CN113123866A - 外涵引气系统和涡扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种外涵引气系统和涡扇发动机。其中，外涵引气系统包括：外涵引气通道，用于对外涵气流进行引气；增压附件，用于将外涵引气通道引入的气体进行增压；以及引气分配机构，用于将增压附件增压后的气体引流至待引气部件。由于外涵气体温度较低，增压附件增压后的舱外气体通过引气分配机构引流至待引气部件，满足待引气部件的引气需求，无需布置额外的换热器，简化了引气结构设置。

Description

外涵引气系统和涡扇发动机
技术领域
本公开涉及航空发动机领域，尤其涉及一种外涵引气系统和涡扇发动机。
背景技术
目前广泛应用的大涵道比涡扇发动机一般具有内外两个涵道，内涵道气流将依次经过对气流初步压缩的风扇、进一步压缩的增压级和高压压气机以及对其进行加热的燃烧室，然后形成的高温高压气流依次驱动高低压涡轮，以及让气流高速喷出的内涵喷管；外涵气流经过风扇外涵的压缩作用，最终从外涵喷管流出，产生相应的推力。
现代大涵道比涡扇发动机的经济性优化需要发动机在设计时采用较高的增压比、较大的涵道比和较高的涡轮进口温度来实现。对于涡扇发动机而言，提高涡轮进口燃气温度能够改善发动机性能，如增大发动机推力，提高发动机的效率和发动机的推重比。根据计算，涡轮进口燃气温度每提高55℃，在发动机尺寸不变的情况下，发动机推力可提高约10％，可见，提高涡轮进口燃气温度有很高的实用价值，然而，受高温、高压和高速的环境所限，目前先进航空涡扇发动机的涡轮进口燃气温度已经达到1800K～2050K，超出了耐高温叶片材料可承受的极限温度，因此必须采用有效的冷却方式来降低涡轮叶片的壁面温度。
为了提高涡轮进口温度，通用的做法是提高材料的耐热性，发展高性能耐热合金，制造单晶叶片以及采用更先进的冷却技术，以少量的冷却空气获得更高的降温效果。目前通用的涡轮冷却方案是从压气机中间级和压气机末级引气，通过外部管路引入高、低压涡轮及涡轮级间机匣，从而实现高低压涡轮的冷却以及相应的封严。随着大涵道比航空发动机的发展，压气机压比不断提高，压气机中间级和末级的温度不断提高，传统从高压压气机中间级和末级引气的方式需增加换热器以满足涡轮冷却需求，同时压气机还承担飞机引气、防冰引气、轴承腔封严引气等功能，增加了压气机的设计难度，也导致外部管路的布置较为复杂。
发明内容
经发明人研究发现，相关技术中存在压气机引气温度过高从而不满足引气需求的问题。
有鉴于此，本公开实施例提供一种外涵引气系统和涡扇发动机，能够满足待引气部件的引气需求。
在本公开的一个方面，提供一种外涵引气系统，包括：
外涵引气通道，用于对外涵气流进行引气；
增压附件，用于将外涵引气通道引入的气体进行增压；以及
引气分配机构，用于将增压附件增压后的气体引流至待引气部件。
在一些实施例中，引气分配机构包括控制阀门、多个并联的引气分配管路以及与引气分配管路配合的引气座，引气分配管路的引气流量和引气压力均可调。
在一些实施例中，引气分配机构设有涡轮冷却引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至涡轮。
在一些实施例中，涡轮冷却引气流路包括：高压涡轮冷却引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至高压涡轮处；和低压涡轮冷却引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至低压涡轮外机匣上的冷却管路。
在一些实施例中，引气分配机构设有分流环防冰引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至分流环。
在一些实施例中，引气分配机构设有进气道防冰引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至进气道。
在一些实施例中，引气分配机构设有轴承腔封严引气流路，用于将增压附件增压后的气体引流至风扇增压级的轴承腔处。
在本公开的一个方面，提供一种涡扇发动机，包括前述的外涵引气系统。
在一些实施例中，还包括核心机舱，核心机舱形成有外涵引气通道，增压附件和引气分配机构均设置在核心机舱内。
在一些实施例中，还包括高压转子，增压附件由高压转子驱动。
在一些实施例中，还包括：径向传动杆、中心伞齿轮以及附件机匣，径向传动杆通过中心伞齿轮与高压转子传动连接，径向传动杆与附件机匣传动连接，附件机匣用于提取功率带动增压附件工作。
因此，根据本公开实施例，通过设置外涵引气通道、增压附件以及引气分配机构，由于外涵气体温度较低，增压附件增压后的舱外气体通过引气分配机构引流至待引气部件，满足待引气部件的引气需求，无需布置额外的换热器，简化了引气结构设置。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是根据本公开涡扇发动机的一些实施例的剖面结构示意图。
附图标记说明
