CN113982781B - 一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子全对转航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子全对转航空发动机。这种新概念的航空发动机设置一根中心空芯轴是航空发动机的纵向骨架，空芯轴内的对转动力轴前后贯穿航空发动机，使该机具备了前后都便于输出动力，具备了涡喷航空发动机、涡扇航空发动机、涡轴航空发动机、涡桨航空发动机、燃气轮机功能的全覆盖，压气机的前端设置了前尖锥型网络状高强度防护罩，以防止飞鸟、冰雪及杂物的撞击。压气机外周圆上套装了两级折叠式圆锥型风筒用来调整迎风面积，实现了冲压式进风调节，具备了冲压超燃新概念航空发动机功能。新概念航空发动机做功转化、动力传递等动力学结构，均适合燃气轮机、蒸汽轮机、空气压缩机、水轮机的升级。

Description

一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子全对转航空发动机

技术领域

本发明涉及一种航空发动机，特别涉及一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，属于航空发动机新工艺制造技术领域。

背景技术

航空发动机发展一百年来，经历了诸多技术突破和行业变革。从军事到民用，在相关产业取得了长足的进步，继而活塞、涡喷、涡扇、涡桨、涡轴等发动机相继问世。由于高技术、高投入、长周期、高风险等特点，世界航空发动机产业形成了明显、典型的寡头垄断格局。而我国航空发动机在发展历史、产品衍变、技术趋势、使用经验等相对滞后的同时，还受到了以美国为首的西方国家对我国航空发动机产业的技术封锁，使我国的航空发动机产业发展雪上加霜，航空发动机技术发展落后于欧美近三十年，使我国航空发动机技术的发展受到了双重压力和政治影响。

为此，我国战斗在航空工业技术领域战线上的专家学者们，深知祖国发展航空发动机的重要性和紧迫性，他们克服困难险阻走自己的路奋起直追，经过几代航天人的共同努力终于大大缩短了与欧美的差距，近年来我国研发的有些机型的技术性能已赶超欧美的现役机型的技术性能，为国争光为人民作出了贡献。

进入二十世纪，航空发动机已发展到了一个新高度。比较有代表性的涡轮喷气式风扇系列航空发动机从诞生至今，在以欧美三大航空业巨头为首的包括俄罗斯和我国航空专家学者们的不懈努力下得到了快速发展，技术性能已达到了极致。为此我们对所收集的资料和图片深刻研究，参照国内外航空专家学者们的评价、论证，结合自身十多年研究内燃机动力学的实践经验及国内外航空发动机的发展历程，发现了现役涡轮喷气式风扇航空发动机存在动力学结构不合理。即便掌握着航空发动机领先技术的欧美，也仅仅只是在耐高温轻质材料、提高涡轮前温度、对涡轮叶片冷却、提高转速和加工精度方面有所改善和提高。但对涡轮喷气式风扇系列航空发动机的动力学基础结构，并没有明显改进，仍存在动力学结构不合理。

具体体现在多种负作用力未完全消除，这就是造成航空发动机产生震动的根源，为此我们研发的这款全新概念的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，就是针对研发世界领先技术水平的航空发动机对我国强国富民的重要性和使命感，同时也了解到了欧美在航空发动机技术上的领先优势和对我国家研发新型航空发动机技术的封锁，深知祖国期待早日拥有技术领先的航空发动机的重要性。为我国从大国走向强军、强国和富民大业做出应有的贡献。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子全对转航空发动机，凸显颠覆性创新特征，并主要针对现在广泛应用的现役航空发动机存在的动力学结构不合理造成的震动噪声，和工作不稳定转化效率低下等缺点和不足，发明了本专利。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，

作为优选，一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，沿其中心轴方向纵向设置有一根中心空芯轴，中心空芯轴就是航空发动机的纵向骨架，中心空芯轴的前部设置有航空发动机压气机总成，中部设置有航空发动机燃烧室总成，后部设置有涡轮总成，航空发动机压气机总成的后端与航空发动机燃烧室总成前端通过法兰盘内圆止口及外圆止口的方式连接固定，航空发动机燃烧室总成的后端与航空发动机涡轮总成的前端通过法兰盘内圆止口及外圆止口的方式连接固定；法兰盘的内圆止口与中心空芯轴的外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机压气机总成的后端法兰盘外圆止口与航空发动机燃烧室总成前端法兰盘外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机燃烧室总成的后端法兰盘外圆止口与航空发动机涡轮总成的前端的法兰盘外圆止口用螺栓连接固定；所述中心空芯轴的空芯轴内设置的动力输出轴，也是航空发动机压气机转子叶轮和涡轮转子叶轮的对转动力轴，所述对转动力轴从压气机前端贯穿到涡轮后端，并将压气机总成和涡轮总成的各级对转转子叶轮的动力分别向航空发动机前后传动动力，使该机具备了前后都能输出动力，所述动力输出轴向前、向后的动力输出轴都可以连接涡扇航空发动机的连接方式输出动力，具备了涡扇航空发动机功能、可以连接涡轴航空发动机的连接方式输出动力，具备了涡轴航空发动机功能、可以连接涡桨航空发动机的连接方式输出动力，具备了涡桨航空发动机功能，均可连接前拉式和后推进式的动力输出连接方式输出动力，适合各种型号燃气轮机做功方式。

