CN116988890A - 单转子涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单转子涡扇发动机，发动机包括均位于发动机外机匣壳体内的转轴、风扇、离心压气机、涡轮以及燃烧室；风扇转子、离心压气机转子和涡轮转子依次固定装配于转轴上；发动机外机匣壳体的内壁与风扇转子之间形成风扇气流通道，内涵通道通向离心压气机，外涵通道通向发动机的排气口；内涵气流从离心压气机出来后，进入燃烧室内与燃油混合燃烧产生高温高压燃气，驱动涡轮转子转动，带动与之同轴设置的风扇转子和离心压气机转子转动，对气流增压做功，高温高燃燃气推动涡轮转子转动后从排气口喷出。单转子涡扇发动机兼具增压级数少、压比高、发动机的尺寸小、结构简单、可靠性好、加工制造成本降低的优点。

Description

单转子涡扇发动机

技术领域

本发明涉及涡扇发动机技术领域，具体涉及一种单转子涡扇发动机。

背景技术

应用于亚音速飞行的巡飞弹、巡航弹、靶机、小型无人机等无人飞行器的小推力燃气涡轮风扇发动机主要有两种，一种是双转子的，另一种是单转子的。

双转子的燃气涡轮风扇发动机的风扇部件为轴流式风扇。主流的推力小于600kgf的小推力的双转子燃气涡轮风扇发动机按风扇级数划分为多级轴流风扇(配合增压级)再结合离心压气机式，以及单级轴流风扇(配合增压级)再结合轴流离心组合压气机式。其中，轴流风扇转子(配合增压级)与低压涡轮转子均装配于低压轴上，离心压气机转子或轴流离心组合压气机转子与高压涡轮转子均装配于高压轴上，并且，低压轴内嵌于高压轴内部。双转子的燃气涡轮风扇发动机具有耗油率低、巡航时间长等优点。但是，由于双转子的燃气涡轮风扇发动机采用轴流式风扇，受限于轴流风扇本身的压比局限，为保证发动机的动力性能，需要较多的风扇/增压级或压气机级数来实现高压比设计。并且，由于低压轴通常为细长轴，并且小尺寸涡轮风扇发动机的设计转速很高，导致低压轴转子动力学问题突出。为解决低压转子动力学问题，通常采用多支点设计。双轴且多支点设计导致发动机转子的结构复杂、可靠性设计难度增加、加工制造成本增加。

单转子的燃气涡轮风扇发动机包括轴流式风扇(配合增压级)、多级轴流式压气机、燃烧室、燃气涡轮。其中，轴流式风扇转子(配合增压级)、多级轴流式压气机转子与燃气涡轮转子同轴。单转子的燃气涡轮风扇发动机虽然解决了双转子的燃气涡轮风扇发动机转轴多支点带来的问题，并具有结构简单、制造成本低等优点。但是，轴流式风扇配合轴流式压气机的设计，轴流式风扇本身的压比局限，使得单转子的燃气涡轮风扇发动机仍然需要较多的轴流压气机级数才能获得较高的发动机设计压比，而较多的轴流压气机级数又会带来气动问题，为了解决气动问题，又需增设可调导叶、放气活门等结构，使得整体结构复杂。

综上所述，现有的应用于亚音速飞行的巡飞弹、巡航弹、靶机、小型无人机等无人飞行器的小推力燃气涡轮风扇发动机无法同时兼顾低成本、高可靠性和高性能的设计需求，因此有必要设计一种新的单转子涡扇发动机。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有的应用于亚音速飞行的巡飞弹、巡航弹、靶机、小型无人机等无人飞行器的小推力燃气涡轮风扇发动机无法同时兼顾低成本、高可靠性和高性能设计需求，从而提供一种单转子涡扇发动机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种单转子涡扇发动机，所述发动机包括均位于发动机外机匣壳体内的转轴、风扇、离心压气机、涡轮以及燃烧室；所述风扇为斜流风扇或离心风扇；所述风扇、所述离心压气机、所述涡轮分别包括风扇转子、离心压气机转子、涡轮转子，所述风扇转子、所述离心压气机转子和所述涡轮转子依次固定装配于所述转轴上；所述发动机外机匣壳体的内壁与所述风扇转子之间形成风扇气流通道，所述风扇气流通道在分流环处分叉为内涵通道和外涵通道，所述内涵通道通向所述离心压气机，所述外涵通道通向所述发动机的排气口；其中，进入所述风扇气流通道的气流分为两股，分别为进入所述内涵通道的内涵气流和进入所述外涵通道内的外涵气流，所述内涵气流从所述离心压气机出来后，进入所述燃烧室内与燃油混合燃烧产生高温高压燃气，以驱动所述涡轮转子转动，转动的所述涡轮转子带动与之同轴设置的所述风扇转子和所述离心压气机转子转动，以对气流增压做功，高温高燃燃气推动所述涡轮转子转动后从所述排气口喷出。

