CN115451427A - 一种级间燃烧室及具有其的涡扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种级间燃烧室及具有其的涡扇发动机。包括第一壳体和导流结构，第一壳体设于外机匣上；导流结构设于外机匣和内机匣之间，且与第一壳体和外机匣围合形成第一腔体，第一腔体上设有允许第一气流、第二气流和第三气流分别进入的第一进口、第二进口和第三进口以及允许气流流出的第一出口，第一进口和第二进口同侧设置，第一进口和第三进口相对设置，以使得第一气流进入第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经第一出口排出。本发明采用涡轮级间燃烧室可以在实现发动机推力和推重比提升的同时，增加无人机综合效能，本构型发动机，取消了加力燃烧室，发动机轴向长度明显缩短。

Description

一种级间燃烧室及具有其的涡扇发动机
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种级间燃烧室及具有其的涡扇发动机。
背景技术
固定翼飞行器，如军用战斗机等，为保证高加速性，多采用加力式涡扇发动机作为动力装置。
加力式涡扇发动机工作状态可分为不加力状态与加力状态。发动机加力状态产生的推力比不加力状态增加60％左右，但耗油率增加150％～200％。因此，加力状态一般仅在空中格斗等特殊情况时才会短暂使用，使用时间有限。
另一方面，为保证加力燃烧室内高速燃气的充分燃烧，加力燃烧室通常较长，占整个发动机长度的30％以上，使得发动机总长度较长。综上，现有结构的加力式涡扇发动机，加力状态时耗油率过大，加力燃烧室所占长度过长。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中燃烧室长度过长、耗油量大的缺陷，从而提供一种结构高度集成的、燃烧效率高的级间燃烧室及具有其的涡扇发动机。
为了解决上述问题，本发明提供了一种级间燃烧室，包括：
第一壳体，设于外机匣上；
导流结构，设于外机匣和内机匣之间，且与所述第一壳体和外机匣围合形成第一腔体，所述第一腔体上设有允许第一气流、第二气流和第三气流分别进入的第一进口、第二进口和第三进口以及允许气流流出的第一出口，所述第一进口和第二进口同侧设置，所述第一进口和第三进口相对设置，以使得第一气流进入所述第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经所述第一出口排出。
可选地，所述导流结构包括弧形的导流叶片和设于导流叶片靠近第二进口一端的支板，所述支板包覆在导流叶片靠近第二进口的一端，第二进口设于所述支板和外机匣之间，所述支板和内机匣之间形成第四进口，所述导流叶片上设有喷油孔。
可选地，还包括设于所述外机匣上的第二壳体，所述第二壳体、第一壳体和外机匣之间形成第二腔体，所述第二腔体具有允许冷气进入的第五进口和允许冷气排出的第二出口，所述第二出口与所述第三进口贯通设置。
一种涡扇发动机，包括所述的级间燃烧室，所述级间燃烧室设于低压涡轮和高压涡轮之间，还包括设于高压压气机和高压涡轮之间的燃烧室。
可选地，还包括：设于风扇前的第一电机，所述第一电机的转子与所述低压涡轮的转子连接。
可选地，所述风扇前设有支架，所述第一电机设于所述支架上，且所述第一电机的转子通过联轴器与所述风扇的转子连接。
可选地，还包括设于高压压气机和燃烧室之间的第二电机，所述第二电机与高压压气机的转子和高压涡轮的转子连接。
可选地，所述高压压气机的外周设置有外涵道，所述外涵道适于将通过风扇的气流直接排出发动机；
内涵道，与燃烧室和级间燃烧室连接，适于排出燃烧后剩余的气体。
可选地，所述发动机的尾部设置有与外涵道和内涵道相对应的外涵道喷管和内涵道喷管，所述外涵道喷管和内涵道喷管喉面可调节。
可选地，所述高压压气机、高压涡轮和低压涡轮为轴流式、离心式、斜流式或向心式中的任一种。
本发明具有以下优点：
