CN113123871B - 一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机 - Google Patents

一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，以常规桨扇发动机为原型，取消原有的齿轮箱、动力涡轮，引入导流器、前级喷气桨扇和后级涡轮桨扇，利用导流器将燃气发生器产生的燃气导入前级喷气桨扇，通过前级喷气桨扇的收扩喷管喷出的射流，驱动前级喷气桨扇旋转工作，同时利用收扩喷管喷出的射流驱动后级涡轮桨扇外圈的叶尖涡轮，带动后级涡轮桨扇旋转工作。本发明具有结构简单，重量轻，没有动力涡轮和桨扇转速的协调问题，并且从根本上解决了颤振等问题。

Description

一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机。
背景技术
与当代大涵道比涡扇发动机相比，以双排对转桨扇为特征的桨扇发动机，由于可采用超大涵道比提高推进效率，能使单位燃油消耗率阶跃式地降低25％～30％。其在节油减碳方面的巨大潜力非常令人鼓舞，引起了世界航空发动机和飞机行业的高度关注与重视。
桨扇发动机既可以近似看作带有先进高速螺旋桨的涡桨发动机，又可近似看作除去外涵道的涡扇发动机。桨扇发动机实质上是介于传统涡桨和涡扇之间的一种新概念发动机，带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，双排对转，外围无罩，能在较高的飞行速度下保持较高的推进效率，其有效涵道比高达25～60。桨扇发动机集涡桨发动机的低耗油率和涡扇发动机的高飞行速度于一身，是新一代商用飞机及军用运输机实现节能低碳目标极具吸引力的备选动力。
当然，桨扇发动机在成为商业可行的产品投入航线使用之前，还有安装、成本、适航取证等一系列问题需要解决，但从其巨大的节油减碳能力来看，可以认为，桨扇发动机最有希望成为未来的绿色航空动力，且首先可应用于新一代单通道干线客机上。
目前，在桨扇发动机的桨扇驱动方式上，可划分为齿轮传动和直接驱动两类。利用减速齿轮箱驱动桨扇旋转的，称为齿轮传动类桨扇发动机；利用动力涡轮直接驱动桨扇旋转的，称为直接驱动类桨扇发动机。这两种驱动方式都在一定程度上推动了桨扇发动机的发展，但都存在一定的不足：(1)采用齿轮传动，在燃油消耗和噪声等方面与直接驱动相比都有优势。但其齿轮传动结构的机械磨损严重，耐久性差；功率传输靠齿轮箱与桨扇之间的轴完成，要传输更高的功率，则轴的直径就要增大，这样会大大增加重量，从而限制功率传输；齿轮传动的冷却和可靠性是个极大的挑战。(2)采用直接驱动，动力涡轮和桨扇转速相同，则动力涡轮和桨扇转速需要协调，不能选择各自最佳转速，因而效率比齿轮传动低；桨扇叶片设计转速更高，产生的噪声比齿轮传动浆扇大；因为桨扇直径远远大于涡轮直径，为输出足够的轴功，其动力涡轮级数较多，发动机轴向长度大，重量也大；昂贵的动力涡轮叶片比齿轮传动浆扇多1/2，成本更高；大尺寸多级动力涡轮面临着复杂的密封问题。
因为上述两种桨扇发动机桨扇驱动方式的不足和结构的复杂性，需要一种新型桨扇驱动结构解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中直接驱动桨扇与动力涡轮转速不匹配的问题、以及齿轮传动桨扇的发动机结构的复杂性等问题，提供一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，没有复杂的多级动力涡轮和笨重的齿轮箱，结构简单紧凑，能够大大降低发动机重量，减少发动机轴向长度，提高桨扇部件效率，以增加推力、降低耗油率，提高发动机经济性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，包含机匣、燃气发生器、导流器、前级喷气桨扇和后级涡轮桨扇；
所述机匣包含燃气部和桨扇部，其中，所述燃气发生器设置在机匣燃气部内，用于产生燃气从机匣燃气部后端排出；所述机匣桨扇部和燃气部同轴设置，桨扇部前端和燃气部后端留有空隙；
所述导流器包含导流板和若干固定板，其中，所述导流板为环状的内凹弧面板，其横截面均为圆环状且横截面的直径由前端到后端逐渐变大；所述导流板设置在燃气部、桨扇部之间，导流板的后端和桨扇部前端的内壁密闭固连；所述若干固定板周向均匀设置在导流板和燃气部之间，均一端和导流板前端外壁固连、另一端和燃气部内壁固连，且固定板均平行于机匣轴线；
