CN113217226B

CN113217226B - 桨扇涡轮一体式发动机

Info

Publication number: CN113217226B
Application number: CN202110612709.7A
Authority: CN
Inventors: 宋友富; 曾飞; 杨杰; 甘明瑜; 屈彬
Original assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Current assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2041-06-02
Also published as: CN113217226A

Abstract

本发明公开了一种桨扇涡轮一体式发动机，包括：压气机、桨扇、增速箱、燃烧室、及涡轮，压气机、桨扇、及增速箱沿气流流动方向依次排布，且桨扇通过增速箱带动压气机；燃烧室套设于压气机外，且与压气机连通，涡轮套设于桨扇外，且与燃烧室连通；涡轮的转子沿周向固定装设于桨扇扇叶的叶尖上，涡轮的导向器沿周向连接于桨扇涡轮一体式发动机的外机匣上。本发明桨扇涡轮一体式发动机中，燃烧室布置于压气机的上方，且涡轮整体布置于桨扇的上方，从而大大减小了发动机的轴向距离，从而在满足发动机高推力需求的前提下，充分利用了垂直方向的空间，极大地缩短了发动机的轴向距离。

Description

桨扇涡轮一体式发动机

技术领域

本发明涉及涡扇发动机领域，特别地，涉及一种桨扇涡轮一体式发动机。

背景技术

航空发动机从结构上可分为压气机、燃烧室及涡轮三大部件，气流在压气机中增压进入燃烧室中燃烧，最后进入涡轮膨胀做功。涡轮在涡轴发动机中不但带动压气机旋转，还要输出机械功；涡轮在涡扇发动机中带动压气机及风扇外，还需在涡轮出口喷出高速气流，从而产生推力。

传统的涡轮风扇发动机中，风扇、压气机、燃烧室及涡轮等部件沿轴向依次线性排列。风扇将空气压缩到一定压力后，分别进入内涵道和外涵道。内涵道气体进入压气机，压气机通过叶片高速旋转将空气压缩到更高的压力，具有高压力的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧，形成高温高压气体，从而驱动涡轮快速旋转并做功，带动压气机及风扇；经涡轮膨胀做功后的气体温度和压力降低，与外涵道空气混合后继续膨胀加速，并排出发动机。传统的涡轮风扇发动机由于风扇、压气机、燃烧室及涡轮为线性排列，整个发动机尺寸较大，显得极为笨重，大大增加了发动机的重量，影响发动机推重比，且对军用涡扇发动机的隐身十分不利。

当前燃气涡轮发动机的一大发展趋势，是逐渐向更高功重比、更高的热力循环参数、结构更紧凑的方向发展。目前，对发动机高推力，低油耗的需求越来越迫切，这就需要进一步提高发动机的循环参数，如提高压气机压比、提高涡轮前温度和提高涵道比等，但是，受限于材料耐温性能和涡轮冷却水平，想要提高涡轮前温度变得越来越难，材料性能提高远远赶不上涡轮前温度的提高；而涵道比受到涡轮前温度、叶片切线速度等的限制，也无法快速实现；提高压气机压比，对提高发动机推力十分有效，然而提高压比将增多压气机级数，从而使发动机轴向距离增加，将带来结构布局及发动机重量等更多的问题。因此，提升常规涡轮风扇发动机的性能将变得越来越难。

首先，在现有技术方案中，涡轮风扇、压气机、燃烧室及涡轮等部件沿轴向依次线性分布，发动机轴向距离较长，垂直方向的空间没有被利用，且涡轮采用常规的设计手段；其次，想要进一步提高发动机性能难度较大，靠增加发动机轴向距离来提高压气机压比将带来更多的问题；提高涡轮前温度来提高发动机性能，将给涡轮叶片的冷却带来更大的挑战，材料使用由于耐温能力也有所限制。

发明内容

本发明提供了一种桨扇涡轮一体式发动机，以解决现有的桨扇发动机存在的整个发动机轴向尺寸较大，大大增加了发动机的重量，影响发动机推重比，且对军用涡扇发动机的隐身十分不利的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种桨扇涡轮一体式发动机，包括：压气机、桨扇、增速箱、燃烧室、及涡轮，压气机、桨扇、及增速箱沿气流流动方向依次排布，且桨扇通过增速箱带动压气机；燃烧室套设于压气机外，且与压气机连通，涡轮套设于桨扇外，且与燃烧室连通；涡轮的转子沿周向固定装设于桨扇扇叶的叶尖上，涡轮的导向器沿周向连接于桨扇涡轮一体式发动机的外机匣上。