进一步地，在气流流动方向上，所述风扇气流通道内在所述风扇转子的下游设有风扇扩压器。

进一步地，在气流流动方向上，所述内涵通道内在所述离心压气机转子的下游设有离心压气机径向扩压器和/或离心压气机轴向扩压器，适于为从所述离心压气机转子流出的所述内涵气流减速增压。

进一步地，所述转轴上设有第一支点和第二支点，所述第一支点设于所述转轴上靠近进气口一侧，所述第二支点设于所述转轴上靠近排气口一侧。

进一步地，所述外涵通道内设有外涵整流器。

进一步地，在气流流动方向上，所述内涵通道内在所述离心压气机转子的上游设有内涵整流器。

进一步地，还包括临近所述排气口设置的尾喷管混合器，所述内涵气流和所述外涵气流适于在所述尾喷管混合器内混合。

进一步地，所述内涵气流和所述外涵气流分别经内涵尾喷管和外涵尾喷管喷出。

进一步地，还包括与所述涡轮转子相适配的涡轮静子，所述涡轮静子固定连接于涡轮机匣上。

进一步地，所述单转子涡扇发动机为小推力发动机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的单转子涡扇发动机，包括均位于发动机外机匣壳体的转轴、风扇、离心压气机、燃烧室以及涡轮；风扇为斜流风扇或离心风扇；风扇转子、压气机转子以及涡轮转子依次固定装配于转轴上；发动机外机匣壳体的内壁与风扇转子之间形成风扇气流通道，风扇气流通道在分流环处分叉为内涵通道和外涵通道，内涵通道通向离心压气机，外涵通道通向发动机的排气口；进入风扇气流通道内的气流分为两股，分别为进入内涵通道的内涵气流和进入外涵通道的外涵气流，内涵气流从离心压气机出来后，进入燃烧室内与燃油混合燃烧产生高温高压燃气，以驱动涡轮转子转动，转动的涡轮转子带动同轴设置的风扇转子、离心压气机转子转动，以对气流增压做功，高温高燃燃气推动涡轮转子转动后从排气口喷出。由于采用斜流风扇或离心风扇替代轴流风扇，而单级轴流风扇的压比通常在1－2之间，单级斜流风扇的压比通常在3－5之间，单级离心风扇的压比通常在3－10之间，因此，借助斜流风扇或离心风扇本身就可以提高单转子涡扇发动机的压比，进而可减少单转子涡扇发动机的增压级数，而增压级数的减少，就无需设置可调导叶、放气活门等结构，因此又可简化整体结构，降低成本，并提高整体结构可靠性，又由于斜流风扇或离心风扇的进口直径比轴流风扇小，在保证离心压气机处于较大的转速的情况下，斜流风扇或离心风扇的切线速度与离心压气机的切线速度匹配度高，也即，可解决单转子涡扇发动机中离心压气机作为高压压气机与风扇作为低压压气机时，两级压气机之间的转速设计需求不匹配的问题，综上，本发明提供的单转子涡扇发动机能同时兼顾低成本、高可靠性和高性能设计需求。

2、本发明提供的单转子涡扇发动机，在气流流动方向上，风扇气流通道内在风扇转子的下游设有风扇扩压器、内涵通道内在离心压气机转子的下游设有离心压气机径向扩压器和/或离心压气机轴向扩压器，风扇扩压器、离心压气机径向扩压器、离心压气机轴向扩压器均可以对气流进行整流及减速增压，保证发动机良好的动力性能。