作为优选，多级分体式压气机总成转子叶轮盘纵向从前端向后端依次排列套装在中心空芯轴外周圆上并均用轴承支撑连接，各级相邻的压气机转子叶轮都依次反向对转，相邻反向对转的涡轮转子叶轮从前级向后级以次把上一级压缩空气定向组级接力式传递给下一级转子叶轮，以此类推至高压气增压的最后一级转子叶轮经与燃烧室连接处的高压空通道进入燃烧室完成高压压气机向燃烧室供高压空气做工功况。

作为优选，它的多级轴承支撑都在中心空芯轴内与高温区域都是有空气冷却涵道相隔离，即可工作在正常温度范围内，用高强度高速轴承就能正常使用。

作为优选，它的压气机总成转子叶轮和涡轮总成的转子叶轮都是分体式单级转子叶轮盘，叶片焊接或一次性铸成与转子叶轮盘和涡轮盘的外周圆风圈固定为一体，并同时同步旋转，相临对转转子叶轮或涡轮都是利用两端设置的多道内外圆周形凹凸形密封和弹性密封耐礳密封环进行密封。

作为优选，与压气机后端连接着的燃烧室的前端与压气机总成的后端相连接，它的后端与涡轮总成的前端相连接，所述燃烧室两端都是用耐高温的金属圆盘以法兰盘的连接方式与压气机的后端和涡轮的前端相连接，所述两法兰盘的内圆止口都与中心空芯轴的外圆止口用螺栓紧固相连接，燃烧室的前后两圆盘之间用若干个燃烧气缸相连接密封固定，所述燃烧气缸的前后两端以均分两法兰盘内外周长圆环的方式圆周形成排列，若干个燃气缸的前端都与压气机后端贯通连接密封固定，若干个燃烧气缸的后端都与涡轮的前端贯通连接密封固定，燃烧气缸是一个内圆桶外周套着一个内径大于内圆桶外若干厘米，外圆桶即燃烧气缸体，内圆桶为燃烧气缸的助烧器，燃烧气缸体的前端内中心与助燃器前端外中心重叠式连接密封固定，助燃器的前内端中心设置有向前端方向喷射的喷油器和点火器，助燃器前端外周圆与燃烧气缸体前端内周圆形成圆环型容积即燃烧气缸的空气预热气缸，空气预热气缸的前端圆环体周圆上设置了若干个压气机的压缩空气至燃烧气缸通气孔，助燃器和燃烧气缸体的后端圆环的内径套装在助燃器的外圆径上并焊接密封固定，所述空气预热气缸预热后的空气经过助燃器圆桶体上开设的若干个气孔进入助燃器燃烧，所述若干通气孔进气的方向都是沿助燃器外圆周切线向前和向着涡轮叶轮旋转的方向倾斜若干度数，使所进预热空气形成向前和向涡轮叶轮旋转的方向形成涡流，并卷入快速燃烧膨胀形成高温高压向涡轮叶轮喷射推动旋转做功。

作为优选，其涡轮叶轮产生的旋转动力有涡轮盘传给动力轴的前端轴头上，所述动力轴的后端连接固定着至少两级或多级对转的涡扇或涡桨并直接产生向后的风向后喷射型成向前的反作用力推动飞型器向前飞行。

作为优选，压气机前端的进风区域是两个或多个锥度相同的大小锥桶套装组合而成，并套装在压气机的外周上，套装在外圈的大锥桶的后端以铰接销的连接方式连接固定，千斤顶的液体缸体以铰接销的连接方式连接固定在机架上，控制液压千斤顶的顶杆伸出驱动锥桶向前伸展，使压气机的进风口面积可无级增大，当千斤顶的顶杆全部伸出时即压气机机进风面积最大时，液压千斤顶杆全部缩回时即压气机进面积最小时，是可无级增减进气量和压力的冲压超燃功能的全新概念的航空发动机。