进一步地，涡轮包括沿气流流动方向依次设置的一级涡轮和二级涡轮；一级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的一级导向器和一级转子，一级导向器的一级导向叶片沿周向连接于外机匣的内壁上，一级转子的一级转子叶片沿周向固定安装于扇叶的叶尖上；二级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的二级导向器和二级转子，二级导向器的二级导向叶片沿周向连接于外机匣的内壁上，二级转子的二级转子叶片沿周向固定安装于扇叶的叶尖上。

进一步地，一级导向叶片、一级转子叶片、二级导向叶片、及二级转子叶片的轮毂比均大于0.9且小于1。

进一步地，一级导向叶片、一级转子叶片、二级导向叶片、及二级转子叶片的展弦比均小于1。

进一步地，一级转子叶片和二级转子叶片两者的叶尖均设有叶冠，且叶冠上设有用于封严的多道篦齿。

进一步地，桨扇涡轮一体式发动机还包括分别配合一级转子叶片和二级转子叶片设置的刷式封严件；刷式封严件呈环形，分别套设于一级转子和二级转子外，且与外机匣的内壁面固定，以与对应的叶冠之间形成刷式密封。

进一步地，位于二级转子后的涡轮气流通道的截面积在气流流动方向上逐渐增大；一级导向叶片和二级导向叶片均采用后加载结构设计。

进一步地，一级涡轮的膨胀比比二级涡轮的膨胀比大8％～15％；一级转子叶片和二级转子叶片的转折角均大于90°且小于130°。

进一步地，一级涡轮的能量反力度为0.30～0.35；二级涡轮的能量反力度为0.35～0.40。

进一步地，一级涡轮的功率与二级涡轮的功率比为56:44。

本发明具有以下有益效果：

本发明的桨扇涡轮一体式发动机工作时，燃烧室内喷出的高温高压气体进入涡轮内膨胀做功，进而驱动涡轮中的转子旋转，旋转的转子再带动桨扇旋转，从而压缩外涵道气体，桨扇再通过增速箱带动压气机动作压缩气流，压缩后的气流再进入燃烧室与燃料混合后燃烧。本发明桨扇涡轮一体式发动机中，涡轮的转子沿周向固定装设于桨扇的扇叶的叶尖上，构成桨扇-涡轮一体化结构，桨盘结构集风扇、涡轮两大部件功能于一体，呈Y型布设；燃烧室布置于压气机的上方，且涡轮整体布置于桨扇的上方，从而大大减小了发动机的轴向距离，从而在满足发动机高推力需求的前提下，充分利用了垂直方向的空间，极大地缩短了发动机的轴向距离。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例的桨扇涡轮一体式发动机的主视结构示意图；

图2是图1中桨扇-涡轮一体化结构示意图；

图3是涡轮流道示意图；

图4是带冠转子叶片示意图；

图5是本发明优选实施例涡轮的效率膨胀比曲线图；

图6a是本发明优选实施例的一级导向叶片表面流线图；

图6b是本发明优选实施例的一级转子叶片表面流线图；

图6c是本发明优选实施例的二级导向叶片表面流线图；

图6d是本发明优选实施例的二级转子叶片表面流线图。

图例说明

10、压气机；20、桨扇；21、扇叶；30、增速箱；40、燃烧室；50、涡轮；51、一级导向器；52、一级转子；521、一级转子叶片；5211、叶冠；5212、篦齿；53、二级导向器；54、二级转子；541、二级转子叶片；60、外机匣；70、刷式封严件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种桨扇涡轮一体式发动机，包括：压气机10、桨扇20、增速箱30、燃烧室40、及涡轮50，压气机10、桨扇20、及增速箱30沿气流流动方向依次排布，且桨扇20通过增速箱30带动压气机10；燃烧室40套设于压气机10外，且与压气机10连通，涡轮50套设于桨扇20外，且与燃烧室40连通；涡轮50的转子沿周向固定装设于桨扇20扇叶21的叶尖上，涡轮50的导向器沿周向连接于桨扇涡轮一体式发动机的外机匣60上。

