轮发动机还包括至少一个冷却系统，冷却系统包括设置在转轴的外壁面和燃烧室靠近转轴的外壁面之间的腔室内的第一换热器，第一换热器具有用于通过第一流动介质的第一流道和用于通过第二流动介质以对第一流道内的第一流动介质进行冷却的第二流道，第一换热器的第一流道的两端分别与高压压气机和高压涡轮连通，以使高压压气机输出的高压气体经过第一换热器流至高压涡轮对高压涡轮进行冷却，第一换热器的第二流道的进口端与低压压气机连通或与涡轮发动机的外涵道连通。

Description

涡轮发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种涡轮发动机。
背景技术
发明人已知的涡轮发动机，例如涡扇发动机的结构如图1所示，包括风扇1、低压压气机2、高压压气机3、高压涡轮4、低压涡轮5、燃烧室7、由核心机的外机匣和外涵道9的内机匣围成的核心舱8、连接高压压气机转子和高压涡轮转子之间的转轴14。图1中压气机由两级压气机形成，对应的涡轮也包括两级涡轮，现有技术中还存在多级压气机，例如三级压气机，低压压气机2包括第一低压压气机和第二低压压气机(又称中压压气机)，对应的涡轮也包括三级，包括高压涡轮4、第一低压涡轮和第二低压涡轮。现代航空涡扇发动机不断追求高推重比、低耗油率以及高可靠性，提高涡轮前燃气温度、增加压气机压缩比以及对涡轮进行冷却等方式是实现该目标的有效方法。为了满足高压涡轮4所用冷气压力的需要，一般需要设置引气通道从高压压气机3引出高压气体来对高压涡轮进行冷却，如图1所示，引出的高压气体从A1端流出，经过转轴14的外壁面和燃烧室7靠近转轴14的外壁面之间的腔室6，流至A2端以进入高压涡轮4对其进行冷却。不断提高的压缩比导致高压压气机输出的高压气体的气体温度不断增加，降低了冷却效果，影响了发动机性能的提升。为了降低对高压涡轮4进行冷却的高压气体的温度、减少从高压压气机3的引气量，需要换热装置对高压压气机3输出的高压气体进行预冷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机的高压涡轮的冷却效果好。
本发明公开一种涡轮发动机，包括沿轴向依次布置的低压压气机、高压压气机、燃烧室和高压涡轮，所述涡轮发动机还包括连接在所述高压压气机的转子和所述高压涡轮的转子之间的转轴，所述涡轮发动机还包括至少一个冷却系统，所述冷却系统包括设置在所述转轴的外壁面和所述燃烧室靠近所述转轴的外壁面之间的腔室内的第一换热器，所述第一换热器具有用于通过第一流动介质的第一流道和用于通过第二流动介质以对所述第一流道内的第一流动介质进行冷却的第二流道，所述第一换热器的第一流道的两端分别与所述高压压气机和所述高压涡轮连通，以使所述高压压气机输出的高压气体经过所述第一换热器流至所述高压涡轮对所述高压涡轮进行冷却，所述第一换热器的第二流道的进口端与所述低压压气机连通或与所述涡轮发动机的外涵道连通。
在一些实施例中，所述第二流道的进口端与所述涡轮发动机的外涵道连通以使所述外涵道内的空气进入所述第二流道，所述第二流道的出口端与所述外涵道的排气端连通以使流过所述第二流道的空气排出所述涡轮发动机。
在一些实施例中，所述涡轮发动机还包括连通在所述高压压气机和所述燃烧室之间的扩压器和支撑在所述扩压器内的扩压器支板，所述扩压器支板设有中空的通道，所述冷却系统还包括连通所述第二流道的进口端与所述外涵道的第一供气管和连通所述第二流道的出口端与所述外涵道的排气端的第一排气管，所述第一供气管和/或所述第一排气管穿过所述扩压器支板的中空的通道。
在一些实施例中，所述涡轮发动机还包括设于其外涵道和内涵道之间的核心舱和向所述燃烧室提供燃油的供油管道，所述供油管道包括第一管道和位于所述燃油流动方向下游的用于向所述燃烧室内输送燃油的第二管道，所述冷却系统还包括设于所述核心舱内的第二换热器，所述第二换热器具有用于通过第三流动介质的第三流道和用于通过第四流动介质以对所述第三流道内的第三流动介质进行冷却的第四流道；所述第二流道的进口端与所述低压压气机连通以使所述低压压气机输出的压缩空气进入所述第二流道，所述第二流道的出口端与所述第三流道的进口端连通，所述第三流道的出口端与所述外涵道的排气端连通以使流过所述第三流道的压缩空气排出所述涡轮发动机，所述第四流道的进口端与所述第一管道的出口端连通，所述第四流道的出口端与所述第二管道的进口端连通。