1.本发明提供的一种级间燃烧室，通过设置在第一壳体上设置的第一进口、第二进口和第三进口分别可进入第一气流、第二气流和第三气流，第一气流进入所述第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经所述第一出口排出，驻涡区起到高速来流下稳定火焰和高效燃烧的作用。采用涡轮级间燃烧室可以在实现发动机推力和推重比提升的同时，增加无人机综合效能，取消了加力燃烧室，发动机轴向长度明显缩短。
2.本发明提供的一种级间燃烧室，第二气流在通过支板时分成两路气流，分别从支板的前后两侧通过，导流叶片上设置有喷油孔，可以对驻涡区供油，也可以同时对驻涡区和主流区供油，导流叶片对第二进口进入的气流进行导流，防止空气在急转弯处产生涡流导致气流不畅。
3.本发明提供的一种级间燃烧室，第一壳体和第二壳体间形成第二腔体，第二腔体内进入的冷气可以对燃烧室进行冷却，避免由于温度过高而烧坏燃烧室内的结构。
4.本发明提供的一种涡扇发动机，与现有技术相比，本构型第二加热节点即为级间燃烧室，级间燃烧室设置在低压涡轮前，与在尾喷口前增加热量相比，由于第二热点的环境压力更高，速度更低，这有利于燃烧效率的提升、循环效率提高，油耗更低，有利于增加航时，且取消了加力燃烧室，发动机轴向长度明显缩短。
5.本发明提供的一种涡扇发动机，与常规涡扇发动机只从高压转子提取功率的技术方案相比，本发明在高低压涡轮的转子中分别嵌入电机，这样在发动机总需求电功率一致情况下，高压轴提取的功率和低压轴提取的功率所占比例可以调节，从而起到主动调整发动机部件匹配，使得发动机各部件始终在高效率区工作的作用，同时可以抑制涡轮级间燃烧室引入后造成的高低压转差波动问题。改善发动机高低压转子匹配性，减少发动机迎风面积。此外，嵌入式电机的引入，使得涡扇发动机的结构紧凑，是兼顾经济性和超音速、多电化的理想涡扇发动机构型。
6.本发明提供的一种涡扇发动机，外涵道和内涵道相对应的外涵道喷管和内涵道喷管，所述外涵道喷管和内涵道喷管喉面可调节，使发动机在各种工作状态下都能保持良好的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明提供的一种涡扇发动机的结构示意图；
图2示出了本发明中风扇前内置第一电机示意图
图3示出了本发明中级间燃烧室的正视图；
图4示出了本发明中级间燃烧室的俯视图。
附图标记说明：
1、第一电机；2、支架；3、风扇；4、高压压气机；5、第二电机；6、燃烧室；7、高压涡轮；8、级间燃烧室；9、低压涡轮；10、内涵道喷管；11、外涵道喷管；12、第二壳体；13、第一出口；14、联轴器；15、第一壳体；16、导流叶片；17、喷油孔；18、支板；19、第三进口；20、第一进口；21、第二进口；22、第五进口；23、第四进口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供了一种级间燃烧室。
在一种实施方式中，级间燃烧室包括：第一壳体15和导流结构，其中，第一壳体15设于外机匣上；导流结构设于外机匣和内机匣之间，且与第一壳体15和外机匣围合形成第一腔体，第一腔体上设有允许第一气流、第二气流和第三气流分别进入的第一进口20、第二进口21和第三进口19以及允许气流流出的第一出口13，第一进口20和第二进口21同侧设置，第一进口20和第三进口19相对设置，以使得第一气流进入第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经第一出口13排出。
具体地，通过设置在第一壳体15上设置的第一进口20、第二进口21和第三进口19分别可进入第一气流、第二气流和第三气流，第一气流进入第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经第一出口13排出，驻涡区起到高速来流下稳定火焰和高效燃烧的作用。采用涡轮级间燃烧室可以在实现发动机推力和推重比提升的同时，增加无人机综合效能，取消了加力燃烧室，发动机轴向长度明显缩短。
