CN103867337A - 大涵道比变循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大涵道比变循环发动机，包括：前风扇（1）、增压级（2）、高压压气机（3）、燃烧室（4）、分别通过高压轴（8）和低压轴（9）驱动高压压气机（3）和增压级（2）的高压涡轮（5）和低压涡轮（6）以及尾喷管（9），其中在增压级（2）和高压压气机（3）之间设置后风扇（10），后风扇（10）的转速介于增压级（2）和高压压气机（3）的转速之间，在后风扇（10）的出口位置设置有多个第一旁路活门（12）及对应的旁路通道。本发明通过增压级和高压压气机之间增设了后风扇来改善发动机部件的气流匹配，并在后风扇的出口位置设置可以打开或关闭的旁路活门，来改变发动机的涵道比，以适应不同功率状态的要求。

Description

大涵道比变循环发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机结构设计领域，尤其涉及一种大涵道比变循环发动机。

背景技术

如图1所示，为现有的普通大涵道比涡扇发动机的结构示意图。按照气流轴向流动方向a，其结构依次包括大尺寸的前风扇1、增压级2、用来压缩进入核心发动机的空气流的高压压气机3、提供燃油和压缩空气的混合物的燃烧空间的燃烧室4、由推进气流转动的高压涡轮5和低压涡轮6以及供涡轮出口气流高速喷出的尾喷管7，推进气流分别通过高压轴8和低压轴9，驱动高压压气机3和增压级2。

涵道比是指流过风扇旁路通道的空气与流过核心机的空气量之比。对于大涵道比涡扇发动机，为了降低设计点（通常是巡航状态）的耗油率，设计的涵道比越来越大，但是要保证大功率状态下进入核心机的空气流量（即推力），只能通过增大风扇尺寸的方法，而由于发动机安装尺寸、重量以及风扇叶尖转速的限制，风扇尺寸设计已接近极限。

对航空发动机来说，在起飞和爬升等大功率设定下，需要在低涵道比条件下运行，以产生高的推力；同时在慢车和巡航等状态时，需要在高涵道比条件下运行，以提供低的耗油率。由此产生了变循环发动机的概念。

一种典型的可变涵道比的结构，公开在美国专利U84068471中，按发动机轴向流动关系，在前风扇和高压压气机之间。设置有一后风扇，同高压压气机连接，由高压涡轮驱动，一可变面积的涵道引射器，设置在前、后风扇之间，以改变进入风扇旁路通道的第一进气口的空气量，从而改变燃气轮机的风扇涵道比。风扇旁路通道具有第二进气口，它位于后风扇的后方。进入第一和第二旁路通道的空气流的控制，通常通过选择器阀机构和某些特殊的称为可变涵道面积引射器(通常称为VABI)的间组件实现。具有两个或是多进气口的风扇旁路通道的燃气轮机，可以称为多旁气流变循环燃气轮机，公开在专利US5809772和CN101021181A中。但上述专利只适合于低涵道比混合排气的涡扇发动机。

上面介绍的变循环结构通过改变发动机涵道比，使发动机在巡航等低功率状态下选择高涵道比，节省燃油，在爬升等高功率状态下选择低涵道比，提高推力。但是与低涵道比混合排气的涡扇发动机不同，大涵道比发动机由于高、低压转子的转速相差悬殊，采用现有的方法不能解决变循环带来的发动机部件气流匹配问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种大涵道比变循环发动机，能够解决大涵道比涡扇发动机的变循环结构存在的发动机部件气流匹配的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种大涵道比变循环发动机，包括：前风扇（1）、增压级（2）、高压压气机（3）、燃烧室（4）、分别通过高压轴（8）和低压轴（9）驱动所述高压压气机（3）和增压级（2）的高压涡轮（5）和低压涡轮（6）以及尾喷管（9），其中在所述增压级（2）和高压压气机（3）之间设置后风扇（10），所述后风扇（10）的转速介于所述增压级（2）和所述高压压气机（3）的转速之间，在所述后风扇（10）的出口位置设置有多个第一旁路活门（12）及对应的旁路通道。

进一步的，所述后风扇（10）通过设置在所述低压轴（9）上的止推轴承（15）进行轴向定位。

进一步的，所述后风扇（10）通过行星齿轮减速器（14）与所述高压压气机（3）连接，受所述高压压气机（3）驱动，所述行星齿轮减速器（14）的传动比范围为2.5:1~1.5:1。