3、本发明提供的单转子涡扇发动机，转轴上设有第一支点和第二支点，第一支点设于转轴上靠近进气口一侧，第二支点设于转轴上靠近排气口一侧，第一支点和第二支点配合即可实现对转轴的稳定支撑，因此可减少转轴的支点数量，可降低发动机的转子结构复杂程度和转子动力学设计的难度，进而可降低发动机的加工制造成本。

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为本发明中采用斜流风扇且混合排气的单转子涡扇发动机的内部结构示意图；

图2为本发明中采用斜流风扇且分开排气的单转子涡扇发动机的内部结构示意图；

图3为本发明中采用离心风扇且混合排气的单转子涡扇发动机的内部结构示意图；

图4为本发明中采用离心风扇且分开排气的单转子涡扇发动机的内部结构示意图；

图5为本发明中的斜流风扇进气和出气方向示意图；

图6为本发明中的离心风扇进气和出气方向示意图。

附图标记说明：

1、发动机外机匣壳体；2、转轴；21、第一支点；22、第二支点；31、斜流风扇转子；32、离心风扇转子；33、风扇气流通道；34、风扇扩压器；35、分流环；4、离心压气机转子；41、离心压气机径向扩压器；42、离心压气机轴向扩压器；50、涡轮机匣；51、涡轮静子；52、涡轮转子；6、燃烧室；7、内涵通道；71、内涵整流器；8、外涵通道；81、外涵整流器；9、尾喷管混合器；A、进气口；B、排气口。

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

如图1至6所示，本实施例提供的单转子涡扇发动机，具体为小推力的单转子涡扇发动机。小推力的单转子涡扇发动机适用于亚音速飞行的巡飞弹、巡航弹、靶机、小型无人机等无人飞行器，这些无人飞行器的尺寸比较小，因此优选压比高的离心压气机。

首先声明，为了简化附图标记，风扇、离心压气机、涡轮均未给出标号，只是在附图中标出了风扇、离心压气机、涡轮上与本发明密切相关的部件标号，但这并不意味着风扇、离心压气机、涡轮仅有带标号的部件，另外，为了突出本发明的核心所在，对风扇、离心压气机和涡轮中与本发明的核心关联不大的部分只是简单提及。

如图1所示，本实施例提供的单转子涡扇发动机包括发动机外机匣壳体1、转轴2、风扇、风扇扩压器34、离心压气机、离心压气机径向扩压器41、离心压气机轴向扩压器42、涡轮、燃烧室6、内涵整流器71以及外涵整流器81。

转轴2绕自身轴线转动装设于发动机外机匣壳体1内。转轴2具有第一支点21和第二支点22，第一支点21和第二支点22配合实现对转轴2的稳定支撑。因此可减少转轴2的支点数量，可降低发动机的转子结构复杂程度和转子动力学设计的难度，进而可降低发动机的加工制造成本。具体地，第一支点21设于转轴2上靠近进气口A一侧，第二支点22设于转轴2上靠近排气口B一侧。第一支点21和第二支点22的具体位置可根据实际情况设置，在此不做具体限定。

风扇装设于发动机外机匣壳体1内。在本实施例中，风扇为斜流风扇或离心风扇。具体地，斜流风扇包括斜流风扇转子31，斜流风扇转子31固定装配于转轴2上，可随转轴2一起转动，斜流风扇转子31的进气方向和出气方向如图5所示；离心风扇包括离心风扇转子32，离心风扇转子32固定装配于转轴2上，可随转轴2一起转动，离心风扇转子32的进气方向和出气方向如图6所示。为了后面说明方便，此处将斜流风扇转子31与离心风扇转子32统称为风扇转子。风扇转子与发动机外机匣壳体1的内壁之间形成风扇气流通道33。在气流流动方向上，风扇气流通道33内在风扇转子的下游设有风扇扩压器34，从风扇过来的气流被风扇扩压器34减速增压。