1、风扇；2、轴承腔；3、低压压气机；4、径向传动杆；5、机匣；6、增压附件；7、引气分配机构；8、核心机舱；9、机匣支板；10、低压转子；11、高压压气机；12、燃烧室；13、高压涡轮；14、低压涡轮；15、尾椎；16、高压转子；17、附件机匣；18、外涵引气通道；19、分流环防冰引气流路；20、进气道防冰引气流路；21、轴承腔封严引气流路；22、高压涡轮冷却引气流路；23、低压涡轮冷却引气流路；24、引流管；25、中心伞齿轮。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：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、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
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，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，为根据本公开涡扇发动机的一些实施例的剖面结构示意图。参考图1，在一些实施例中，本公开外涵引气系统包括：外涵引气通道18、增压附件6、引气分配机构7以及引流管24，其中，外涵引气通道18用于对外涵气流进行引气，增压附件6用于将外涵引气通道18引入的气体进行增压，增压附件6通过引流管24将增压的气体输送至引气分配机构7，引气分配机构7用于将增压附件6增压后的气体引流至涡扇发动机内部的待引气部件。
由于外涵气体温度较低，增压附件6增压后的外涵气体通过引气分配机构7引流至待引气部件，满足待引气部件的引气需求，相较于压气机内涵引气的方式，无需布置额外的换热器，简化了引气结构设置，减小压气机的结构复杂度，保证外部管路的布置空间。
对于如何实现引气分配机构7的分配引气，在一些实施例中，引气分配机构7包括控制阀门、多个并联的引气分配管路以及与引气分配管路配合的引气座，引气分配管路的引气流量和引气压力均可调，通过控制阀门和不同引气分配管路的流通面积实现各个引气流路的流量及压力的控制可调，从而满足不同流路的气体压力和流量需求。
待引气部件可以是核心机的涡轮，在一些实施例中，多个并联的引气分配管路中形成有涡轮冷却引气流路，引气分配机构7设有涡轮冷却引气流路，用于将增压附件6增压后的气体引流至核心机的涡轮，实现对涡轮冷却和封严。具体在一些实施例中，如图1所示，涡轮冷却引气流路包括：高压涡轮冷却引气流路22和低压涡轮冷却引气流路23，高压涡轮冷却引气流路22用于将增压附件6增压后的气体引流至核心机的高压涡轮处，实现对高压涡轮冷却流路和叶尖间隙控制流路的布置；低压涡轮冷却引气流路23用于将增压附件6增压后的气体引流至核心机的低压涡轮外机匣上的冷却管路，从而实现对低压涡轮外机匣的冷却，同时通过冲击涡轮外机匣实现对涡轮叶尖间隙的控制。
本公开外涵引气系统除了能够对待引气部件进行引气冷却外，还可以实现防冰引气，在一些实施例中，待引气部件为分流环，多个并联的引气分配管路中形成有分流环防冰引气流路，如图1所示，引气分配机构7设有分流环防冰引气流路19，用于将增压附件6增压后的气体引流至核心机的分流环，实现对分流环防冰引气流路的布置。
在一些实施例中，多个并联的引气分配管路中形成有进气道防冰引气流路，如图1所示，引气分配机构7设有进气道防冰引气流路20，用于将增压附件6增压后的气体引流至进气道，实现对进气道的引气流路布置。
本公开外涵引气系统除了能够对待引气部件进行防冰引气外，还可以实现封严引气，在一些实施例中，待引气部件为风扇增压级的轴承腔，多个并联的引气分配管路中形成有轴承腔封严引气流路21，如图1所示，引气分配机构7设有轴承腔封严引气流路21，用于将增压附件6增压后的气体引流至风扇增压级的轴承腔2处，增压气体从引气分配机构7引出后，经由中介机匣内支板以及相应的管路布置，到达风扇增压级的轴承腔2处，从而实现对轴承腔封严引气流路的布置。
本公开外涵引气系统利用增压部件对引入的外涵气体进行增压，增压气体通过引气分配机构分别进入高低压涡轮、轴承腔、集气腔、分流环、进气道、飞机等位置，从而实现涡轮冷却、轴承腔封严、主动间隙控制、引气防冰、飞机引气等功能，可以在简化外部管路布置的同时，实现对多种引气流路的集成布置。
上述本公开外涵引气系统的各实施例可被应用到涡扇发动机。相应的，本公开提供了一种涡扇发动机，其包括前面任一外涵引气系统的实施例。如图1所示，在一些实施例中，涡扇发动机包括风扇1、低压压气机3、机匣5、核心机舱8、机匣支板9、低压转子10、高压压气机11、燃烧室12、高压涡轮13、低压涡轮14、尾椎15以及高压转子16，机匣5通过机匣支板9安装在核心机舱8外，在发动机运行过程中，空气经由风扇1和分流环，分为两部分气体，一部分气体进入内涵，另一部分气体进入外涵。进入内涵的气体经由低压压气机3和高压压气机11增压后，进入燃烧室12；经过燃烧室12的加温后，高温高压的气体对高压涡轮13和低压涡轮14做功带动高压转子16和低压转子10，并经由尾椎15喷出。而进入外涵的气体在经过外涵导流叶片后，一部分经由外涵引气通道18进入增压附件6中，增压附件6中的增压器根据不同流路压力需求给这部分空气进行加压，并通过引气分配机构7实现各种引气流路的布局，包括涡轮冷却流路、轴承腔封严引气流路、叶尖间隙控制流路、防冰引气和飞机引气流路等。