进一步的，在所述增压级（2）的出口位置还设置有多个第二旁路活门（11）及对应的旁路通道。

进一步的，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）分别对应的旁路通道为一可引导所述增压级（2）和后风扇（10）的旁路通道气流汇合的环形旁路通道。

进一步的，所述环形旁路通道具有环形喷口（13），所述环形喷口（13）的气流喷出方向与所述前风扇（1）的开式旁路通道气流流动方向一致。

进一步的，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）均为可变涵道面积引射器（Variable Area Bypass Injector，简称VABI）。

进一步的，在较高功率状态下，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）中较大部分关闭或全部关闭。

进一步的，在较低功率状态下，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）中较大部分打开或全部打开。

进一步的，所述后风扇（10）为一级或两级风扇。

基于上述技术方案，本发明在增压级和高压压气机之间增设了后风扇，并使其转速介于两者相差较悬殊的转速之间，进而有效的改善发动机部件的气流匹配，提高发动机的喘振裕度，满足变循环结构的要求，另外在后风扇的出口位置设置可以打开或关闭的旁路活门，来改变发动机的涵道比，以适应不同功率状态的要求。

在另一个实施例中，所述后风扇通过设置在所述低压轴上的止推轴承进行轴向定位。

在另一个实施例中，所述后风扇通过行星齿轮减速器与所述高压压气机连接，受所述高压压气机驱动，所述行星齿轮减速器的传动比范围为2.5:1~1.5:1。后风扇的转速可由驱动的高压压气机经过行星齿轮减速器减速来实现，其传动比范围可以使后风扇的转速介于增压级和高压压气机的转速之间。

在另一个实施例中，在所述增压级的出口位置还设置有多个第二旁路活门及对应的旁路通道。通过在增压级出口位置增加第二旁路活门可以获得更大范围的发动机涵道比改变区间。

在另一个实施例中，所述多个第一旁路活门和多个第二旁路活门分别对应的旁路通道为一可引导所述增压级和后风扇的旁路通道气流汇合的环形旁路通道。采用环形旁路结构可以引导增压级和后风扇的出口位置的旁路活门所排出的旁路通道气流汇合后排出，便于控制旁路通道气流排出的方向。

在另一个实施例中，所述环形旁路通道具有环形喷口，所述环形喷口的气流喷出方向与所述前风扇的开式旁路通道气流流动方向一致。将环形喷口的气流喷出方向设置成与前风扇的开式旁路通道气流流动方向一致，可以使两股旁路通道气流能够平稳均匀的汇合向后喷出产生推力，减少气流损失。

在另一个实施例中，所述多个第一旁路活门和多个第二旁路活门均为VABI。由于通过后风扇改善了气流匹配，因此只需采用开关式的VABI调节涵道比，而可避免使用连续可调的可变放气活门（Variable Bleed Valve，简称VBV）来解决气流匹配的问题，进而相对降低了因采用VABI装置导致的发动机重量和控制复杂度的增加。

在另一个实施例中，在较高功率状态下，所述多个第一旁路活门和多个第二旁路活门中较大部分关闭或全部关闭。在起飞爬升等较高功率状态时，发动机转子转速高，核心机需要较大的气流量，此时可以将多个第一旁路活门和多个第二旁路活门中较大部分关闭或全部关闭，进而使大部分或全部进口气流进入高压压气机，从而使核心机气流量增大，显著提升发动机推力。

在另一个实施例中，在较低功率状态下，所述多个第一旁路活门和多个第二旁路活门中较大部分打开或全部打开。在慢车或巡航等较低功率状态时，发动机转速较低，核心机需要的气流量较小，此时可以将多个第一旁路活门和多个第二旁路活门中较大部分打开或全部打开，使得到达增压级和后风扇的气流中的一部分从旁路活门中流出，进而减少进入到高压压气机的进口气流，大幅提高发动机涵道比，使发动机耗油量显著下降。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为现有的普通大涵道比涡扇发动机的结构示意图。

