CN113279858A - 一种多转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多转子发动机，属于转子发动机领域，包括机壳，机壳内设有低压转子，低压转子包括低压转子轴，以及沿气体流向依次安装在低压转子轴上的低压压缩部件和低压涡轮；机壳内还设有高压转子，高压转子设置在低压压缩部件和低压涡轮之间；高压转子包括高压转子轴，以及安装在高压转子轴上的核心机；低压转子轴与高压转子轴间隔设置。由于低压转子轴与高压转子轴间隔设置，从而低压转子轴和高压转子轴相互间没有制约，低压转子轴的轴径可根据需要进行加粗，降低断轴风险，并且，低压转子轴与高压转子轴可以分别选型合适的轴承，有利于发动机整体性能的提升。

Description

一种多转子发动机

技术领域

本发明涉及转子发动机领域，尤其涉及一种多转子发动机。

背景技术

目前，多转子发动机通常包括高压转子和低压转子，且高压转子和低压转子采用同心设计结构，具体地，高压转子具有高压转子轴，低压转子具有低压转子轴，高压转子轴套设于低压转子轴，即采用了轴(高压转子轴)穿轴(低压转子轴)的结构形式。以上发动机形式基本包含了所有现有技术的多转子发动机的构型，其整机或核心机采用了高、低压转子这种轴穿轴的结构形式，这种结构形式主要存在以下几个方面的不足：

1.由于尺寸结构的限制，采用轴穿轴的结构时，处于中心的低压转子轴十分细长，而外部的高压转子轴直径却很大，且高压转子轴需要设置为空心的结构，使得低压转子轴和高压转子轴存在容易断裂、加工难度大的缺陷，且轴向长度较长，也影响飞行平台的设计。

2.低压转子轴和高压转子轴上分别需要安装起到支撑作用的轴承，由于低压转子轴上无法安装内径大的轴承，而高压转子轴上无法安装内径小的轴承，使得高、低压转子轴受到轴承结构和强度载荷的制约，限制了高、低压转子轴的转速，同时也制约了多转子发动机的小型化发展。

3.高压转子轴上设置有核心机，穿轴的构型使得核心机只能被安置在整个发动机中心处，其结构形式和轴向长度均受到制约，灵活性和可变性较差。

4.对于齿轮传动涡扇发动机(Geared Turbofan，GTF)，还需要设置齿轮减速箱，齿轮减速箱需要和低压转子轴传动连接，从而低压转子轴的长度需要更长，导致整机轴向尺寸较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多转子发动机，能够提高低压转子轴和高压转子轴的结构强度，提升发动机整体的性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种多转子发动机，包括机壳，所述机壳内设有低压转子，所述低压转子包括低压转子轴，以及沿气体流向依次安装在所述低压转子轴上的低压压缩部件和低压涡轮；所述机壳内还设有高压转子，所述高压转子包括高压转子轴，以及安装在所述高压转子轴上的核心机；所述高压转子设置在所述低压压缩部件和所述低压涡轮之间；

所述低压转子轴与所述高压转子轴间隔设置。

作为优选，多转子发动机还包括设置于所述低压压缩部件的气体流出端的分流环，所述分流环能将所述低压压缩部件输出的气体分隔为内涵气流和外涵气流，所述内涵气流用于给所述核心机供气，所述外涵气流用于给所述低压涡轮供气。

作为优选，多转子发动机还包括设置于所述机壳内的内涵道壳体，所述内涵道壳体围成内涵通道，所述高压转子设置于所述内涵通道内，所述低压转子设置于所述内涵通道外。

作为优选，多转子发动机还包括设置于所述低压转子轴的增压级，所述增压级设置在所述低压压缩部件和所述核心机之间，所述增压级能够将经过的气体增压并供给所述核心机。

作为优选，多转子发动机还包括第一气流导向件，所述第一气流导向件设置于所述低压压缩部件和所述核心机之间。

作为优选，多转子发动机还包括第二气流导向件，所述第二气流导向件设置于所述核心机和所述低压涡轮之间。

作为优选，所述高压转子的数量为多个，多个所述高压转子沿所述低压转子轴的圆周方向间隔分布。

作为优选，多转子发动机还包括设置于所述低压转子轴的第一轴承，所述低压转子轴通过所述第一轴承支撑于所述机壳内；以及设置于所述高压转子轴的第二轴承，所述高压转子轴通过所述第二轴承支撑于所述机壳内。