所述前级喷气桨扇包含前级桨扇轮毂、集气环、以及若干前级桨扇叶片；
所述前级桨扇轮毂为两端开口的空心圆柱体；所述集气环为中空环体；所述集气环套在前级桨扇轮毂外，和前级桨扇轮毂同轴；
所述前级桨扇叶片为根部、尾部均开口且内部中空的叶片；所述若干前级桨扇叶片周向均匀设在前级桨扇轮毂、集气环之间，其根部均和前级桨扇轮毂外壁固连、尾部均和集气环内壁固连；
所述前级桨扇轮毂外壁、集气环内壁在和前级桨扇叶片的连接处均开口，使得集气环内的腔体通过各个前级桨扇叶片联通至前级桨扇轮毂内；
所述前级桨扇轮毂前端的内壁通过轴承和机匣燃气部后端的外壁同轴相连，前级桨扇轮毂后端的内壁通过轴承和机匣桨扇部前端的外壁同轴相连，且前级桨扇轮毂和机匣燃气部、前级桨扇轮毂和桨扇部之间均设有蓖齿封严；所述集气环在其后端面上周向均匀设有若干收扩喷管；
所述导流器用于使得燃气发生器产生的燃气由轴向转变为径向，在前级桨扇轮毂内经由各个前级桨扇叶片流至集气环内形成高压气体；所述收扩喷管用于将集气环内的高压气体喷出形成射流，产生周向反推力驱动前级桨扇轮毂旋转工作，进而为发动机提供推力；
所述后级涡轮桨扇包含后级桨扇轮毂、若干后级桨扇叶片、涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片，其中，所述后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环均呈环状且内径逐渐增大，后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环由内至外依次同轴设置；所述若干后级桨扇叶片周向均匀设置在后级桨扇轮毂、涡轮轮毂之间，其根部均和后级桨扇轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮轮毂的内壁固连；所述若干涡轮叶片周向均匀设置在涡轮轮毂、涡轮箍环之间，其根部均和涡轮轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮箍环的内壁固连；所述涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片形成后级涡轮桨扇的叶尖涡轮；
所述后级桨扇轮毂的内壁通过轴承和所述机匣桨扇部的外壁同轴相连，叶尖涡轮正对着集气环上的各个收扩喷管，使得各个收扩喷管喷出的射流推动叶尖涡轮进而带动后级涡轮桨扇反向旋转工作，为发动机提供推力。
作为本发明一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机进一步的优化方案，所述集气环采用流线型替代，包含依次首尾相连的内壁、后端面和外壁，后端面垂直于内壁，外壁为外凸的弧面。
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：
1、与齿轮传动的桨扇发动机相比，本发明消除了沉重的齿动传动系统，具有结构简单，重量轻等特点；
2、与直接驱动的桨扇发动机相比，本发明消除了复杂的多级动力涡轮，结构简单，轴向长度小，重量轻，且没有动力涡轮和桨扇转速的协调问题，有利于提高桨扇效率；
3、本发明的前级喷气桨扇能够适用于任何高涵道比桨扇叶型，相比于直接在桨扇叶片内部添加喷管利用射流驱动桨扇来说，不用考虑桨扇叶片数量以及叶片厚度的限制；
4、本发明的前级喷气桨扇和后级涡轮桨扇能够对叶片进行限幅、调频和减振，有效的减少桨扇叶片在工作状态产生的弯曲应力、振动应力和扭转应力，减轻了叶片本身的重量，从根本上解决了颤振等问题。
附图说明
图1为本发明的剖视示意图；
图2为本发明前级喷气桨扇的正面结构示意图；
图3为本发明前级喷气桨扇的背面结构示意图；
图4为本发明所述后级涡轮桨扇的结构示意图；
图5为本发明中导流器、前级喷气桨扇、后级涡轮桨扇相配合的结构示意图。
图中，1-前级喷气桨扇，2-后级涡轮桨扇，3-导流器的导流板，4-燃气发生器的低压转子转轴，5-燃气发生器的高压转子转轴，6-燃气发生器的低压压气机，7-燃气发生器的高压压气机，8-燃气发生器的燃烧室，9-燃气发生器的高压涡轮，10-燃气发生器的低压涡轮，11-导流器的固定板，12-前级桨扇叶片，13-前级桨扇轮毂，14-收扩喷管，15-集气环，16-后级桨扇轮毂，17-涡轮轮毂，18-涡轮箍环，19-后级桨扇叶片，20-涡轮叶片。
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。