风扇气流通道33被分流环35分为内涵通道7和外涵通道8。内涵通道7通向下述的离心压气机转子4，外涵通道8通向发动机的排气口B。从风扇气流通道33过来的气流被分为两股，分别为进入内涵通道7的内涵气流和进入外涵通道8的外涵气流。在内涵通道7内设有对内涵气流进行整流的内涵整流器71，在外涵通道8内设有对外涵气流进行整流的外涵整流器81。当然，内涵整流器71和外涵整流器81并非必需，可根据实际情况不予设置。

离心压气机包括离心压气机静子和离心压气机转子4。离心压气机转子4固定装配于转轴2上，可随转轴2一起转动。在气流流动方向上，内涵通道7内在离心压气机转子4的下游依次设有离心压气机径向扩压器41和离心压气机轴向扩压器42。从离心压气机过来的气流依次被离心压气机径向扩压器41和离心压气机轴向扩压器42减速增压。当然，离心压气机径向扩压器41和离心压气机轴向扩压器42也可择一设置，而非同时设置。

涡轮包括涡轮静子51和涡轮转子52。涡轮静子51固定于涡轮机匣50上，涡轮转子52固定装配于转轴2上，可随转轴2一起转动。在本实施例中，涡轮转子52为轴流式或向心式的涡轮转子。

在本实施例中，单转子涡扇发动机的排气方式有两种，一种是混合排气，一种是分开排气。对于混合排气而言，需要设置尾喷管混合器9，具体地，尾喷管混合器9靠近排气口B设置，内涵气流和外涵气流在尾喷管混合器9内混合后从排气口B喷出发动机，以产生推力。对于分开排气而言，则无需设置尾喷管混合器9，内涵气流和外涵气流分别经由内涵尾喷管和外涵尾喷管从排气口B喷出发动机，以产生推力。

下面介绍具斜流风扇且混合排气的单转子涡扇发动机的工作过程：

来自环境大气的气流从进气口A被斜流风扇吸入风扇气流通道33，进入风扇气流通道33内的气流在分流环35处分成两股，分别为进入内涵通道7的内涵气流和进入外涵通道8的外涵气流，内涵气流经内涵整流器71整流后到达离心压气机转子4，而后到达离心压气机转子4下游的离心压气机径向扩压器41和离心压气机轴向扩压器42，并经离心压气机径向扩压器41和离心压气机轴向扩压器42减速增压后进入燃烧室6内，与燃油混合燃烧后产生高温高压燃气，高温高压燃气推动涡轮转子52转动，转动的涡轮转子52带动与之同轴设置的斜流风扇转子31、离心压气机转子4高速转动，高速转动起来的斜流风扇转子31对风扇气流通道33内的气流增压做功，使风扇气流通道33内的气流压力增加，增加压力后的气流进入内涵通道7后，由高速转动起来的离心压气机转子4再次增压做功，进而使得进入燃烧室6内的内涵气流的气压进一步提高，高温高压燃气推动涡轮转子52转动后进入尾喷管混合器9内，外涵气流在外涵通道8内被外涵整流器81整流后也进入尾喷管混合器9，外涵气流和内涵气流混合后，从尾喷管混合器9经由排气口B喷出，以产生推力，以驱动亚音速飞行的巡飞弹、巡航弹、靶机、小型无人机等无人飞行器飞行。

采用斜流风扇且分开排气的单转子涡扇发动机(如图2所示)的工作过程与采用斜流风扇且混合排气的单转子涡扇发动机的工作过程的区别在于：内涵气流和外涵气流无需在尾喷管混合器9内混合，而是分别经由内涵尾喷管和外涵尾喷管直接喷出排气口B。

采用离心风扇且混合排气的单转子涡扇发动机(如图3所示)的工作过程与采用斜流风扇且混合排气的单转子涡扇发动机的工作过程相同，在此不再赘述。

采用离心风扇且分开排气的单转子涡扇发动机(如图4所示)的工作过程与采用斜流风扇且分开排气的单转子涡扇发动机的工作过程相同，在此不再赘述。

下面从多方面介绍本实施例提供的单转子涡扇发动机的优点：

由于采用斜流风扇或离心风扇替代轴流风扇，而单级轴流风扇的压比通常在1－2之间，单级斜流风扇的压比通常在3－5之间，单级离心风扇的压比通常在3－10之间，因此，借助斜流风扇或离心风扇本身就可以提高单转子涡扇发动机的压比，进而可减少单转子涡扇发动机的增压级数。

