CN109595041B - 变循环大涵道比涡扇发动机 - Google Patents

变循环大涵道比涡扇发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变循环大涵道比涡扇发动机，包括多个涡轮导叶，所述涡轮导叶包括固定结构的叶片部分，以及多个可动叶片段，所述多个可动叶片段通过铰链连接，并与所述固定结构的叶片部分组成一空心区域；通过变动所述可动叶片段向所述涡轮导叶内部或外部转动，实现调节两个所述涡轮导叶之间的喉部面积。本发明在高涵道比条件下，减小涡轮导叶通流面积，改变增压级导叶安装角，可起到增压级防喘效果；避免了增压级后放气带来的能量损失，实现全包线增压级无放气；内涵能够通过更多的空气，可为发动机推力的发展提供更大的裕度。

Description

变循环大涵道比涡扇发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种变循环大涵道比涡扇发动机。
背景技术
图1为现有技术中双轴直驱大涵道比涡扇发动机的结构示意图。如图1所示，一般的双轴直驱大涵道比涡扇发动机按照气流轴向流动方向，将依次经过对气流初步压缩的风扇、进一步压缩内涵气流的增压级和高压压气机、对气流进行加热的燃烧室、分别驱动高压压气机和风扇(包括增压级)的高压涡轮以及低压涡轮、让高温高压气流高速喷出的喷管。
为了改善发动机推进效率，较为有效的方法是将通过发动机的空气分成两路，一路流过内涵道的压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，另一路流过外涵风扇和外涵尾喷管。外涵空气流量与内涵空气流量之比，我们称之为涵道比。
在整个工作包线内，飞机对发动机的性能要求随工作状态变化而变化。例如，在地面起飞及爬升时，飞机对发动机的推力要求较高。而在巡航状态时，飞机对发动机的耗油率要求较高。
目前，为了解决上述这种需求，一般通过变涵道比的变循环发动机设计方法解决，即地面起飞及爬升时，发动机在低涵道比状态下运行，经济巡航时在高涵道比状态下运行。
变循环发动机通过改变发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的发动机。传统的变涵道比的变循环发动机设计方法，在地面起飞时，通过提高燃烧室出口总温(目前国外已达到2000-2100K之间)，进而增大核心机抽吸能力，使得流过发动机内涵的空气流量较多，实现低涵道比状态。但此时增压级共同工作线下降较大，部件效率下降较多，并且增压级通流能力有限，高压压气机进口物理流量实际增大的不够多，影响变循环的效能。同时燃烧室温度高，将极大影响发动机热端部件冷却设计和寿命。在经济巡航时，降低核心机抽吸能力，使得内涵空气流量减少，提高发动机推进效率。但同时使得增压级共同工作线上升，影响增压级喘振裕度，尤其在发动机减速过程中，增压级极易发生喘振。目前只能通过在增压级出口放气解决，然而这种方式将会牺牲一部分经过增压级压缩的空气，带来能量损失。
因此，传统的变涵道比设计使得涡轮前总温变高并且增压级不能很好的匹配各部件的气动性能，降低了变涵道比带来的各项优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中涡扇发动机地面起飞和爬升状态下，燃烧室出口温度高、推力裕度发展受限以及发动机寿命受限、同时变涵道比还带来增压级工作不匹配等缺陷，提供一种变循环大涵道比涡扇发动机，其结合可变涡轮导叶与增压级可调导叶协调运转，实时改变航空发动机涵道比。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种变循环大涵道比涡扇发动机，包括多个涡轮导叶，其特点在于，所述涡轮导叶包括固定结构的叶片部分，以及多个可动叶片段，所述多个可动叶片段通过铰链连接，并与所述固定结构的叶片部分组成一空心区域；通过变动所述可动叶片段向所述涡轮导叶内部或外部转动，实现调节两个所述涡轮导叶之间的喉部面积。
根据本发明的一个实施例，所述可动叶片段包括第一段可动叶片段和第二段可动叶片段，所述第一段可动叶片段的一端通过第一铰链与所述固定结构的叶片部分的一端连接，所述第二段可动叶片段的一端通过第二铰链与所述固定结构的叶片部分的另一端连接；