在一些实施例中，所述涡轮发动机还包括连通在所述高压压气机和所述燃烧室之间的扩压器和支撑在所述扩压器内的扩压器支板，所述扩压器支板设有中空的通道，所述冷却系统还包括连通所述第二流道的进口端与所述低压压气机的第二供气管和连通所述第二流道的出口端与所述第三流道的进口端的第二排气管，所述第二供气管和/或所述第二排气管穿过所述扩压器支板的中空的通道。
在一些实施例中，所述涡轮发动机包括多个冷却系统，所述多个冷却系统的多个第一换热器围绕所述转轴的周向均匀布置。
在一些实施例中，所述第一换热器为管壳式换热器。
基于本发明提供的涡轮发动机，通过设置第一换热器，利用从低压压气机或者从外涵道的引气在第一换热器内对用于对高压涡轮冷却的高压压气机的引出的高压气体进行冷却，可以有效降低从高压压气机的引气的温度，从而可以提高高压压气机引气对高压涡轮的冷却效果。同时，将第一换热器设置在转轴的外壁面和燃烧室靠近转轴的外壁面之间的腔室内，正好位于高压压气机输出的高压气体的向高压涡轮冷却时的引气通道内，高压气体经过第一换热器换热后再对高压涡轮进行冷却的流动路径较短，高压气体沿程损失小，可以减少引气压力的大小。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为现有技术的涡轮发动机的结构原理示意图；
图2为本发明实施例的涡轮发动机的结构原理示意图；
图3为图2所示的涡轮发动机的部分结构示意图；
图4为本发明另一实施例的涡轮发动机的结构原理示意图；
图5为图4所示的涡轮发动机的部分结构示意图；
图6为图4所示的涡轮发动机的另一角度的部分结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
如图2至图6所示，本实施例的涡轮发动机包括沿轴向依次布置的低压压气机2、高压压气机3、燃烧室7和高压涡轮4，涡轮发动机还包括连接在高压压气机3的转子和高压涡轮4的转子之间的转轴14。
涡轮发动机还包括至少一个冷却系统，冷却系统用于对高压涡轮进行冷却，冷却系统包括设置在转轴14的外壁面和燃烧室7靠近转轴14的外壁面之间的腔室6内的第一换热器11。第一换热器11具有第一流道和第二流道，第一流道用于通过第一流动介质，第二流道用于通过第二流动介质以对第一流道内的第一流动介质进行冷却。第一换热器11的第一流道的两端分别与高压压气机3和高压涡轮4连通，以使高压压气机3输出的高压气体经过第一换热器11流至高压涡轮4对高压涡轮4进行冷却，如图2和图4所示，高压压气机从A1端输出高压气体，经过第一流道，流至A2端对高压涡轮进行冷却。第一换热器11可以如图2至图6所示，位于从高压压气机3向高压涡轮4引气的引气通道内，将第一流道的两端设置较大开口，高压压气机3输出的高压气体在引气通道内流动时直接经过第一流道。在图示未示出的实施例中，第一流道的两端也可以设置引气管和输气管分别与高压压气机3和高压涡轮4连通。第一换热器11的第二流道的进口端与低压压气机2连通或与涡轮发动机的外涵道9连通。从而可以利用低压压气机2(如背景技术部分所述的低压压气机2可以包括第一低压压气机和第二低压压气机)输出的压缩气体充当第二流动介质对经过第一流道的高压气体进行预冷。或者在如图2所示的涡轮发动机为涡扇发动机时，涡扇发动机还包括风扇1和外涵道9，还可以利用外涵道9中的空气充当第二流动介质，对经过第一流道的高压气体进行预冷。
本实施例的涡轮发动机，通过设置第一换热器11，利用从低压压气机2或者从外涵道9的引气在第一换热器11内对用于对高压涡轮4冷却的高压压气机3的引出的高压气体进行冷却，可以有效降低从高压压气机3的引气的温度，从而可以提高高压压气机3引气对高压涡轮4的冷却效果。同时，将第一换热器11设置在转轴14的外壁面和燃烧室7靠近转轴14的外壁面之间的腔室6内，高压压气机3输出的高压气体的经过第一换热器11预冷后再对高压涡轮4进行冷却的流动路径较短，高压气体沿程损失小，可以更高效地利用高压气体来对高压涡轮进行冷却。