如图1所示，本发明公开了一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，包含机匣、燃气发生器、导流器、前级喷气桨扇和后级涡轮桨扇。
所述机匣包含燃气部和桨扇部，其中，所述燃气发生器设置在机匣燃气部内，用于产生燃气从机匣燃气部后端排出；所述机匣桨扇部和燃气部同轴设置，桨扇部前端和燃气部后端留有空隙。
如图1所示，本发明的燃气发生器与常规桨扇发动机相同，由低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮组成；空气进入低压压气机、高压压气机，气流压力会得到进一步提升，随后高压气流进入燃烧室，产生的高温燃气先后经过高压涡轮、低压涡轮膨胀做功，之后从低压涡轮出口流出。
如图1所示，所述导流器包含导流板和若干固定板，其中，所述导流板为环状的内凹弧面板，其横截面均为圆环状且横截面的直径由前端到后端逐渐变大；所述导流板设置在燃气部、桨扇部之间，导流板的后端和桨扇部前端的内壁密闭固连；所述若干固定板周向均匀设置在导流板和燃气部之间，均一端和导流板前端外壁固连、另一端和燃气部内壁固连，且固定板均平行于机匣轴线。
如图2、图3所示，所述前级喷气桨扇包含前级桨扇轮毂、集气环、以及若干前级桨扇叶片；
所述前级桨扇轮毂为两端开口的空心圆柱体；所述集气环为中空环体；所述集气环套在前级桨扇轮毂外，和前级桨扇轮毂同轴；
所述前级桨扇叶片为根部、尾部均开口且内部中空的叶片；所述若干前级桨扇叶片周向均匀设在前级桨扇轮毂、集气环之间，其根部均和前级桨扇轮毂外壁固连、尾部均和集气环内壁固连；
所述前级桨扇轮毂外壁、集气环内壁在和前级桨扇叶片的连接处均开口，使得集气环内的腔体通过各个前级桨扇叶片联通至前级桨扇轮毂内；
所述前级桨扇轮毂前端的内壁通过轴承和机匣燃气部后端的外壁同轴相连，前级桨扇轮毂后端的内壁通过轴承和机匣桨扇部前端的外壁同轴相连，且前级桨扇轮毂和机匣燃气部、前级桨扇轮毂和桨扇部之间均设有蓖齿封严；所述集气环在其后端面上周向均匀设有若干收扩喷管。
如图5所示，所述导流器用于使得燃气发生器产生的燃气由轴向转变为径向，在前级桨扇轮毂内经由各个前级桨扇叶片流至集气环内形成高压气体；所述收扩喷管用于将集气环内的高压气体喷出形成射流，产生周向反推力驱动前级桨扇轮毂旋转工作，进而为发动机提供推力。
如图4所示，所述后级涡轮桨扇包含后级桨扇轮毂、若干后级桨扇叶片、涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片，其中，所述后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环均呈环状且内径逐渐增大，后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环由内至外依次同轴设置；所述若干后级桨扇叶片周向均匀设置在后级桨扇轮毂、涡轮轮毂之间，其根部均和后级桨扇轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮轮毂的内壁固连；所述若干涡轮叶片周向均匀设置在涡轮轮毂、涡轮箍环之间，其根部均和涡轮轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮箍环的内壁固连；所述涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片形成后级涡轮桨扇的叶尖涡轮；
所述后级桨扇轮毂的内壁通过轴承和所述机匣桨扇部的外壁同轴相连，叶尖涡轮正对着集气环上的各个收扩喷管的射流方向，使得各个收扩喷管喷出的射流推动叶尖涡轮进而带动后级涡轮桨扇反向旋转工作，为发动机提供推力，如图5所示。
后级涡轮桨扇能够改变由前级喷气桨扇旋转所带来的周向涡流，使其扭转到沿着轴线方向流动，从而减少能量损失，提高总推力和推进效率。
所述集气环优先采用流线型，包含依次首尾相连的内壁、后端面和外壁，后端面垂直于内壁，外壁为外凸的弧面。其截面形状如图2所示，一方面能够使得高压气流流入喷管时偏转平缓，损失小于环形集气环；另一方面使得集气环外表面与流体的实际接触面积要比环形结构的要小，和流体由于摩擦作用产生的阻力扭矩也就相对较小。最后，在桨扇实际运转过程中，采用流线型的迎风面积要比采用环形结构的迎风面积小。
对于收扩喷管射流原理而言，反推力与推力大小相等、方向相反，其计算公式可表示为
Figure GDA0003462507680000051
