CN115405436A - 涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡扇发动机，包括压气机、燃烧室、涡轮风扇组件以及减速器；燃烧室套设于压气机外并与压气机连通，涡轮风扇组件套设于减速器外，且涡轮风扇组件通过减速器带动压气机；涡轮风扇组件包括第一桨扇、固定设置于第一桨扇的桨尖的涡轮叶片组件；第一桨扇套设于减速器的环形齿轮外并与环形齿轮驱动连接，减速器的太阳齿轮与压气机的旋转结构驱动连接。本发动机通过设置差动行星减速器，涡轮风扇组件套设于减速器外，原为输出端的环形齿轮作为输入端，原为输入端的太阳齿轮作为输出端，涡轮风扇组件经环形齿轮输入驱动太阳齿轮进而驱动压气机，在满足发动机高推力的需求下，极大程度的缩短了发动机的轴向距离。

Description

涡扇发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种涡扇发动机。

背景技术

常规涡扇发动机的风扇、高压压气机、燃烧室、高压涡轮以及低压涡轮于一轴线分布设置。高速旋转的风扇将空气压缩到一定压力，经过分流装置，将空气分为两部分，一部分空气进入外涵道，另外一部分空气进入内涵道。进入内涵道的压缩空气被以更高速度旋转的高压压气机将压缩到更高的压力，高压空气进入燃烧室后与燃料快速混合，被点燃后形成高温、高压的燃气，燃气经过高压涡轮导向器加速，驱动高压涡轮的转子快速旋转，高压涡轮通过涡轮轴与高压压气机连接，驱动高压压气机转子以相同的速度旋转，燃气的温度和压力降低。离开高压涡轮的燃气在低压涡轮中继续膨胀做功，在低压涡轮导叶加速后，驱动低压涡轮转子高速旋转，低压涡轮转子通过涡轮轴与风扇相连接，风扇与低压涡轮以相同的速度旋转。低压涡轮后的燃气与外涵的空气混合后继续加速，排出发动机，产生推力。

常规涡扇发动机为增大推力、降低油耗，通过提升发动机热力循环参数来实现，如增大压比、增加涡轮前温度和提高涵道比。提高涡轮前端的温度受到材料性能和冷却能力限制，提高压比将导致发动机轴向长度尺寸增加等，提高涵道比同时受涡轮前端温度以及叶尖转速限制等条件的约束。因此，在现有技术上对常规涡轮风扇发动机的性能提升越来越艰难。

现有技术中国内外公开了多种叶尖涡轮发动机的技术方案，尽管能解决传统涡扇复杂压缩***、多转子、长跨距布局导致整机结构过于复杂的问题，但对于单一体化涡轮/风扇构型，其涡轮功仅依靠一个风扇进行传递，在发动机处于低状态工作时，内涵道气流的循环参数(压气机压比、燃烧室出口温度)较低，使得循环效率较低，导致受涡轮驱动的风扇功较低，推力较低及耗油率高；对于双一体化涡轮/风扇构型，因通过两排风扇来传递涡轮功，其中一排涡轮仅驱动压气机，使得另一排涡轮驱动风扇的同时还需通过增速齿轮驱动压气机，在发动机处于低状态工作时，与单一体化涡轮/风扇构型的叶尖涡轮发动机类似同样存在内涵道气流的循环参数较低的问题,使得受涡轮驱动的风扇功较低，推力较低及耗油率高，而由于采用了双一体化涡轮/风扇构型需设置级后支板结构作为支承，使得发动机轴向尺寸增加，影响发动机性能，并不利于发动机的紧凑布局。

发明内容

本发明提供了一种涡扇发动机，以解决现有发动机性能提升同时增大了轴向尺寸的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡扇发动机，包括压气机、燃烧室、涡轮风扇组件以及减速器；

所述燃烧室套设于所述压气机外并与所述压气机连通，所述涡轮风扇组件套设于所述减速器外，且所述涡轮风扇组件通过所述减速器带动所述压气机；

所述涡轮风扇组件包括第一桨扇、固定设置于所述第一桨扇的桨尖的涡轮叶片组件；

所述减速器包括太阳齿轮、环形齿轮、行星齿轮以及行星架，所述太阳齿轮与所述环形齿轮同轴设置，所述行星齿轮位于所述太阳齿轮和所述环形齿轮之间并分别与二者啮合，所述行星架与所述行星齿轮连接，用于随所述行星齿轮的周向移动而与所述太阳齿轮同轴转动；所述第一桨扇套设于所述环形齿轮外并与所述环形齿轮驱动连接，所述太阳齿轮与所述压气机的旋转结构驱动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述涡轮叶片组件包括沿气流方向同轴布设的第一涡轮叶片和第二涡轮叶片，所述第一涡轮叶片和所述第二涡轮叶片分别径向固定设置于所述第一桨扇的桨尖。