在一些实施例中，如图2和图3所示，第二流道的进口端与涡轮发动机的外涵道9连通以使外涵道9内的空气进入第二流道，第二流道的出口端与外涵道9的排气端连通以使流过第二流道的空气排出涡轮发动机。
在一些实施例中，涡轮发动机还包括连通在高压压气机3和燃烧室7之间的扩压器和支撑在扩压器内的扩压器支板13，扩压器用于对高压压气机3输出的高压气体进行扩压后再送入燃烧室7中，扩压器支板13支撑在扩压器沿涡轮发动机的内壁之间，对扩压器进行支撑，扩压器支板13设有中空的通道，冷却系统还包括连通第二流道的进口端与外涵道9的第一供气管201和连通第二流道的出口端与外涵道9的排气端的第一排气管202，第一供气管201和/或第一排气管202穿过扩压器支板13的中空的通道。涡轮发动机包括设于其外涵道9和内涵道之间的核心舱8，核心舱8由外涵道9的内机匣和核心机(包括高压压气机3、燃烧室7和高压涡轮4)的外机匣围成，第一供气管201可以如图所示从外涵道9的B1端引入空气，穿过核心舱8，经过扩压器支板13的中空的通道与第一换热器11的第二流道的进口端连接，第一排气管202可以如图所示从第二流道的出口端引出空气，经过扩压器支板13的中空的通道，穿过核心舱8到达外涵道9的B2端，排出空气。本实施例通过将扩压器支板13设置中空的通道，第一供气管201和/或第一排气管202从扩压器支板13的中空通道内穿过，可以减少对扩压器流道的影响，减少对扩压器的扩压效果，同时，也有助于缩短第一供气管201和/或第一排气管202的管道长度，从而减少第二流道进气和排气的流动损失，提高第一换热器11的换热效果。
在一些实施例中，如图3、图4和图5所示，涡轮发动机还包括设于其外涵道9和内涵道之间的核心舱8和向燃烧室7提供燃油的供油管道，供油管道包括第一管道304和位于燃油流动方向下游的用于向燃烧室7内输送燃油的第二管道305，冷却系统还包括设于核心舱8内的第二换热器12，第二换热器12具有第三流道和第四流道，第三流道用于通过第三流动介质，第四流道用于通过第四流动介质以对第三流道内的第三流动介质进行冷却；第一换热器11的第二流道的进口端与低压压气机2连通以使低压压气机2输出的压缩空气进入第二流道，第二流道的出口端与第三流道的进口端连通，第三流道的出口端与外涵道9的排气端连通以使流过第三流道的压缩空气排出涡轮发动机，第四流道的进口端与第一管道304的出口端连通，第四流道的出口端与第二管道305的进口端连通，从而燃油可以从D1端进入第一管道304，经过第二换热器12的预热后，经过第二管道305排入燃烧室7中。本实施例利用低压压气机2输出的压缩气体进入第一换热器11的第二流道充当第二流动介质对高压压气机3输出的高压气体进行预冷，然后进入第二换热器12的第三流道充当第三流动介质，对进入第二换热器12的燃油进行预热，从而可以提高燃油燃烧效率，减少涡轮发动机对燃油的消耗，有效利用对高压压气机3输出的高压气体进行预冷时所回收的热量，同时，还有助于避免过高温度对燃油进行预热时产生的燃油结焦现象，使燃油获得合适的预热温度。另外，利用低压压气机2的压缩空气流来对高压气体进行预冷和对燃油预热后排出的外涵道9的排气端，压缩空气的压力能够满足这一较长的流动路程，同时在排出到排气端时，仍具有较高的压力，能够对涡轮发动机产生推力，能产生类似于提高涵道比的效果，提高涡轮发动机的动力性。
在一些实施例中，涡轮发动机还包括连通在高压压气机3和燃烧室7之间的扩压器和支撑在扩压器内的扩压器支板13，扩压器支板13设有中空的通道，冷却系统还包括连通第二流道的进口端与低压压气机2的第二供气管301和连通第二流道的出口端与第三流道的进口端的第二排气管302，第二供气管301和/或第二排气管302穿过扩压器支板13的中空的通道。第二供气管301可以如图所示从低压压气机的C1端引入空气，穿过核心舱8，经过扩压器支板13的中空的通道与第一换热器11的第二流道的进口端连接，第二排气管302可以如图所示从第二流道的出口端引出空气，经过扩压器支板13的中空的通道，到达第二换热器的第三流道的进口端，然后经过第二换热器12对燃油进行预热后经过第三排气管303，从外涵道9的C2端将压缩空气排出。本实施例通过将扩压器支板13设置中空的通道，第二供气管301和/或第二排气管302从扩压器支板13的中空通道内穿过，可以减少对扩压器流道的影响，减少对扩压器的扩压效果，同时，也有助于缩短第二供气管301和/或第二排气管302的管道长度，从而减少第二流道进气和排气的流动损失，提高第一换热器11和第二换热器12的换热效果。