作为优选，所述低压转子轴上设有减速齿轮箱，所述减速齿轮箱的输入端与所述低压转子轴传动连接，所述减速齿轮箱的输出端与所述低压压缩部件传动连接。

作为优选，所述高压转子设置在所述减速齿轮箱外周。

有益效果：

本发明提供了一种多转子发动机，与现有技术相比，该发动机中，高压转子轴和低压转子轴间隔设置，使得高压转子轴和低压转子轴不受结构和径向尺寸的限制，可以根据需要增加低压转子轴的外径和减小高压转子轴的外径，也可以将高压转子轴设置为实心的结构，一方面，能够增加轴的强度裕度，降低断轴的风险，同时降低加工难度；另一方面，使得轴承不需要同时受到高压转子轴和低压转子轴的轴径和发动机尺寸的限制，能够选择合适的轴承，进而可以提升核心机转速，提高发动机整体的性能。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种设置增压级的多转子发动机的结构示意图；

图2是本发明实施例一的一种多转子发动机的内涵通道和外涵通道的分布示意图；

图3是本发明实施例二的一种不设置增压级的齿轮传动涡扇发动机的结构示意图。

图中：

1、机壳；2、内涵道壳体；3、低压转子；31、低压转子轴；32、低压压缩部件；33、增压级；331、增压级非工作段；332、增压级工作段；34、低压涡轮；4、高压转子；41、高压转子轴；42、核心机；421、高压压气机；422、燃烧室；423、高压涡轮；5、外涵通道；6、内涵通道；7、第一气流导向件；8、分流环；9、减速齿轮箱；10、第二气流导向件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

图1是本发明实施例一的一种设置增压级的多转子发动机的结构示意图，图1中的箭头方向表示气体流向。如图1所示，本实施例包括机壳1，机壳1内设有低压转子3，优选地，低压转子3设置于机壳1内的中心处。低压转子3包括低压转子轴31，以及沿气体流向依次安装在低压转子轴31上的低压压缩部件32和低压涡轮34，其中，低压压缩部件32能够对流入的气体进行初步压缩，示例性地，对于涡扇发动机，则低压压缩部件32具体设置为风扇。

机壳1内还设有高压转子4，且高压转子4设置在低压压缩部件32和低压涡轮34之间，其包括与低压转子轴31间隔设置的高压转子轴41，以及安装在高压转子轴41上的核心机42。优选地，低压转子轴31与高压转子轴41平行间隔的设置。相比现有技术中高压转子轴套设在低压转子轴外周部的结构，本实施例中的低压转子轴31和高压转子轴41互不影响，可以根据需要设置低压转子轴31的外径和高压转子轴41的外径，还可根据需要将高压转子轴41设置为实心的结构，能够保证低压转子轴31和高压转子轴41的结构强度，降低断轴的风险，同时降低加工难度。

优选地，低压转子轴31设置有第一轴承，低压转子轴31通过所述第一轴承支撑于机壳1内；且高压转子轴41设置有第二轴承，高压转子轴41通过第二轴承支撑于机壳1内。由于低压转子轴31和高压转子轴41间隔设置，使得第一轴承的内径仅受低压转子轴31制约而不受高压转子轴41的制约，第二轴承的内径仅受高压转子轴41制约而不受低压转子轴31的制约。具体地，当低压转子轴31的轴径需要增大时，相应地，第一轴承的内径也随之增大；当高压转子轴41的轴径需要减小时，相应地，第二轴承的内径也随之减小，进而能够选择强度载荷更合适的轴承，提高核心机42的转速和性能。示例性地，现有技术中的核心机42转速一般不超过8wrpm，如果需要进一步地提升，则大大增加了轴承的设计难度。本实施例中的发动机可以将高压转子4的转速大幅提升，达到20wrpm，极大地提升了核心机42性能。同时，在保持核心机42压比不变的情况下，提高核心机42的转速，能够降低气体流量。示例性地，本实施例能够保持核心机42在3～4压比的同时，流量可以降低到0.2kg/s，实现了多转子发动机的小型化。