作为优选，压气机前端外周上固定着用高强度材料做成的前尖锥体型网络防护罩来防止飞鸟、块壮冰雪和杂物进入航空发动机压气机内的一大安全隐患。

本发明的有益效果：

（一）颠覆性全新概念航空发动机的结构设计方案：设置一根中心空芯轴作为航空发动机的纵向骨架，空芯轴内设置的对转动力轴前后贯穿整个航空发动机，使该机具备了前后都便于输出动力，具备了涡喷航空发动机功能、涡扇航空发动机功能、涡轴航空发动机功能、涡桨航空发动机功能和各种型号燃气轮机功能的全覆盖，是军用、民用等各种大中小型飞形器的理想动力。

（二）革命性的取消了航空发动机的压气机静子（转子导向叶片），实现所有相邻的压气机转子叶片转子反向对转，相邻反向对转的压气机转子叶片互为转子导向叶片，具备了导向功能。实现了压气机总成轴向长度减少了约50%左右，重量减少了约35%左右，不仅减少了发动机的整体轴向长度同时增加了整体钢度并大幅度增加了推重比。

（二）颠覆性的取消了高、中、低压涡轮所有的静子盘总成，把整体式高、中、低压涡轮转子叶片总成改造为单级涡轮转子叶轮盘单体总成，实现了各单体转子叶轮盘多级纵向套装在中心空芯轴外周圆上，实现了相邻的涡轮转子反向对转，并且相邻反向对转的涡轮转子叶轮互为导向，其多级相邻反向对转的涡轮前后内外周圆端面设有密封环槽内的密封环在环槽底部的弹簧作用力使密封环与所对应的相邻端面形成度密度密封同时也具备了导向功能。实现了涡轮总成轴向长度减少约50%左右，重量减少约35%左右，大幅度增加了推重比，减少燃料消耗约50%，有望实现安全飞行约三至五万小时。

（三）该航空发动机的所有轴承都被风冷却专用涵道与高温区隔离，实现了轴承工作在常温范围之内（结束了航空发动对高温轴承的依赖）。

（四）该航空发动机中心轴内装置对转动力轴，压气机叶轮转子、涡轮转子都固定在空芯中心轴外周圆上。（中心空芯轴为该发动机的内骨架，也是空芯轴内的动力轴轴承的润滑油储油容器）

（五）该航空发动机相邻的风扇转子全部反向对转，并设置在低压涡轮的后侧即尾部，实现了涡轮产生的动力，以最短最直接的途径转化成推力，为推进式航空发动机。

（六）压气机的前端设置了前尖锥型网络状高强度防护罩，以防止飞鸟、冰雪及杂物的撞击。

（七）压气机外周圆上套装了两级折叠式圆锥型风筒用来调整迎风面积，实现了冲压式进风调节，具备了自变循环冲压超燃新概念航空发动机功能。

（八）这种新概念航空发动机做功转化、动力传递等动力学结构，均适合燃气轮机、蒸汽轮机、空气压缩机、水轮机的升级。均可提高以上几种动力机组约30-50%的转化效率，更凸显出它的有益效果必将掀起新一轮多领域多能源的动力转化机械工业的工业革命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和图2所示，本发明公开了一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其中心轴方向纵向设置一根中心空芯轴14，中心空芯轴14就是航空发动机的纵向骨架，中心空芯轴14的前部设置有航空发动机压气机总成28，中部设置有航空发动机燃烧室总成33，后部设置有涡轮总成19；所述航空发动机压气机总成28的后端与航空发动机燃烧室总成33的前端通过法兰盘内圆止口及外圆止口的方式连接固定，所述航空发动机燃烧室总成33的后端与航空发动机涡轮总成19的前端通过法兰盘的内圆止口及外圆止口的方式连接固定，所述法兰盘的内圆止口与中心空芯轴14的外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机压气机总成28的后端法兰盘的外圆止口与航空发动机燃烧室总成33前端法兰盘的外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机燃烧室总成33的后端法兰盘的外圆止口与航空发动机涡轮总成19的前端的法兰盘的外圆止口20用螺栓连接固定；所述中心空芯轴14，它的空芯轴内设置的动力输出轴，也是航空发动机压气机转子叶轮和涡轮转子叶轮的对转动力轴，所述对转动力轴从压气机前端贯穿到涡轮后端并将航空发动机压气机总成28和涡轮总成19的各级对转转子叶轮的动力分别向航空发动机前后传动动力，使该机具备了前后都能输出动力，所述动力输出轴其特点在于，它向前、向后的动力输出轴都可以连接涡扇航空发动机的连接方式输出动力具备了涡扇航空发动机功能、可以连接涡轴航空发动机的连接方式输出动力具备了涡轴航空发动机功能、可以连接涡桨航空发动机的连接方式输出动力具备了涡桨航空发动机功能，均可连接前拉式和后推进式的动力输出连接方式输出动力，适合各种型号燃气轮机做功方式。