在一些实施例中，涡轮发动机包括多个冷却系统，多个冷却系统的多个第一换热器11围绕转轴的周向均匀布置。腔室6可以为围绕转轴14设置的环腔结构，多个第一换热器11围绕转轴的周向均匀布置，可以提高对高压涡轮冷却时的均匀性。
在一些实施例中，第一换热器11和/或第二换热器12为管壳式换热器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种涡轮发动机，包括沿轴向依次布置的低压压气机(2)、高压压气机(3)、燃烧室(7)和高压涡轮(4)，所述涡轮发动机还包括连接在所述高压压气机(3)的转子和所述高压涡轮(4)的转子之间的转轴(14)，其特征在于，所述涡轮发动机还包括至少一个冷却系统，所述冷却系统包括设置在所述转轴(14)的外壁面和所述燃烧室(7)靠近所述转轴(14)的外壁面之间的腔室(6)内的第一换热器(11)，所述第一换热器(11)具有用于通过第一流动介质的第一流道和用于通过第二流动介质以对所述第一流道内的第一流动介质进行冷却的第二流道，所述第一换热器(11)的第一流道的两端分别与所述高压压气机(3)和所述高压涡轮(4)连通，以使所述高压压气机(3)输出的高压气体经过所述第一换热器(11)流至所述高压涡轮(4)对所述高压涡轮(4)进行冷却，所述第一换热器(11)的第二流道的进口端与所述低压压气机(2)连通或与所述涡轮发动机的外涵道(9)连通；所述涡轮发动机还包括设于其外涵道(9)和内涵道之间的核心舱(8)和向所述燃烧室(7)提供燃油的供油管道，所述供油管道包括第一管道(304)和位于所述燃油流动方向下游的用于向所述燃烧室(7)内输送燃油的第二管道(305)，所述冷却系统还包括设于所述核心舱(8)内的第二换热器(12)，所述第二换热器(12)具有用于通过第三流动介质的第三流道和用于通过第四流动介质以对所述第三流道内的第三流动介质进行冷却的第四流道；所述第二流道的进口端与所述低压压气机(2)连通以使所述低压压气机(2)输出的压缩空气进入所述第二流道，所述第二流道的出口端与所述第三流道的进口端连通，所述第三流道的出口端与所述外涵道(9)的排气端连通以使流过所述第三流道的压缩空气排出所述涡轮发动机，所述第四流道的进口端与所述第一管道(304)的出口端连通，所述第四流道的出口端与所述第二管道(305)的进口端连通。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机还包括连通在所述高压压气机(3)和所述燃烧室(7)之间的扩压器和支撑在所述扩压器内的扩压器支板(13)，所述扩压器支板(13)设有中空的通道，所述冷却系统还包括连通所述第二流道的进口端与所述低压压气机(2)的第二供气管(301)和连通所述第二流道的出口端与所述第三流道的进口端的第二排气管(302)，所述第二供气管(301)和/或所述第二排气管(302)穿过所述扩压器支板(13)的中空的通道。
3.如权利要求1至2任一所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括多个冷却系统，所述多个冷却系统的多个第一换热器(11)围绕所述转轴(14)的周向均匀布置。
4.如权利要求1至2任一所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一换热器(11)为管壳式换热器。
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