此外，由于高压转子4和低压转子3不再使用轴穿轴的形式，因此高压转子4的数量不局限于1个，能够设置多个，并且高压转子4沿低压转子轴31圆周方向间隔分布。高压转子4上安装的核心机42的数量也可以调整，既可以设置为1个，也可以设置为多个；在工作时也可以灵活使用，能够结合需求，选择工作的核心机42的数量。该设置能够提升发动机的工作效率，弥补现有技术的不足。示例性地，在飞机工作的过程中，通过优化控制规律，可以在起飞状态时运行三台核心机42，巡航状态运行两台核心机42，慢车状态运行一台核心机42，能够在完成工作的前提下没有额外的能量损耗，提升了发动机的工作效率。

进一步参照图1，低压压缩部件32的气体流出端设置有分流环8，从低压压缩部件32输出的气体经过分流环8分为内涵气流和外涵气流。其中，内涵气流用于给核心机42供气，外涵气流用于给低压涡轮34供气。低压压缩部件32和核心机42之间还设有增压级33，且增压级33设置于低压转子轴31，增压级33能够对经过的气体增压并供给核心机42。具体地，增压级33能够对经过的内涵气流增压并供给核心机42。核心机42包括沿气体流向依次安装在高压转子轴41上的高压压气机421、燃烧室422和高压涡轮423，内涵气流先是经过高压压气机421的进一步增压，其次在燃烧室422内燃烧产生高温高压气体，最后推动高压涡轮423转动，进而通过高压转子轴41带动高压压气机421转动；从高压涡轮423排出后进入低压涡轮34，推动低压涡轮34转动，进而通过低压转子轴31带动低压压缩部件32和增压级33转动；从低压涡轮34排出的内涵气流从发动机内排出。而外涵气流则用于给低压涡轮34供气，其不经过增压级33的增压以及核心机42，而是从低压涡轮34经过后，驱动低压涡轮34转动，进而从发动机内排出。

进一步地，在机壳1内还设置有内涵道壳体2，内涵道壳体2围成内涵通道6，且高压转子4设置于内涵通道6内；低压转子3设置于内涵通道6外。增压级33能够将经过的内涵气流增压并输送至内涵通道6的入口。

相对于现有技术中的发动机来说，本实施例中的高压转子4从发动机的中心处移开，设置在发动机内部径向较高处，为了使内涵气流经过增压级33增压后能够顺利进入核心机42，减少气体的损失，增压级33的输出端设置在其外周部。由于从增压级33中心处流出的气体不经过核心机42，直接流向低压涡轮34，因此从增压级33中心处经过的气体为外涵气流，该气体不需要经过增压级33的增压。

示例性地，增压级33包括增压级非工作段331和套设在增压级非工作段331外周的增压级工作段332，内涵气流进入增压级工作段332进行增压，并从增压级工作段332输出后进入核心机42；外涵气流进入增压级非工作段331，并从增压级非工作段331排出后流向低压涡轮34，其不经过增压。具体地，增压级非工作段331不设置叶片，而增压级工作段332设置叶片。

此外，增压级33还可以采用离心式压气机的结构形式，离心式压气机经过增压后的气体输出位置在其径向外周处，气体输出后能够顺利进入核心机42，减少气体的损失。

为了进一步减少气体的损失，多转子发动机还包括起到对气体的导向作用的第一气流导向件7和第二气流导向件10。第一气流导向件7设置于低压压缩部件32和核心机42之间，第二气流导向件10设置于核心机42和低压涡轮34之间。具体地，第一气流导向件7设置于增压级33和内涵道壳体2之间，第一气流导向件7的入口连接增压级33的输出端，且其出口连接内涵通道6的入口；内涵气流从增压级33的输出端输出后经过第一气流导向件7的引导，进入核心机42。第二气流导向件10设置在内涵道壳体2与低压涡轮34之间，第二气流导向件10的入口连接内涵通道6的出口，且其出口连接低压涡轮34的输入端；内涵气流从核心机42输出后经过第二气流导向件10的引导，进入低压涡轮34。

图2是本发明实施例一的一种多转子发动机的内涵通道和外涵通道的分布示意图。如图2所示，内涵道壳体2围成内涵通道6，且机壳1的内壁与内涵道壳体2的外壁之间形成外涵通道5。具体地，内涵道壳体2可以固设于机壳1上。内涵道壳体2能够将内涵气流和外涵气流分隔开，使得内涵气流的路径处于内涵通道内，而外涵气流的路径处于外涵通道内。在现有技术的转子发动机中，核心机设置在整个发动机的中心处，因此内涵通道也设置在发动机的中心处，而外涵通道设置在内涵通道的外周。相比于现有技术，本实施例提供了另一种内涵通道6和外涵通道5的布局，使得内涵通道6不局限于设置在发动机中心处，且外涵通道5不局限于设置在内涵通道6的外周。