所述第一段可动叶片段的另一端和所述第二段可动叶片段的另一端相互贴合。
根据本发明的一个实施例，所述涡轮导叶还包括调节转轴、调节转轴轴臂、第一传动臂和第二传动臂，所述第一传动臂的一端通过第一连接轴与所述第一段可动叶片段连接，所述第二传动臂的一端通过第二连接轴与所述第二段可动叶片段连接；
所述第一传动臂的另一端和所述第二传动臂的另一端通过第三连接轴与所述调节转轴轴臂连接，所述调节转轴轴臂与所述调节转轴连接。
根据本发明的一个实施例，所述涡轮导叶内部具有高压冷气。
根据本发明的一个实施例，所述固定结构的叶片部分和所述第一段可动叶片段及所述第二段可动叶片段之间具有隙缝，所述第一段可动叶片段和所述第二段可动叶片段之间具有隙缝。
根据本发明的一个实施例，所述可动叶片段包括第一段可动叶片段、第二段可动叶片段和第三段可动叶片段；
所述第一段可动叶片段的一端通过第一铰链与所述固定结构的叶片部分的一端连接，所述第一段可动叶片段的另一端通过第二铰链与所述第二段可动叶片段的一端连接，所述第二段可动叶片段的另一端通过第三铰链与所述第三段可动叶片段的一端连接；
所述第三段可动叶片段的另一端通过调节转轴连接至所述固定结构的叶片部分的另一端。
根据本发明的一个实施例，所述涡轮导叶内部具有高压冷气。
根据本发明的一个实施例，所述固定结构的叶片部分和所述第一段可动叶片段及所述第三段可动叶片段之间具有隙缝，所述第一段可动叶片段和所述第二段可动叶片段之间具有隙缝，所述第二段可动叶片段和所述第三段可动叶片段之间具有隙缝。
根据本发明的一个实施例，所述变循环大涵道比涡扇发动机的增压级导叶安装角为弦线与轴向的夹角，所述夹角的范围为0°-90°。
本发明的积极进步效果在于：
本发明变循环大涵道比涡扇发动机通过改变涡轮导叶通流面积，结合增压级可调导叶安装角的改变，其具有如下诸多优势：
一、在高涵道比条件下，减小涡轮导叶通流面积，改变增压级导叶安装角，可起到增压级防喘效果；
二、避免了增压级后放气带来的能量损失，实现全包线增压级无放气；
三、结构上可去除增压级放气活门及相应调节机构；
四、内涵能够通过更多的空气，可为发动机推力的发展提供更大的裕度；
五、与现有传统技术相比，相同推力条件下，可降低涡轮前总温，提高了发动机的使用寿命。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为现有技术中双轴直驱大涵道比涡扇发动机的结构示意图。
图2为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的结构示意图。
图3为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的排布状态示意图一。
图4为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的排布状态示意图二。
图5为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的结构示意图。
图6为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的排布状态示意图一。
图7为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的排布状态示意图二。
图8为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中具备可调导叶的增压级的示意图。
图9为本发明变循环大涵道比涡扇发动机的增压级安装角和涡轮导叶喉部面积联调的定性曲线示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
基于传统变涵道比设计方法带来的缺陷，本发明通过改变涡轮导叶流通面积，结合增压级可调导叶的协调运转，实现一种新型的变循环大涵道比涡扇发动机，避免了传统变涵道比设计方法的缺陷，具体包括风扇、可调导叶的增压级、高压压气机、燃烧室、一种可变几何导叶的涡轮以及尾喷管。下面结合附图对本发明变循环大涵道比涡扇发动机进行描述。
实施例一：