本发明的桨扇涡轮一体式发动机工作时，燃烧室40内喷出的高温高压气体进入涡轮50内膨胀做功，进而驱动涡轮50中的转子旋转，旋转的转子再带动桨扇20旋转，从而压缩外涵道气体，桨扇20再通过增速箱30带动压气机10动作压缩气流，压缩后的气流再进入燃烧室与燃料混合后燃烧。本发明桨扇涡轮一体式发动机中，涡轮50的转子沿周向固定装设于桨扇20的扇叶21的叶尖上，构成桨扇-涡轮一体化结构，桨盘结构集风扇、涡轮两大部件功能于一体，呈Y型布设，如图2所示；燃烧室40布置于压气机10的上方，且涡轮50整体布置于桨扇20的上方，从而大大减小了发动机的轴向距离，从而在满足发动机高推力需求的前提下，充分利用了垂直方向的空间，极大地缩短了发动机的轴向距离。

可选地，如图1和图2所示，涡轮50包括沿气流流动方向依次设置的一级涡轮和二级涡轮；一级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的一级导向器51和一级转子52，一级导向器51的一级导向叶片沿周向连接于外机匣60的内壁上，一级转子52的一级转子叶片521沿周向固定安装于扇叶21的叶尖上；二级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的二级导向器53和二级转子54，二级导向器53的二级导向叶片沿周向连接于外机匣60的内壁上，二级转子54的二级转子叶片541沿周向固定安装于扇叶21的叶尖上。本发明涡轮结构中，包括一级涡轮和二级涡轮，故而形成双级涡轮，且涡轮中气流通道内气流速度为0.9～1.1马赫数，故而本发明的涡轮形成双级跨音速涡轮。涡轮50的一级导向器51与燃烧室40连通，由燃烧室40流出的高温高压燃气进入一级导向器51膨胀加速，并为下游的一级转子52提供合适的气流预旋角，燃气进入一级转子52后冲击转子旋转，产生轴功，从而带动桨扇20和压气机10，二级导向器53与一级导向器51、二级转子54与一级转子52的作用分别类似。

可选地，如图1所示，由于发动机采用涡轮置于桨扇叶尖上的形式，桨扇半径很大，故而涡轮同样的流通面积下，涡轮叶片(包括一级导向叶片、一级转子叶片521、二级导向叶片、及二级转子叶片541)的高度较低，单个涡轮叶片的负荷较大，且涡轮内外流道(涡轮叶片内供气体流通的通道为气流通道，气流通道沿径向的内边界定义为内流道，气流通道沿径向的外边界定义为外流道，内流道高度为内流道至发动机中心轴线之间的径向高度，外流道高度为外流道至发动机中心轴线之间的径向高度)高度也比常规涡轮要高的多，本发明结构中，一级导向叶片、一级转子叶片521、二级导向叶片、及二级转子叶片541的轮毂比均大于0.9且小于1。具体设计时，如图3所示，一级导向叶片的轮毂比r1/r2＝0.96，一级转子叶片的轮毂比r1/r2＝0.965，二级导向叶片的轮毂比r1/r2＝0.97，二级转子叶片的轮毂比r1/r2＝0.98。

可选地，设计时，为满足涡轮叶片的气动负荷要求，在涡轮叶片高度一定的情况下，加大涡轮叶片的轴向弦长L1，从而增大整个涡轮叶片负荷，如图3所示，但涡轮叶片弦长过长会增大叶型损失，考虑弦长对叶片气动负荷及叶型损失的综合影响，本发明中，优选各排叶片轴向弦长，使一级导向叶片、一级转子叶片521、二级导向叶片、及二级转子叶片541的展弦比(展弦比定义：叶片高度与叶片轴向弦长之比)均小于1。具体设计时，一级导向叶片的展弦比h/L1＝0.24，一级转子叶片的展弦比h/L1＝0.45，二级导向叶片的展弦比h/L1＝0.48，二级转子叶片的展弦比h/L1＝0.8，远低于常规涡轮展弦比的范围1.0～2.0。

可选地，如图4所示，本发明结构中，一级导向叶片、一级转子叶片521、二级导向叶片、及二级转子叶片541的轮毂比均大于0.9且小于1，远远高于常规涡轮轮毂比的0.5～0.8。轮毂比过大会极大地增强端区附近的二次流占主流的比例，特别是在转子叶片上更为明显，从而导致整个流动的损失较大，故需要对涡轮叶片的叶型采用非常规手段设计，且由于涡轮叶片高度很短，转子叶尖间隙若留有间隙，则间隙高度值占整个叶片高度比例较高，会造成很大的泄漏损失，若间隙过小，又会造成叶片刮磨，产生危险，因此，本发明结构中，一级转子叶片521和二级转子叶片541两者的叶尖均设有叶冠5211，且叶冠5211上设有用于封严的多道篦齿5212，降低泄漏流动，同时也能阻挡部分端壁二次流发展。具体设计时，叶冠5211和两道篦齿5212均与转子叶片一体化形成。