图2为本发明大涵道比变循环发动机的一实施例的结构示意图。

图3为本发明大涵道比变循环发动机实施例的较高功率状态下的变循环结构图。

图4为本发明大涵道比变循环发动机实施例的较低功率状态下的变循环结构图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图2所示，为本发明大涵道比变循环发动机的一实施例的结构示意图。在本实施例中，按照气流沿轴向的流动方向a，依次包括：前风扇1、增压级2、后风扇10、高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5、低压涡轮6和尾喷管7。其中高压涡轮5和低压涡轮6分别通过高压轴8和低压轴9驱动高压压气机3和增压级2。高压压气机3用来压缩进入到核心机的气流。燃烧室4可以容纳进入的燃油和压缩空气的混合物燃烧，以产生推进气流。

高压涡轮5由燃烧室4出口的推进气流转动，再通过高压轴8驱动高压压气机3，低压涡轮6由高压涡轮5出口的推进气流转动，再通过低压轴9驱动前风扇1和增压级2。低压涡轮6出口的推进气流经过尾喷管7高速喷出来推动发动机。

在本实施例中，后风扇10设置在增压级2和高压压气机3之间，其转速设置成介于增压级2和高压压气机3的转速之间，相比于现有的增压级2和高压压气机3之间较为悬殊的转速比，转速介于两者之间的后风扇10可以有效的改善发动机部件的气流匹配，提高发动机的喘振裕度（用于衡量发动机/压气机稳定工作的状况参数），满足变循环结构的要求。而在改善了发动机部件的气流匹配后，就可以减少增压级2和高压压气机3的级数，尽量保证发动机的重量和尺寸不增加。后风扇可以为一级或两级风扇。

在后风扇10的出口位置设置有多个第一旁路活门12及对应的旁路通道，利用这种第一旁路活门12的开闭可以调整发动机的涵道比。后风扇10的所在位置可以通过设置在低压轴9上的止推轴承15进行轴向定位。

在图2中，在后风扇10和高压压气机3之间还可以设置有行星齿轮减速器14，后风扇10通过行星齿轮减速器14与高压压气机3连接，受高压压气机3驱动，行星齿轮减速器14的传动比范围可设为2.5:1~1.5:1。普通的大涵道比涡扇发动机的增压级和高压压气机的转速比通常会达到或超过4:1，气流匹配性差，而经过行星齿轮减速其减速后的后风扇10的转速可以介于后风扇10和高压压气机3的转子转速之间。另外，由于后风扇的功率相对较低，因此采用的行星齿轮减速器的重量和体积较小。行星齿轮减速器14为内太阳轮、行星轮系、行星架和外太阳轮构成的周转轮系减速器。

在另一个实施例中，在增压级2的出口位置还可以设置有多个第二旁路活门11（在图2中也有示出）及对应的旁路通道。增加第二旁路活门11后，连同第一旁路活门12可以获得更大范围的发动机涵道比改变区间。旁路活门的分流能力与旁路活门的总面积有关（总面积等于旁路活门的数量与单个旁路活门的面积之积），假设在旁路活门均关闭的情况下，发动机设计涵道比约为5:1，而当旁路活门的总面积与内涵进口截面积在1:2的情况下，估计可分流约1/3的流量，经过两个旁路活门的分流，理想情况下能达到15:1，3倍的变化。保守一点也有2倍的变化，如从7:1到14:1。

相比于现有的普通大涵道比涡扇发动机来说，增压级2的叶高可适当增加，以便提高增压级2的叶高与大风扇叶高之间的比值，其叶高可使得最小涵道比达到5左右，相比于现有的普通大涵道比涡扇发动机的最小涵道比在10左右，本实施例可以增加涵道比的变化范围。

多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11分别对应的旁路通道可以包括多个单独的通道，也可以设置成如图2所示的环形旁路通道，可以引导增压级2和后风扇10的旁路通道气流汇合。采用环形旁路结构可以引导增压级和后风扇的出口位置的旁路活门所排出的旁路通道气流汇合后排出，便于控制旁路通道气流排出的方向。该环形旁路通道可以设置环形喷口13，该环形喷口13的气流喷出方向与前风扇1的开式旁路通道气流流动方向a一致，以使两股旁路通道气流能够平稳均匀的汇合向后喷出产生推力，减少气流损失。

这里的多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11均可以采用VABI。VABI是一种用于改变通道面积的作动机构。在本实例中由于增加了2组VABI，会增加发动机的重量和控制复杂度，而现有的发动机为了解决气流匹配问题，需要采用连续可调的VBV，而本实施例中发动机已经通过后风扇10解决了气流匹配的问题，因此只需采用开关式的VABI调节涵道比，而可省去使用VBV来解决气流匹配的问题，因此相当于相对现有的发动机只增加了一组旁路活门，相对抵消了增加发动机重量和控制复杂度的一部分不利影响。