图1为现有技术中双轴直驱大涵道比涡扇发动机的结构示意图。图2为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的结构示意图。图3为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的排布状态示意图一。图4为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例一的排布状态示意图二。
如图1至图4所示，本发明变循环大涵道比涡扇发动机包括多个涡轮导叶10，其包括固定结构的叶片部分11，以及多个可动叶片段，所述多个可动叶片段通过铰链连接，并与固定结构的叶片部分11组成一空心区域，通过变动所述可动叶片段向涡轮导叶10内部或外部转动，实现调节两个涡轮导叶10之间的喉部面积。
优选地，本实施例中所述可动叶片段包括第一段可动叶片段12和第二段可动叶片段13，第一段可动叶片段12的一端通过第一铰链14与固定结构的叶片部分11的一端连接，第二段可动叶片段13的一端通过第二铰链15与固定结构的叶片部分11的另一端连接。第一段可动叶片段12的另一端和第二段可动叶片段13的另一端相互贴合。
涡轮导叶10还包括调节转轴16、调节转轴轴臂17、第一传动臂18和第二传动臂19，第一传动臂18的一端通过第一连接轴181与第一段可动叶片段12连接，第二传动臂19的一端通过第二连接轴191与第二段可动叶片段13连接。第一传动臂18的另一端和第二传动臂19的另一端通过第三连接轴182与调节转轴轴臂17连接，调节转轴轴臂17与调节转轴16连接。
进一步地，在涡轮导叶10内部具有高压冷气。固定结构的叶片部分11和第一段可动叶片段12及第二段可动叶片段13之间具有隙缝，第一段可动叶片段12和第二段可动叶片段13之间具有隙缝。
根据上述结构描述，本实施例变循环大涵道比涡扇发动机的工作原理：本实施例中固定结构的叶片部分11，第一段可动叶片段12和第二段可动叶片段13组成带一定空心的涡轮导叶10，在涡轮导叶10内部具有高压冷气，用于冷却涡轮导叶10内部的可动部件、连接轴及各部分叶片的连接铰链，使其均保证可靠工作。固定结构的叶片部分11与第一段可动叶片段12及第二段可动叶片段13之间，第一段可动叶片段12与第二段可动叶片段13之间，均存在微小隙缝。由于内部高压冷气与外部燃气的压力差，冷气通过所述隙缝可在导叶外壁面上形成冷却气膜。
在不同工作状态下，通过作动***转动调节转轴16，带动调节转轴轴臂17及第一传动臂18、第二传动臂19运动，而第一传动臂18和第二传动臂19分别带动第一段可动叶片段12，第二段可动叶片段13绕连接铰链向导叶内部或外部转动，从而改变导叶间喉部面积，实现调节涡轮级的通流能力，进而改善发动机内涵流道通流能力。
本实施例中航空发动机工作在起飞、爬升状态时，通过扩大涡轮导叶喉部面积，调整增压级导叶安装角改善发动机部件的气流匹配，进而增大内涵流道通流能力，实现涵道比变小，推力变大的循环。
实施例二：
图5为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的结构示意图。图6为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的排布状态示意图一。图7为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中涡轮导叶的实施例二的排布状态示意图二。
如图5至图7所示，本发明变循环大涵道比涡扇发动机包括多个涡轮导叶20，其包括固定结构的叶片部分21，以及多个可动叶片段，所述多个可动叶片段通过铰链连接，并与固定结构的叶片部分21组成一空心区域，通过变动所述可动叶片段向涡轮导叶20内部或外部转动，实现调节两个涡轮导叶20之间的喉部面积。
优选地，本实施例中所述可动叶片段包括第一段可动叶片段22、第二段可动叶片段23和第三段可动叶片段24。其中，第一段可动叶片段22的一端通过第一铰链221与固定结构的叶片部分21的一端连接，第一段可动叶片段22的另一端通过第二铰链222与第二段可动叶片段23的一端连接，第二段可动叶片段23的另一端通过第三铰链231与第三段可动叶片段24的一端连接。第三段可动叶片段24的另一端通过调节转轴25连接至固定结构的叶片部分21的另一端。通过上述结构，将固定结构的叶片部分21、第一段可动叶片段22、第二段可动叶片段23和第三段可动叶片段24，通过连接各部分叶片的第一铰链221、第二铰链222及第三铰链231形成为一体结构。