实施例二

本实施例提供的多转子发动机的结构与实施例一中的多转子发动机的结构基本相同，不同之处在于：

图3是本发明实施例二的一种不设置增压级的齿轮传动涡扇发动机的结构示意图，如图3所示，在本实施例中，低压压缩部件32具体设置为风扇，低压压缩部件32和核心机42之间没有设置增压级33，从低压压缩部件32输出的气体经过分流环8分为内涵气流和外涵气流，其中，内涵气流进入核心机42。低压转子轴31上设有减速齿轮箱9，减速齿轮箱9设置在低压压缩部件32和低压涡轮34之间，且减速齿轮箱9靠近低压压缩部件32。减速齿轮箱9的输入端连接于低压转子轴31，且其输出端连接于低压压缩部件32。减速齿轮箱9能够将低压转子轴31的转动传递到低压压缩部件32，并且在保持低压转子轴31转速不变的情况下减小低压压缩部件32的转速。设置减速齿轮箱9能够保证大尺寸风扇的叶尖切线速度不超过限制值，同时不减小低压涡轮34的转速，提高工作效率。

在本实施例中，由于高压转子4沿低压转子轴31圆周向布置，能够释放低压压缩部件32的气体流出端的轴心处的空间，减速齿轮箱9可以安装在释放出的轴心空间处，不需要增加发动机的总体长度。具体地，高压转子4设置在减速齿轮箱9外周。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多转子发动机，其特征在于，包括：

机壳(1)；所述机壳(1)内设有低压转子(3)，所述低压转子(3)包括低压转子轴(31)，以及沿气体流向依次安装在所述低压转子轴(31)上的低压压缩部件(32)和低压涡轮(34)；

所述机壳(1)内还设有高压转子(4)，所述高压转子(4)包括高压转子轴(41)，以及安装在所述高压转子轴(41)上的核心机(42)；

所述高压转子(4)设置在所述低压压缩部件(32)和所述低压涡轮(34)之间；

所述低压转子轴(31)与所述高压转子轴(41)间隔设置。

2.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括设置于所述低压压缩部件(32)的气体流出端的分流环(8)，所述分流环(8)能将所述低压压缩部件(32)输出的气体分隔为内涵气流和外涵气流，所述内涵气流用于给所述核心机(42)供气，所述外涵气流用于给所述低压涡轮(34)供气。

3.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括设置于所述机壳(1)内的内涵道壳体(2)，所述内涵道壳体(2)围成内涵通道(6)，所述高压转子(4)设置于所述内涵通道(6)内，所述低压转子(3)设置于所述内涵通道(6)外。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括设置于所述低压转子轴(31)的增压级(33)，所述增压级(33)设置在所述低压压缩部件(32)和所述核心机(42)之间，所述增压级(33)能够将经过的气体增压并供给所述核心机(42)。

5.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括第一气流导向件(7)，所述第一气流导向件(7)设置于所述低压压缩部件(32)和所述核心机(42)之间。

6.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括第二气流导向件(10)，所述第二气流导向件(10)设置于所述核心机(42)和所述低压涡轮(34)之间。

7.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，所述高压转子(4)的数量为多个，多个所述高压转子(4)沿所述低压转子轴(31)的圆周方向间隔分布。

8.根据权利要求1所述的一种多转子发动机，其特征在于，多转子发动机还包括设置于所述低压转子轴(31)的第一轴承，所述低压转子轴(31)通过所述第一轴承支撑于所述机壳(1)内；以及设置于所述高压转子轴(41)的第二轴承，所述高压转子轴(41)通过所述第二轴承支撑于所述机壳(1)内。

9.根据权利要求1至3任一项所述的一种多转子发动机，其特征在于，所述低压转子轴(31)上设有减速齿轮箱(9)，所述减速齿轮箱(9)的输入端与所述低压转子轴(31)传动连接，所述减速齿轮箱(9)的输出端与所述低压压缩部件(32)传动连接。

10.根据权利要求9所述的一种多转子发动机，其特征在于，所述高压转子(4)设置在所述减速齿轮箱(9)外周。

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