作为上述技术方案的进一步改进，所述涡轮风扇组件还包括涡轮导叶，所述涡轮导叶固定设置于发动机的外机匣内壁并位于所述燃烧室的出气端和所述涡轮风扇组件的进气端之间，多个所述涡轮导叶于所述发动机的外机匣内壁周向均匀分布。

作为上述技术方案的进一步改进，所述涡轮风扇组件还包括第二桨扇，所述第二桨扇套设于所述行星架外并与所述行星架驱动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二桨扇与所述行星架之间设置有角度调节构造，用于改变所述第二桨扇的相对来流方向的角度进而调节所述第二桨扇的扭矩。

作为上述技术方案的进一步改进，所述发动机还包括控制模块，所述控制模块与所述角度调节构造驱动连接，用于根据所述发动机的燃油流量变化调节所述角度调节构造进而改变所述第二桨扇的角度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述发动机还包括内支承结构，所述内支承结构包括设置于所述压气机的进气端的内支承机匣，所述内支承机匣与所述压气机同轴布设；所述内支承机匣形成有进气构造，所述进气构造的形成位置与所述压气机的旋转结构的进气端位置相适配，所述进气构造的宽度与所述压气机的旋转结构的进气端的径向尺寸相适配；所述内支承结构还包括内进气支板，多个所述内进气支板于所述进气构造内周向均匀排布。

作为上述技术方案的进一步改进，所述压气机的旋转结构的进气端的外壁和所述内进气支板之间设置有滚棒轴承，或者，所述压气机的旋转结构的进气端的外壁和所述内支承机匣之间设置有滚棒轴承；所述压气机的旋转结构朝向所述旋转结构的出气端方向轴向延伸形成有支承构造，所述支承构造与所述太阳齿轮驱动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述发动机还包括外支承结构，所述外支承结构包括外进气支板，所述外进气支板于所述内支承机匣和所述发动机的外机匣之间沿径向设置，多个所述外进气支板于所述内支承机匣和所述外机匣之间周向均匀排布；所述外进气支板为具有导流腔的空心板，所述外进气支板的两端分别设置与所述导流腔连通的开口，所述外进气支板的一端开口与所述压气机的出气端连通，所述外进气支板的另一端开口与所述燃烧室的进气端连通。

作为上述技术方案的进一步改进，所述行星架朝向所述发动机的排气端的方向设置；所述行星架朝向所述发动机的进气端一侧形成有延伸段；所述行星架的延伸段和所述外进气支板之间设置有滚棒轴承。

本发明具有以下有益效果：进入发动机的空气分为两路，即内涵空气流路和外涵空气流路，其中内涵空气流路的气流经压气机增压后进入外环设置的燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后的高温高压燃气经涡轮叶片组件驱动涡轮风扇组件旋转后通过发动机尾喷管排出；外涵空气流路的气流经第一桨扇增压后与内涵空气流路排出的不同压力不同温度的气体于尾喷管中混合排向大气；相比传统发动机风扇、压气机、燃烧室、涡轮等各部件沿轴向串行分布排列布局的结构，本发动机通过将燃烧室布设于压气机外，将涡轮、桨扇结构集成为一体化结构，且涡轮叶片组件整体周向布设于桨扇的叶尖，从而较大程度缩短了发动机的轴向距离；本发动机通过设置差动行星减速器，涡轮风扇组件套设于减速器外，将原为输出端的环形齿轮作为输入端，将原为输入端的太阳齿轮作为输出端，涡轮风扇组件经环形齿轮输入驱动太阳齿轮进而驱动压气机，在满足发动机高推力的需求下，极大程度的缩短了发动机的轴向距离，使发动机结构更为紧凑，进而在此基础上更大程度提升发动机性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例的发动机部分结构示意图；

图2是本发明优选实施例的发动机内外涵道流动示意图；

图3是本发明优选实施例的差动行星加速器结构简图。

1、内进气支板 2、压气机 21、支承构造 3、外进气支板 31、导流腔 4、燃烧室 5、第一涡轮导叶 6、第一涡轮叶片 7、涡轮出口支板 8、减速器 9、第二桨扇 91、角度调节构造 10、尾喷管 11、环形齿轮 12、行星架 121、延伸段 13、行星齿轮 14、太阳齿轮 15、第一桨扇 16、轴承 17、内支承机匣 18、第二涡轮导叶 19、第二涡轮叶片