优选地，如图4所示，桨扇涡轮一体式发动机还包括分别配合一级转子叶片521和二级转子叶片541设置的刷式封严件70；刷式封严件70呈环形，分别套设于一级转子52和二级转子54外，且与外机匣60的内壁面固定，以与对应的叶冠5211之间形成刷式密封，以便更好地对间隙进行封严。

可选地，如图1和图3所示，由于跨音速涡轮排气速度高，为降低排气速度，使位于二级转子54后的涡轮50的气流通道的截面积在气流流动方向上逐渐增大，即使二级转子后的涡轮流道设计成外流道逐渐扩张形，即气流流通面积逐渐增大，可以达到扩压减速的效果，以降低损失。此外，由于是跨音速涡轮，气流速度过大，为降低叶片尾缘处的逆压梯度区域(尾缘靠近叶背处的区域)，达到减小流动损失的目的，故而本发明的一级导向叶片和二级导向叶片均采用后加载结构设计，即通过对一级导向叶片和二级导向叶片进行结构设计，使两者由其前缘至尾缘方向上，0％～45％前段轴向弦长内叶盆与叶背之间的压力差小于剩余后段轴向弦长内叶盆与叶背之间的压力差，使气流在叶片后段做功更多。

为满足表1中针对超高轮毂比双级跨音速涡轮的设计指标，本发明提出了一种超高轮毂比涡轮设计方法，包括以下步骤：1)零维参数分析：根据设计指标确定各级涡轮的载荷系数、流量系数和能量反力度；2)一维参数计算：根据涡轮气动基本原理得到各排涡轮叶片的气动参数和几何参数；3)三维叶片造型：根据零维参数分析和一维参数计算，得到各排涡轮叶片的进出口气动参数和几何参数，进行三维造型设计。

设计时，对于超高轮毂比、超低展弦比的跨音速涡轮来说，在零维参数分析阶段尤其重要，根据涡轮气动设计方法，给出第一级涡轮的膨胀比和效率，再由涡轮的总膨胀比和总效率得到第二级涡轮的膨胀比和效率。由于涡轮是跨音速涡轮，且具有超高的轮毂比，展弦比又很小，涡轮叶片高度很低，单个叶片的气动载荷非常大，需要精细设计各气动参数。由于涡扇发动机要在高空环境工作，高空环境中涡轮膨胀比会比地面状态高出30％左右，且增加的膨胀比会全部增加到第二级涡轮(即末级涡轮)上，造成涡轮性能的急剧下降。因此，在进行膨胀比分配时，采用一级膨胀比大，二级膨胀比小的方法，且一级涡轮的膨胀比比二级涡轮的膨胀比大8％～15％左右，该设计可使涡轮在地面及高空都具有较好的性能。

设计时，由于单个涡轮叶片负荷大，涡轮载荷系数高，一级涡轮载荷系数2.0～2.3，二级涡轮载荷系数1.5～1.8，远高于常规涡轮的1.0～1.5区间，故转子采用大转折角(转折角定义为叶片进口气流角与出口气流角度的差异)涡轮气动设计，即一级转子叶片521和二级转子叶片541的转折角均大于90°且小于130°。实际设计时，一级转子叶片521的气流转折角达到125度，二级转子叶片的气流转折角达到110度，都远远高于常规涡轮设计。

设计时，由于转子转折角过大，为保证转子具有较高的气动性能，将一级涡轮的能量反力度控制在0.30～0.35左右，可使气流在导向器中充分膨胀做功，降低一级转子的出口马赫数；同样地，二级涡轮的能量反力度控制在0.35～0.40左右，其意义是气流在涡轮导向器中做功更多，而在转子中做功减小，从而使转子出口马赫数降低，该设计可有效降低排气损失。

设计时，进行载荷系数选择时，由于涡轮效率已给出，则L已定，且涡轮转速由设计指标给定，载荷系数只与切线速度u有关，所以在给定载荷系数时，涡轮的流道高度就可确定，考虑到出口气流角要求，(出口气流角度越接近轴向，排气损失越低)，选择一级涡轮与二级涡轮的功率比为56:44。