又由于斜流风扇或离心风扇的进口直径比轴流风扇的进口直径小，在保证离心压气机转子4处于较大的转速的情况下，斜流风扇转子31或离心风扇转子32的切线速度与离心压气机转子4的切线速度匹配度高，也即，可解决单转子涡扇发动机中离心压气机作为高压压气机与风扇作为低压压气机时，两级压气机之间的转速设计需求不匹配的问题。

再者，由于增压级数比较少，因此，只需要第一支点21和第二支点22就可稳定支撑转轴2，使支点数量最小化，降低了发动机的转子结构复杂程度和发动机转子动力学设计的难度，并且，增压级数的减少，就无需设置可调导叶、放气活门等结构，可简化整体结构，提高发动机整体的结构可靠性，并可降低发动机的加工制造成本。

综上，在本实施例中，斜流风扇或离心风扇配合离心压气机的设计，使得本实施例提供的单转子涡扇发动机具有级数少、压比高的优点，并且，发动机的尺寸小、结构简单、可靠性好，解决了在严格的尺寸限制下小推力的单转子涡扇发动机高性能要求、结构可靠性要求，与加工制造成本之间的矛盾问题。

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的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种单转子涡扇发动机，其特征在于，所述发动机包括均位于发动机外机匣壳体(1)内的转轴(2)、风扇、离心压气机、涡轮以及燃烧室(6)；所述风扇为斜流风扇或离心风扇；所述风扇、所述离心压气机、所述涡轮分别包括风扇转子、离心压气机转子(4)、涡轮转子(52)，所述风扇转子、所述离心压气机转子(4)和所述涡轮转子(52)依次固定装配于所述转轴(2)上；所述发动机外机匣壳体(1)的内壁与所述风扇转子之间形成风扇气流通道(33)，所述风扇气流通道(33)在分流环(35)处分叉为内涵通道(7)和外涵通道(8)，所述内涵通道(7)通向所述离心压气机，所述外涵通道(8)通向所述发动机的排气口(B)；其中，进入所述风扇气流通道(33)的气流分为两股，分别为进入所述内涵通道(7)的内涵气流和进入所述外涵通道(8)内的外涵气流，所述内涵气流从所述离心压气机出来后，进入所述燃烧室(6)内与燃油混合燃烧产生高温高压燃气，以驱动所述涡轮转子(52)转动，转动的所述涡轮转子(52)带动与之同轴设置的所述风扇转子和所述离心压气机转子(4)转动，以对气流增压做功，高温高燃燃气推动所述涡轮转子(52)转动后从所述排气口(B)喷出。

2.如权利要求1所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，在气流流动方向上，所述风扇气流通道(33)内在所述风扇转子的下游设有风扇扩压器(34)。

3.如权利要求1所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，在气流流动方向上，所述内涵通道(7)内在所述离心压气机转子(4)的下游设有离心压气机径向扩压器(41)和/或离心压气机轴向扩压器(42)，适于为从所述离心压气机转子(4)流出的所述内涵气流减速增压。

4.如权利要求1所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，所述转轴(2)上设有第一支点(21)和第二支点(22)，所述第一支点(21)设于所述转轴(2)上靠近进气口(A)一侧，所述第二支点(22)设于所述转轴(2)上靠近排气口(B)一侧。

5.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，所述外涵通道(8)内设有外涵整流器(81)。

6.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，在气流流动方向上，所述内涵通道(7)内在所述离心压气机转子(4)的上游设有内涵整流器(71)。

7.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，还包括临近所述排气口(B)设置的尾喷管混合器(9)，所述内涵气流和所述外涵气流适于在所述尾喷管混合器(9)内混合。

8.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，所述内涵气流和所述外涵气流分别经内涵尾喷管和外涵尾喷管喷出。

9.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，还包括与所述涡轮转子(52)相适配的涡轮静子(51)，所述涡轮静子(51)固定连接于涡轮机匣(50)上。

10.如权利要求1－4中任一项所述的单转子涡扇发动机，其特征在于，所述单转子涡扇发动机为小推力发动机。