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1至图3，本发明的优选实施例提供了一种涡扇发动机，包括压气机2、燃烧室4、涡轮风扇组件以及减速器8；

燃烧室4套设于压气机2外并与压气机2连通，涡轮风扇组件套设于减速器8外，且涡轮风扇组件通过减速器8带动压气机2；应当理解的是，由于燃烧室4设置于压气机2的外环，本实施例应用的压气机2优选为单级离心压气机2，旋转结构即为所述压气机2的离心叶轮；

涡轮风扇组件包括第一桨扇15、固定设置于第一桨扇15的桨尖的涡轮叶片组件；

减速器8包括与太阳齿轮14、环形齿轮11、行星齿轮13以及行星架12，第一桨扇15套设于环形齿轮11外并与环形齿轮11驱动连接，太阳齿轮14与压气机2的旋转结构驱动连接；

可以理解的是，本发明的减速器8为差动行星减速器8，太阳齿轮14、环形齿轮11(即外齿圈)同轴设置，行星齿轮13位于太阳齿轮14和环形齿轮11之间并与二者啮合；行星架12与行星齿轮13连接，随行星齿轮13的移动而与太阳齿轮14同轴转动。

本涡扇发动机工作原理：进入发动机的空气分为两路，即内涵空气流路和外涵空气流路，其中内涵空气流路的气流经压气机2增压后进入外环设置的燃烧室4与燃料混合燃烧，燃烧后的高温高压燃气经涡轮叶片组件驱动涡轮风扇组件旋转后通过发动机尾喷管10排出；外涵空气流路的气流经第一桨扇15增压后与内涵空气流路排出的不同压力不同温度的气体于尾喷管10中混合排向大气；相比传统发动机风扇、压气机2、燃烧室4、涡轮等各部件沿轴向串行分布排列布局的结构，本发动机通过将燃烧室4布设于压气机2外，将涡轮、桨扇结构集成为一体化结构，且涡轮叶片组件整体周向排布的固定设置于桨扇的叶尖，从而较大程度缩短了发动机的轴向距离；本发动机通过设置差动行星减速器8，涡轮风扇组件套设于减速器8外，将原为输出端的环形齿轮11作为输入端，将原为输入端的太阳齿轮14作为输出端，涡轮风扇组件经环形齿轮11输入驱动太阳齿轮14进而驱动压气机2，在满足发动机高推力的需求下，极大程度的缩短了发动机的轴向距离，使发动机结构更为紧凑，进而在此基础上更大程度提升发动机性能。

具体的，涡轮叶片组件包括沿气流方向同轴布设的第一涡轮叶片6和第二涡轮叶片19，第一涡轮叶片6和第二涡轮叶片19均固定设置于第一桨扇15的桨尖；

具体的，涡轮风扇组件还包括第一涡轮导叶5，第一涡轮导叶5固定设置于发动机的外机匣内壁并位于燃烧室4的出气端和第一涡轮叶片6的进气端之间，由第一涡轮导叶5对燃烧室4流出的高温高压燃气进行膨胀加速，为第一涡轮叶片6提供合适的气流预旋角；涡轮风扇组件还包括第二涡轮导叶18，第二涡轮导叶18固定设置于发动机的外机匣内壁并位于第一涡轮叶片6的出气端和第二涡轮叶片19的进气端之间，作用同第一涡轮导叶5；

其中，发动机的外机匣内壁还固定设置有位于第二涡轮叶片19的出口端的涡轮出口支板7，以对排出气流导向，同时减少流动损失。

进一步的，涡轮风扇组件还包括第二桨扇9，第二桨扇9套设于行星架12外并与行星架12驱动连接，本发动机通过设置第一桨扇15、第二桨扇9、差动行星减速器8，涡轮风扇组件设置于减速器8外，将原为输出端的环形齿轮11作为输入端由第一桨扇15驱动，将行星架12作为输入端由第二桨扇9驱动，将原为输入端的太阳齿轮14作为输出端，涡轮风扇组件经环形齿轮11输入驱动太阳齿轮14进而驱动压气机2，利用差动行星减速器8发展了新驱动方式(双输入单输出方式)，以增速方式驱动太阳齿轮14作为功率输出端，在满足发动机高推力的需求下，极大程度的缩短了发动机的轴向距离，使发动机结构更为紧凑；通过差动行星减速器8、第一桨扇15和第二桨扇9结合应用，气流通过涡轮风扇组件的轴向路径较长，进出口气流的轴向速度差较大，在风扇相同流通几何条件下(即流通面积、流量相同条件下)，本发动机的桨扇叶尖切向速度更低，第一桨扇15相比第二桨扇9转速低，具有较高的强度储备；另一方面，基于两桨扇与差动行星减速器8的结合应用，两桨扇为对转工作方式，第一桨扇15为第二桨扇9进口气流提供预旋，进而提高压缩效率，并降低了减速器8转速需求及齿轮负荷。