多级分体式压气机总成转子叶轮盘40纵向从前端向后端依次排列套装在中心空芯轴14外周圆上并均用轴承44支撑连接，各级相邻的压气机转子叶轮都依次反向对转，相邻反向对转的涡轮转子叶轮从前级向后级依次把上一级压缩空气定向组级接力式传递给下一级转子叶轮以此类推至高压气增压的最后一级转子叶轮经与燃烧室连接处的高压空通道进入燃烧室完成高压压气机向燃烧室供高压空气做工功况。多级轴承支撑都在中心空芯轴内与高温区域都是有空气冷却涵道43相隔离即可工作在正常温度范围内，用高强度高速轴承就能正常使用。压气机总成转子叶轮和涡轮总成的转子叶轮都是分体式单级转子叶轮盘40，叶片1焊接或一次性铸成与转子叶轮盘和涡轮盘的外周圆风圈固定为一体并同时同步旋转，相临对转转子叶轮或涡轮都是利用两端设置的多道内外圆周形凹凸形密封41和弹性密封耐磨密封环进行密封。前端与压气机总成的后端相连接，它的后端与涡轮总成的前端相连接，所述燃烧室两端都是用耐高温的金属圆盘以法兰盘的连接方式与压气机的后端和涡轮的前端相连接，所述两法兰盘的内圆止口都与中心空芯轴的外圆止口用螺栓紧固相连接，燃烧室的前后两圆盘之间用若干个燃烧气缸相连接密封固定，所述燃烧气缸的前后两端以均分两法兰盘内外周长圆环的方式圆周形成排列，若干个燃气缸的前端都与压气机后端贯通连接密封固定，若干个燃烧气缸的后端都与涡轮的前端贯通连接密封固定，燃烧气缸是一个内圆桶外周套着一个内径大于内圆桶外若干厘米，外圆桶即燃烧气缸体，内圆桶为燃烧气缸的助烧器，燃烧气缸体的前端内中心与助燃器前端外中心重叠式连接密固定，助燃器的前内端中心固定着向前端方向喷射的喷油器和点火器，助燃器前端外周圆与燃烧气缸体前端内周圆形成圆环型容积即燃烧气缸的空气预热气缸，空气预热气缸的前端圆环体周圆上设置了若干个压气机的压缩空气至燃烧气缸通气孔，助燃器和燃烧气缸体的后端圆环的内径套装在助燃器的外圆径上并焊接密封固定，所述空气预热气缸预热后的空气经过助燃器圆桶体上开设的若干个气孔进入助燃器燃烧，所述若干通气孔进气的方向都是沿助燃器外圆周切线向前和向着涡轮叶轮旋转的方向倾斜若干度数，使所进预热空气形成向前和向涡轮叶轮旋转的方向形成涡流并卷入快速燃烧澎涨形成高温高压向涡轮叶轮喷射推动旋转做功。涡轮叶轮产生的旋转动力有涡轮盘传给动力轴的前端轴头上，所述动力轴后端连接固定着至少两级或多级对转的涡扇11、12、13或涡桨并直接产生向后的风向后喷射型成向前的反作用力推动飞行器向前飞行。压气机前端的进风区域是两个或多个锥度相同的前大后小锥角26、27套装组合而成，并套装在压气机28的外周上，套装在外圈的大锥角27的后端以交接销25的连接方式连接固定，千斤顶34的液体缸体以交接销24的连接方式连接固定在机架上，控制液压千斤顶的顶杆伸出驱动锥角27向前伸展，使压气机的进风口面积可无级增大，当千斤顶的顶杆全部伸出时即压气机机进风面积最大时，液压千斤顶杆全部缩回时即压气机进面积最小时，是可无级增减进气量和压力的冲压超燃功能的全新概念的航空发动机。压气机前端外周上固定着用高强度材料做成的前尖锥体型网络防护罩29来防止飞鸟、块壮冰雪和杂物进入航空发动机压气机内的一大安全隐患。