在上述实施方式的基础上，在一种优选的实施方式中，导流结构包括弧形的导流叶片16和设于导流叶片16靠近第二进口21一端的支板18，支板18包覆在导流叶片16靠近第二进口21的一端，第二进口21设于支板18和外机匣之间，支板18和内机匣之间形成第四进口23，导流叶片16上设有喷油孔17。
导流叶片16靠近支板18一端的横截面积大于远离的另一端的横截面积，支板18前端的形状与导流叶片16横截面积较大的一端形状适配，且二者之间预留有气流间隙。第二气流在通过支板时分成两路气流，分别从支板18的前后两侧通过，导流叶片16上设置有喷油孔，可以对驻涡区供油，也可以同时对驻涡区和主流区供油，导流叶片16对第二进口21进入的气流进行导流，防止空气在急转弯处产生涡流导致气流不畅。
在上述实施方式的基础上，在一种优选的实施方式中，还包括设于外机匣上的第二壳体12，第二壳体12、第一壳体15和外机匣之间形成第二腔体，第二腔体具有允许冷气进入的第五进口22和允许冷气排出的第二出口，第二出口与第三进口19贯通设置。
具体地，第二壳体12为L型，包覆在第一壳体15的一侧，第一壳体15和第二壳体12间形成第二腔体，第二腔体内进入的冷气通过第三进口19进入第一腔体中，可以对燃烧室进行冷却，避免由于温度过高而烧坏燃烧室内的结构。
实施例2
本实施例提供一种涡扇发动机，包括依次同轴设置的第一电机1、风扇3、高压压气机4、第二电机5、燃烧室6、高压涡轮7、级间燃烧室8、低压涡轮9、内涵道喷管10和外涵道喷管11。
其中，高压压气机4、高压涡轮7和低压涡轮9为轴流式、离心式、斜流式或向心式中的任一种。第二电机5与高压压气机4的转子和高压涡轮7的转子连接。第一电机1的转子与低压涡轮9的转子连接。其中，风扇3前设有支架2，第一电机1设于支架2上，且第一电机1的转子通过联轴器14与风扇3的转子连接。
高低压涡轮的转子中分别嵌入电机，这样在发动机总需求电功率一致情况下，高压轴提取的功率和低压轴提取的功率所占比例可以调节，从而起到主动调整发动机部件匹配，使得发动机各部件始终在高效率区工作的作用，同时可以抑制涡轮级间燃烧室引入后造成的高低压转差波动问题。改善发动机高低压转子匹配性，减少发动机迎风面积。此外，嵌入式电机的引入，提高了涡扇发动机的结构紧凑型，是兼顾经济性和超音速、多电化的理想涡扇发动机构型。
具体地，本构型第一加热节点燃烧室6，第二加热节点为级间燃烧室8，级间燃烧室8在低压涡轮前，与在尾喷口前增加热量相比，由于第二热点的环境压力更高，速度更低，这有利于燃烧效率的提升、循环效率提高，油耗更低，有利于增加航时，且取消了加力燃烧室，发动机轴向长度明显缩短。
在上述实施方式的基础上，在一种优选的实施方式中，高压压气机4的外周设置有外涵道，外涵道适于将通过风扇3的气流直接排出发动机；内涵道与燃烧室6和级间燃烧室8连接，适于排出燃烧后剩余的气体。
其中，发动机的尾部设置有与外涵道和内涵道相对应的外涵道喷管11和内涵道喷管10，外涵道喷管11和内涵道喷管10喉面可调节，使发动机在各种工作状态下都能保持良好的性能。
本实施例的涡扇发动机的工作过程可分为四个阶段：
第一阶段：发动机地面起动阶段，由第二电机5带动高压涡轮7的转子转动，从而实现核心机的起动。在此阶段，第一电机1不提取功率，级间燃烧室8不点火，仅作为高压涡轮7和低压涡轮9间过渡段工作。发动机起动成功后，第二电机5作为发电机提取高压涡轮7的转子功率，为发动机和飞机供电。
第二阶段：飞机起飞阶段，级间燃烧室8点火，为飞机提供充足推力。在此阶段，第二电机5继续为发动机和飞机供电，第一电机1不工作，以保证发动机推力最大化。
第三阶段：亚音速巡航阶段，飞机所需推力相对较低，级间燃烧室8熄火，仅作为高低压涡轮间过渡段工作，降低燃油消耗率，第一电机1提取功率进行发电，并将所发电力储存在电力存储装置中。第二电机5继续作为发电机提取高压涡轮的转子功率，正常为发动机和飞机供电。在第二电机5因发动机气动稳定性限制、齿轮系强度限制或大气环境影响下发电量不足以满足发动机和飞机的共同电力需求时，第一电机1所发电力可以用于为发动机和飞机补充供电。