其中F表示收扩喷管推力，F’表示反推力，
Figure GDA0003462507680000052
表示收扩喷管出口射流的质量流量，V表示收扩喷管出口射流的质量流量，P表示收扩喷管出口处静压，P∞表示收扩喷管出口外界背压，A表示收扩喷管出口截面面积。
收扩喷管射流方向与桨扇中心转轴线存在一定夹角α，则与桨扇旋转方向相反方向的反推力大小U可表示为
Figure GDA0003462507680000061
那么周向反推力U所产生的总动力扭矩N大小为
Figure GDA0003462507680000062
其中R表示表示收扩喷管出口射流点所在桨扇径向半径的大小，n表示集气环内分布的收扩喷管的个数。
前级喷气桨扇旋转时的阻力扭矩分为内阻力扭矩和外阻力扭矩，后级涡轮桨扇的转子的阻力扭矩为外阻力扭矩，内阻力扭矩来自内管路壁面所受到的气流阻力扭矩，外阻力扭矩来自外部空气对转子的阻力。随着转速增加，内阻力扭矩和外阻力扭矩都增大。当总阻力扭矩增加到与总动力扭矩相平衡时，即可稳定工作。
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)

1.一种带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，包含机匣和燃气发生器，其特征在于，还包含导流器、前级喷气桨扇和后级涡轮桨扇；
所述机匣包含燃气部和桨扇部，其中，所述燃气发生器设置在机匣燃气部内，用于产生燃气从机匣燃气部后端排出；所述机匣桨扇部和燃气部同轴设置，桨扇部前端和燃气部后端留有空隙；
所述导流器包含导流板和若干固定板，其中，所述导流板为环状的内凹弧面板，其横截面均为圆环状且横截面的直径由前端到后端逐渐变大；所述导流板设置在燃气部、桨扇部之间，导流板的后端和桨扇部前端的内壁密闭固连；所述若干固定板周向均匀设置在导流板和燃气部之间，均一端和导流板前端外壁固连、另一端和燃气部内壁固连，且固定板均平行于机匣轴线；
所述前级喷气桨扇包含前级桨扇轮毂、集气环、以及若干前级桨扇叶片；
所述前级桨扇轮毂为两端开口的空心圆柱体；所述集气环为中空环体；所述集气环套在前级桨扇轮毂外，和前级桨扇轮毂同轴；
所述前级桨扇叶片为根部、尾部均开口且内部中空的叶片；所述若干前级桨扇叶片周向均匀设在前级桨扇轮毂、集气环之间，其根部均和前级桨扇轮毂外壁固连、尾部均和集气环内壁固连；
所述前级桨扇轮毂外壁、集气环内壁在和前级桨扇叶片的连接处均开口，使得集气环内的腔体通过各个前级桨扇叶片联通至前级桨扇轮毂内；
所述前级桨扇轮毂前端的内壁通过轴承和机匣燃气部后端的外壁同轴相连，前级桨扇轮毂后端的内壁通过轴承和机匣桨扇部前端的外壁同轴相连，且前级桨扇轮毂和机匣燃气部、前级桨扇轮毂和桨扇部之间均设有蓖齿封严；所述集气环在其后端面上周向均匀设有若干收扩喷管；
所述导流器用于使得燃气发生器产生的燃气由轴向转变为径向，在前级桨扇轮毂内经由各个前级桨扇叶片流至集气环内形成高压气体；所述收扩喷管用于将集气环内的高压气体喷出形成射流，产生周向反推力驱动前级桨扇轮毂旋转工作，进而为发动机提供推力；
所述后级涡轮桨扇包含后级桨扇轮毂、若干后级桨扇叶片、涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片，其中，所述后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环均呈环状且内径逐渐增大，后级桨扇轮毂、涡轮轮毂、涡轮箍环由内至外依次同轴设置；所述若干后级桨扇叶片周向均匀设置在后级桨扇轮毂、涡轮轮毂之间，其根部均和后级桨扇轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮轮毂的内壁固连；所述若干涡轮叶片周向均匀设置在涡轮轮毂、涡轮箍环之间，其根部均和涡轮轮毂的外壁固连、尾部均和涡轮箍环的内壁固连；所述涡轮轮毂、涡轮箍环、以及若干涡轮叶片形成后级涡轮桨扇的叶尖涡轮；
所述后级桨扇轮毂的内壁通过轴承和所述机匣桨扇部的外壁同轴相连，叶尖涡轮正对着集气环上的各个收扩喷管，使得各个收扩喷管喷出的射流推动叶尖涡轮进而带动后级涡轮桨扇反向旋转工作，为发动机提供推力。
2.根据权利要求1所述的带箍喷气自驱动和叶尖涡轮驱动的对转桨扇发动机，其特征在于，所述集气环采用流线型替代，包含依次首尾相连的内壁、后端面和外壁，后端面垂直于内壁，外壁为外凸的弧面。
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