下面通过图3和图4来说明下不同的功率状态下对应的本发明大涵道比变循环发动机变循环结构。

在图3所示的较高功率状态下，多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11中的较大部分旁路活门关闭或全部关闭。例如在起飞爬升等较高功率状态时，发动机转子转速高，核心机需要较大的气流量，此时可以将多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11全部关闭（参见图3），这时进入到前风扇1和增压级2的进口气流沿着方向b全部经过后风扇10，并沿着方向c流入到高压压气机，从而使核心机气流量增大，显著提升发动机推力。在其他的实例中，可以根据功率要求，保留一部分旁路活门的打开状态，以便获得希望的涵道比。

在图4所示的较低功率状态下，多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11中较大部分打开或全部打开。例如在慢车或巡航等较低功率状态时，发动机转子转速较低，核心机需要的气流量较小，此时可以将多个第一旁路活门12和多个第二旁路活门11全部打开（参见图4），此时进入到前风扇1和增压级2的气流一部分沿方向d从第二旁路活门11进入环形旁路通道，另一部分沿方向b进入后风扇10，从后风扇10流出的气流一部分从第一旁路活门12沿方向e进入环形旁路通道，而分别从第二旁路活门11和第一旁路活门12流入的气流在环形旁路通道内汇合，再沿着方向f从环形喷口中喷出，并与前风扇1的开式旁路通道的气流的流动方向a一致，而从后风扇10流出的气流的另一部分沿着方向c流入到高压压气机，通过第二旁路活门11和第一旁路活门12的分流作用可以减少进入到高压压气机的进口气流，大幅提高发动机涵道比，使发动机耗油量显著下降。在其他的实例中，可以根据功率要求，保留一部分旁路活门的关闭状态，以便获得希望的涵道比。

通过上述对本发明大涵道比变循环发动机的各个实施例的说明，可以看出本发明的实施例通过后风扇的设置，改善了发动机部件的气流匹配性，提高了发动机的喘振裕度，满足变循环结构的要求，而且还可以减少增压级和高压压气机的级数，以便确保发动机的重量和尺寸不发生显著变化；通过旁路活门的设置，增加了发动机涵道比的变化范围，可以满足更多工况下耗油率和推力的要求。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种大涵道比变循环发动机，包括：前风扇（1）、增压级（2）、高压压气机（3）、燃烧室（4）、分别通过高压轴（8）和低压轴（9）驱动所述高压压气机（3）和增压级（2）的高压涡轮（5）和低压涡轮（6）以及尾喷管（9），其特征在于，在所述增压级（2）和高压压气机（3）之间设置后风扇（10），所述后风扇（10）的转速介于所述增压级（2）和所述高压压气机（3）的转速之间，在所述后风扇（10）的出口位置设置有多个第一旁路活门（12）及对应的旁路通道。

2.根据权利要求1所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述后风扇（10）通过设置在所述低压轴（9）上的止推轴承（15）进行轴向定位。

3.根据权利要求1所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述后风扇（10）通过行星齿轮减速器（14）与所述高压压气机（3）连接，受所述高压压气机（3）驱动，所述行星齿轮减速器（14）的传动比范围为2.5:1~1.5:1。

4.根据权利要求1所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，在所述增压级（2）的出口位置还设置有多个第二旁路活门（11）及对应的旁路通道。

5.根据权利要求4所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）分别对应的旁路通道为一可引导所述增压级（2）和后风扇（10）的旁路通道气流汇合的环形旁路通道。

6.根据权利要求5所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述环形旁路通道具有环形喷口（13），所述环形喷口（13）的气流喷出方向与所述前风扇（1）的开式旁路通道气流流动方向一致。

7.根据权利要求4所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）均为可变涵道面积引射器。

8.根据权利要求4所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，在较高功率状态下，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）中较大部分关闭或全部关闭。

9.根据权利要求4所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，在较低功率状态下，所述多个第一旁路活门（12）和多个第二旁路活门（11）中较大部分打开或全部打开。

10.根据权利要求1所述的大涵道比变循环发动机，其特征在于，所述后风扇（10）为一级或两级风扇。

Images