设计时，一维典型参数定义：

载荷系数：μ＝L/u²，载荷系数越大，则说明该级涡轮的做功占整个涡轮的做功量越大，载荷系数过大对涡轮性能不利，因此需要控制在合适范围之内。

流量系数：

流量系数则代表着叶片通道内气流的流通水平，流量系数越大，则说明在同样的几何面积下，需要通过的流量更多，其气流速度也更大，因此也需要控制在合适范围之内。

能量反力度：

能量反力度则代表在该级涡轮中，转子做功量占整级涡轮的比例。

其中，L为涡轮功，u为转子叶片出口中径切线速度，C1_a为导向叶片出口轴向速度，C2_a为转子叶片出口轴向速度，p₁为导向叶片出口静压，p₂为转子叶片出口静压，P₀为导向叶片进口总压，k为比热比。

针对超高轮毂比双级跨音速涡轮，其设计指标如下：

表1设计指标

参数	数值
		流量kg/s	3.26
膨胀比	5.75
		绝热效率	0.85

根据本发明介绍的上述设计方法和思路，对该涡轮开展零维参数分析及级间参数分配，见表2。

表2一维参数分配范围

表3本发明选取一维参数分配

采用软件对设计方案进行数值模拟，得到的涡轮性能曲线如图5所示，可以得到，在涡轮膨胀比为5.75，涡轮的绝热效率为0.869时，试验效率达到了0.874，且涡轮进口流量也达到了3.26kg/s，涡轮叶片表面流线均匀，分布合理，如图6a、6b、6c及6d所示，设计结果均达到了设计要求，验证了方案的可行性。

本发明超高轮毂比的涡轮设计思路不仅可应用于双级跨音速涡轮，对双级、三级亚音速/跨音速涡轮同样适用，本发明设计思路可改善超高轮毂比构型的涡轮性能，缩短发动机的轴向距离，拓宽发动机的使用范围，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，包括：

压气机(10)、桨扇(20)、增速箱(30)、燃烧室(40)、及涡轮(50)，所述压气机(10)、所述桨扇(20)、及所述增速箱(30)沿气流流动方向依次排布，且所述桨扇(20)通过所述增速箱(30)带动所述压气机(10)；

所述燃烧室(40)套设于所述压气机(10)外，且与所述压气机(10)连通，所述涡轮(50)套设于所述桨扇(20)外，且与所述燃烧室(40)连通；

所述涡轮(50)的转子沿周向固定装设于所述桨扇(20)扇叶(21)的叶尖上，所述涡轮(50)的导向器沿周向连接于所述桨扇涡轮一体式发动机的外机匣(60)上；

涡轮(50)包括沿气流流动方向依次设置的一级涡轮和二级涡轮；一级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的一级导向器(51)和一级转子(52)，一级导向器(51)的一级导向叶片沿周向连接于外机匣(60)的内壁上，一级转子(52)的一级转子叶片(521)沿周向固定安装于扇叶(21)的叶尖上；二级涡轮包括沿气流流动方向依次设置的二级导向器(53)和二级转子(54)，二级导向器(53)的二级导向叶片沿周向连接于外机匣(60)的内壁上，二级转子(54)的二级转子叶片(541)沿周向固定安装于扇叶(21)的叶尖上；

一级导向叶片、一级转子叶片(521)、二级导向叶片、及二级转子叶片(541)的轮毂比均大于0.9且小于1；

一级导向叶片、一级转子叶片(521)、二级导向叶片、及二级转子叶片(541)的展弦比均小于1。

2.根据权利要求1所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

所述一级转子叶片(521)和所述二级转子叶片(541)两者的叶尖均设有叶冠(5211)，且所述叶冠(5211)上设有用于封严的多道篦齿(5212)。

3.根据权利要求2所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

所述桨扇涡轮一体式发动机还包括分别配合所述一级转子叶片(521)和所述二级转子叶片(541)设置的刷式封严件(70)；

所述刷式封严件(70)呈环形，分别套设于所述一级转子(52)和所述二级转子(54)外，且与所述外机匣(60)的内壁面固定，以与对应的所述叶冠(5211)之间形成刷式密封。

4.根据权利要求1所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

位于所述二级转子(54)后的所述涡轮(50)气流通道的截面积在气流流动方向上逐渐增大；

所述一级导向叶片和所述二级导向叶片均采用后加载结构设计。

5.根据权利要求1所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

所述一级涡轮的膨胀比比所述二级涡轮的膨胀比大8％～15％；

所述一级转子叶片(521)和所述二级转子叶片(541)的转折角均大于90°且小于130°。

6.根据权利要求1所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

所述一级涡轮的能量反力度为0.30～0.35；

所述二级涡轮的能量反力度为0.35～0.40。

7.根据权利要求1所述的桨扇涡轮一体式发动机，其特征在于，

所述一级涡轮的功率与所述二级涡轮的功率比为56:44。