参考图1，在一些实施例中，核心机舱8形成有外涵引气通道18，即外涵引气通道18的进气口位于核心机舱8的外壁上，增压附件6和引气分配机构7均设置在核心机舱8内，这样利于空间结构的合理布置，减少占用空间。在另一些实施例中，外涵引气通道形成于机匣5上，同样可以对外涵气流进行引气。
在一些实施例中，如图1所示，增压附件6由核心机的高压转子16驱动，无需设置额外的驱动部件。对于高压转子16如何将动力传递给增压附件6，在一些实施例中，如图1所示，核心机还包括：径向传动杆4、中心伞齿轮25以及附件机匣17，径向传动杆4通过中心伞齿轮25与高压转子16传动连接，径向传动杆4与附件机匣17传动连接，附件机匣17用于提取功率带动增压附件6工作。径向传动杆4通过附件机匣17中的转接齿轮箱TGB将功率传递给附件机匣17中的附件齿轮箱AGB，增压附件6与附件齿轮箱AGB通过传动轴相连，通过附件齿轮箱AGB提取功率带动增压附件6工作，从而满足待引气部件冷却流路的气体压力需求。
本公开采用外涵引气，实现了对涡轮冷却和封严，具有以下有益结果：
外涵引气可以通过设置增压附件和引气分配机构实现对高低压涡轮的冷却需求；
引入设置增压附件和引气分配机构，可以减小压气机的结构复杂度，保证外部管路布置的空间；
基于增压附件和引气分配机构，增压气体通过引气分配机构分别进入高低压涡轮、轴承腔、集气腔、分流环、进气道、飞机等位置，从而实现涡轮冷却、轴承腔封严、主动间隙控制、引气防冰、飞机引气等功能，可以在简化外部管路布置的同时，实现对多种引气流路的集成布置；
外涵引气的气体温度较低，通过引气分配机构冷却高低压涡轮时，无需布置额外的换热器，简化了高低压涡轮冷却方案设计。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种外涵引气系统，其特征在于，包括：
外涵引气通道(18)，用于对外涵气流进行引气；
增压附件(6)，用于将所述外涵引气通道(18)引入的气体进行增压；以及
引气分配机构(7)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至待引气部件。
2.根据权利要求1所述的外涵引气系统，其特征在于，所述引气分配机构(7)包括控制阀门、多个并联的引气分配管路以及与所述引气分配管路配合的引气座，所述引气分配管路的引气流量和引气压力均可调。
3.根据权利要求1所述的外涵引气系统，其特征在于，所述引气分配机构(7)设有涡轮冷却引气流路，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至涡轮。
4.根据权利要求3所述的外涵引气系统，其特征在于，所述涡轮冷却引气流路包括：高压涡轮冷却引气流路(22)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至高压涡轮(13)处；和低压涡轮冷却引气流路(23)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至低压涡轮(14)外机匣上的冷却管路。
5.根据权利要求1所述的外涵引气系统，其特征在于，所述引气分配机构(7)设有分流环防冰引气流路(19)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至分流环。
6.根据权利要求1所述的外涵引气系统，其特征在于，所述引气分配机构(7)设有进气道防冰引气流路(20)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至进气道。
7.根据权利要求1所述的外涵引气系统，其特征在于，所述引气分配机构(7)设有轴承腔封严引气流路(21)，用于将所述增压附件(6)增压后的气体引流至风扇增压级的轴承腔(2)处。
8.一种涡扇发动机，其特征在于，包括权利要求1～7任一所述的外涵引气系统。
9.根据权利要求8所述的涡扇发动机，其特征在于，还包括核心机舱(8)，所述核心机舱(8)形成有所述外涵引气通道(18)，所述增压附件(6)和所述引气分配机构(7)均设置在所述核心机舱(8)内。
10.根据权利要求8所述的涡扇发动机，其特征在于，还包括高压转子(16)，所述增压附件(6)由所述高压转子(16)驱动。
11.根据权利要求10所述的涡扇发动机，其特征在于，还包括：径向传动杆(4)、中心伞齿轮(25)以及附件机匣(17)，所述径向传动杆(4)通过所述中心伞齿轮(25)与所述高压转子(16)传动连接，所述径向传动杆(4)与所述附件机匣(17)传动连接，所述附件机匣(17)用于提取功率带动所述增压附件(6)工作。
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