第四阶段：飞机需要进行超音速巡航时，级间燃烧室8点火工作，同时第一电机1提取电力存储装置中的电能，作为电动机为低压涡轮的转子提供功率，从而显著提升发动机的推力。在此阶段，第二电机5继续作为发电机提取高压涡轮的转子功率，正常为发动机和飞机供电。在第二电机5因发动机气动稳定性限制、齿轮系强度限制或大气环境影响下发电量不足以满足发动机和飞机的共同电力需求时，由电力存储装置为发动机和飞机补充供电。当电力存储装置中的电量不足时，第一电机1将停止作为电动机为低压涡轮的转子提供功率，而是优先转换为发电机，提取功率为发动机和飞机补充供电。
第五阶段：发动机地面停车时，由于第一电机1和级间燃烧室8均不工作，所以和常规涡扇发动机停车过程相同。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种级间燃烧室，其特征在于，包括：
第一壳体(15)，设于外机匣上；
导流结构，设于外机匣和内机匣之间，且与所述第一壳体(15)和外机匣围合形成第一腔体，所述第一腔体上设有允许第一气流、第二气流和第三气流分别进入的第一进口(20)、第二进口(21)和第三进口(19)以及允许气流流出的第一出口(13)，所述第一进口(20)和第二进口(21)同侧设置，所述第一进口(20)和第三进口(19)相对设置，以使得第一气流进入所述第一腔体中后在第二气流和第三气流的作用下形成驻涡，经所述第一出口(13)排出。
2.根据权利要求1所述的级间燃烧室，其特征在于，所述导流结构包括弧形的导流叶片(16)和设于导流叶片(16)靠近第二进口(21)一端的支板(18)，所述支板(18)包覆在导流叶片(16)靠近第二进口(21)的一端，第二进口(21)设于所述支板(18)和外机匣之间，所述支板(18)和内机匣之间形成第四进口(23)，所述导流叶片(16)上设有喷油孔(17)。
3.根据权利要求1或2所述的级间燃烧室，其特征在于，还包括设于所述外机匣上的第二壳体(12)，所述第二壳体(12)、第一壳体(15)和外机匣之间形成第二腔体，所述第二腔体具有允许冷气进入的第五进口(22)和允许冷气排出的第二出口，所述第二出口与所述第三进口(19)贯通设置。
4.一种涡扇发动机，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的级间燃烧室，所述级间燃烧室设于低压涡轮(9)和高压涡轮(7)之间，还包括设于高压压气机(4)和高压涡轮(7)之间的燃烧室(6)。
5.根据权利要求4所述的一种涡扇发动机，其特征在于，还包括：设于风扇(3)前的第一电机(1)，所述第一电机(1)的转子与所述低压涡轮(9)的转子连接。
6.根据权利要求5所述的一种涡扇发动机，其特征在于，所述风扇(3)前设有支架(2)，所述第一电机(1)设于所述支架(2)上，且所述第一电机(1)的转子通过联轴器(14)与所述风扇(3)的转子连接。
7.根据权利要求4所述的一种涡扇发动机，其特征在于，还包括设于高压压气机(4)和燃烧室(6)之间的第二电机(5)，所述第二电机(5)与高压压气机(4)的转子和高压涡轮(7)的转子连接。
8.根据权利要求5所述的涡扇发动机，其特征在于，所述高压压气机(4)的外周设置有外涵道，所述外涵道适于将通过风扇(3)的气流直接排出发动机；
内涵道，与燃烧室(6)和级间燃烧室(8)连接，适于排出燃烧后剩余的气体。
9.根据权利要求8所述的涡扇发动机，其特征在于，所述发动机的尾部设置有与外涵道和内涵道相对应的外涵道喷管(11)和内涵道喷管(10)，所述外涵道喷管(11)和内涵道喷管(10)喉面可调节。
10.根据权利要求4-9任一项所述的涡扇发动机，其特征在于，所述高压压气机(4)、高压涡轮(7)和低压涡轮(9)为轴流式、离心式、斜流式或向心式中的任一种。
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