进一步地，在涡轮导叶20内部具有高压冷气。固定结构的叶片部分21和第一段可动叶片段22及第三段可动叶片段24之间具有隙缝，第一段可动叶片段22和第二段可动叶片段23之间具有隙缝，第二段可动叶片段23和第三段可动叶片段24之间具有隙缝。
根据上述结构描述，本实施例变循环大涵道比涡扇发动机的工作原理：本实施例中固定结构的叶片部分21，第一段可动叶片段22，第二段可动叶片段23，第三段可动叶片段24组成带一定空心的涡轮导叶20。涡轮导叶20内部具有高压冷气，用于冷却涡轮导叶内部的可动部件、连接轴及各部分叶片的连接铰链，使其均保证可靠工作。固定结构的叶片部分21与第一段可动叶片段22及第三段可动叶片段24之间，第一段可动叶片段22与第二段可动叶片段23之间，第二段可动叶片段22与第三段可动叶片段24之间，均存在微小隙缝。由于内部高压冷气与外部燃气的压力差，冷气通过隙缝可在导叶外壁面上形成冷却气膜。
在不同工作状态下，通过作动***转动调节转轴25，带动与其设计为一体的第三段可动叶片段24转动，由第三段可动叶片段24带动连接铰链运动，进一步传递到第二段可动叶片段23及第一段可动叶片段22，使其位置发生改变，从而改变导叶间喉部面积。实现调节涡轮级的通流能力，改善涡轮不同工况下部件性能匹配，提高发动机稳定性和降低发动机燃油消耗。
图8为本发明变循环大涵道比涡扇发动机中具备可调导叶的增压级的示意图。图9为本发明变循环大涵道比涡扇发动机的增压级安装角和涡轮导叶喉部面积联调的定性曲线示意图。
如图8和图9所示，本发明变循环大涵道比涡扇发动机具备可调导叶的增压级A如图8所示，其安装角可在一定范围内任意改变。优选地，所述变循环大涵道比涡扇发动机的增压级导叶安装角为弦线与轴向的夹角，所述夹角的范围为0°-90°。
本实施例中航空发动机工作在经济循环状态时，缩小涡轮导叶喉部面积，调整增压级导叶安装角改善发动机部件的气流匹配，进而减小内涵流道通流能力，实现涵道比变大，推进效率提高的循环。
综上所述，本发明变循环大涵道比涡扇发动机通过改变涡轮导叶通流面积，结合增压级可调导叶安装角的改变，其具有如下诸多优势：
一、在高涵道比条件下，减小涡轮导叶通流面积，改变增压级导叶安装角，可起到增压级防喘效果；
二、避免了增压级后放气带来的能量损失，实现全包线增压级无放气；
三、结构上可去除增压级放气活门及相应调节机构；
四、内涵能够通过更多的空气，可为发动机推力的发展提供更大的裕度；
五、与现有传统技术相比，相同推力条件下，可降低涡轮前总温，提高了发动机的使用寿命。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种变循环大涵道比涡扇发动机，包括多个涡轮导叶和多个增压级导叶，其特征在于，所述涡轮导叶包括固定结构的叶片部分，以及多个可动叶片段，所述多个可动叶片段通过铰链连接，并与所述固定结构的叶片部分组成一空心区域；通过变动所述可动叶片段向所述涡轮导叶内部或外部转动，实现调节两个所述涡轮导叶之间的喉部面积；
所述可动叶片段包括第一段可动叶片段、第二段可动叶片段和第三段可动叶片段；
所述第一段可动叶片段的一端通过第一铰链与所述固定结构的叶片部分的一端连接，所述第一段可动叶片段的另一端通过第二铰链与所述第二段可动叶片段的一端连接，所述第二段可动叶片段的另一端通过第三铰链与所述第三段可动叶片段的一端连接；
所述第三段可动叶片段的另一端通过调节转轴连接至所述固定结构的叶片部分的另一端；
所述变循环大涵道比涡扇发动机的增压级导叶安装角为弦线与轴向的夹角，所述夹角的范围为0°-90°。
2.如权利要求1所述的变循环大涵道比涡扇发动机，其特征在于，所述涡轮导叶内部具有高压冷气。
3.如权利要求1所述的变循环大涵道比涡扇发动机，其特征在于，所述固定结构的叶片部分和所述第一段可动叶片段及所述第三段可动叶片段之间具有隙缝，所述第一段可动叶片段和所述第二段可动叶片段之间具有隙缝，所述第二段可动叶片段和所述第三段可动叶片段之间具有隙缝。
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