以上所述仅为本发明的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机的较佳实施例并不用以限制本发明，凡在本发明原理范围之内，所作的任何修改、同等替换、改进等，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其特征在于，沿其中心轴方向纵向设置有一根中心空芯轴，中心空芯轴就是航空发动机的纵向骨架，中心空芯轴的前部设置有航空发动机压气机总成，中部设置有航空发动机燃烧室总成，后部设置有涡轮总成，航空发动机压气机总成的后端与航空发动机燃烧室总成前端通过法兰盘内圆止口及外圆止口的方式连接固定，航空发动机燃烧室总成的后端与航空发动机涡轮总成的前端通过法兰盘内圆止口及外圆止口的方式连接固定；法兰盘的内圆止口与中心空芯轴的外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机压气机总成的后端法兰盘外圆止口与航空发动机燃烧室总成前端法兰盘外圆止口用螺栓连接固定，航空发动机燃烧室总成的后端法兰盘外圆止口与航空发动机涡轮总成的前端的法兰盘外圆止口用螺栓连接固定；所述中心空芯轴的空芯轴内设置的动力输出轴，也是航空发动机压气机转子叶轮和涡轮转子叶轮的对转动力轴，所述对转动力轴从压气机前端贯穿到涡轮后端，并将压气机总成和涡轮总成的各级对转转子叶轮的动力分别向航空发动机前后传动动力；多级分体式压气机总成转子叶轮盘纵向从前端向后端依次排列套装在中心空芯轴外周圆上并均用轴承支撑连接，各级相邻的压气机转子叶轮都依次反向对转，相邻反向对转的涡轮转子叶轮从前级向后级以次把上一级压缩空气定向组级接力式传递给下一级转子叶轮，以此类推至高压气增压的最后一级转子叶轮经与燃烧室连接处的高压空通道进入燃烧室完成高压压气机向燃烧室供高压空气做功工况；

压气机总成转子叶轮和涡轮总成的转子叶轮都是分体式单级转子叶轮盘，叶片焊接或一次性铸成与转子叶轮盘和涡轮盘的外周圆风圈固定为一体，并同时同步旋转，相临对转转子叶轮或涡轮都是利用两端设置的多道内外圆周形凹凸形密封和弹性密封耐礳密封环进行密封；

与压气机后端连接着的燃烧室的前端与压气机总成的后端相连接，它的后端与涡轮总成的前端相连接，所述燃烧室两端都是用耐高温的金属圆盘以法兰盘的连接方式与压气机的后端和涡轮的前端相连接，所述两法兰盘的内圆止口都与中心空芯轴的外圆止口用螺栓紧固相连接，燃烧室的前后两圆盘之间用若干个燃烧气缸相连接密封固定，所述燃烧气缸的前后两端以均分两法兰盘内外周长圆环的方式圆周形成排列，若干个燃气缸的前端都与压气机后端贯通连接密封固定，若干个燃烧气缸的后端都与涡轮的前端贯通连接密封固定，燃烧气缸是一个内圆桶外周套着一个内径大于内圆桶外若干厘米，外圆桶即燃烧气缸体，内圆桶为燃烧气缸的助烧器，燃烧气缸体的前端内中心与助燃器前端外中心重叠式连接密封固定，助燃器的前内端中心设置有向前端方向喷射的喷油器和点火器，助燃器前端外周圆与燃烧气缸体前端内周圆形成圆环型容积即燃烧气缸的空气预热气缸，空气预热气缸的前端圆环体周圆上设置了若干个压气机的压缩空气至燃烧气缸通气孔，助燃器和燃烧气缸体的后端圆环的内径套装在助燃器的外圆径上并焊接密封固定，所述空气预热气缸预热后的空气经过助燃器圆桶体上开设的若干个气孔进入助燃器燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其特征在于，多级轴承支撑都在中心空芯轴内与高温区域都是有空气冷却涵道相隔离。

3.根据权利要求1所述的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其特征在于，涡轮叶轮产生的旋转动力有涡轮盘传给动力轴的前端轴头上，所述动力轴的后端连接固定着至少两级对转的涡扇或涡桨并直接产生向后的风向后喷射型成向前的反作用力推动飞型器向前飞行。

4.根据权利要求1所述的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其特征在于，压气机前端的进风区域是两个或多个锥度相同的大小锥桶套装组合而成，并套装在压气机的外周上，套装在外圈的大锥桶的后端以铰接销的连接方式连接固定，千斤顶的液体缸体以铰接销的连接方式连接固定在机架上，控制液压千斤顶的顶杆伸出驱动锥桶向前伸展，使压气机的进风口面积可无级增大。

5.根据权利要求1所述的一种压气机多转子叶轮和涡轮多转子涡轮全对转的航空发动机，其特征在于，压气机前端外周上固定着用高强度材料做成的前尖锥体型网络防护罩。