进一步的，第二桨扇9与行星架12之间设置有角度调节构造91，用于改变第二桨扇9的角度进而调节第二桨扇9的扭矩；在发动机处于低转速状态工作时，因发动机转速降低使得发动机循环参数(离心压气机2压比及燃烧室4出口总温)降低，通过角度调节构造91调节第二桨扇9的角度进而增加第二桨扇9的扭矩，即第二桨扇9角度向顺桨方向调整(桨扇叶片与来流方向趋于平整)，此时第二桨扇9的增速降低，吸收功率降低，使得涡轮风扇组件的功率通过差动行星减速器8装置传递给单级离心压气机2的功率增加，从而使得单级离心压气机2转速和压比增加；当第二桨扇9的角度调整至风扇顺桨位置时，第二桨扇9处于扭矩最大位置，其转速最小，流通面积最大进而流通能力增加，吸收功率最小，使得涡轮风扇组件的桨扇段及单离心压气机2获得更多的功率，空气流量、转速及压比均增加，基于航空发动机工作原理可知，在给定燃油条件下，增加压缩部件压比可以提升发动机的循环功，同时由于内外涵的气流流量均增加，可进一步提升发动机推力及降低耗油率，此时可近似认为差动行星减速器8的单输入双输出功能蜕化为单输入单输出功能。当第二桨扇9处于正桨位置(设计点)及顺桨位置所对应的燃油流量之间，存在不同的发动机燃油流量下，通过角度调节构造91调节第二桨扇9即可获得最大的推力及最低的耗油率，由此获得一各转速条件下推力最优的涡扇发动机。

基于上述技术方案，本发动机还设置有控制模块，控制模块与角度调节构造91驱动连接，用于根据发动机的燃油流量变化调节角度调节构造91改变第二桨扇9的角度，使其角度适配当前燃油量在各推力下保持最低耗油率。

进一步的，发动机包括内支承结构，内支承结构包括设置于压气机2的进气端的内支承机匣17，内支承机匣17与压气机2同轴布设；内支承机匣17形成有进气构造，进气构造的形成位置与压气机2的旋转结构的进气端位置相适配，进气构造的宽度与压气机2的旋转结构的进气端的径向尺寸相适配，即可使内涵道气流经内支承机匣17的进气构造引流进入压气机2；内支承结构还包括沿内支承机匣17径向设置的内进气支板1，多个内进气支板1于进气构造内周向均匀排布，对来流气流进行导向及膨胀加速；

本实施例中，各个内进气支板1的内端环绕形成的环面和压气机2的旋转结构的进气端的外壁之间设置有滚棒轴承16以支承并径向定位压气机2的旋转结构，进一步缩短支承跨距，使压气机2前端的气流导向结构和支承结构位于同一轴向位置，进一步减少发动机的轴向距离，使发动机结构紧凑；

在一些实施例中，也可以是内支承机匣17和压气机2的旋转结构的进气端的外壁之间设置有滚棒轴承16，实现如上效果。

本实施例中，压气机2的旋转结构朝向旋转结构的出气端方向轴向延伸形成有筒状的支承构造21，该支承构造21与太阳齿轮14驱动连接，减速器8即经太阳齿轮14驱动支承构造21从而驱动压气机2的旋转结构运转。

本实施例中，发动机还包括外支承结构，外支承结构包括外进气支板3，外进气支板3于内支承机匣17和发动机的外机匣之间径向设置，多个外进气支板3于内支承机匣17和外机匣之间周向均匀排布；外进气支板3为具有导流腔31的空心板，外进气支板3的两端分别设置与导流腔31连通的开口，外进气支板3的第一端的开口与压气机2的出气端连通，外进气支板3的第二端的开口与燃烧室4的进气端连通，通过设置外进气支板3，内涵空气流路则经进气构造、压气机2、导流腔31进入燃烧室4，外涵空气流路经各外进气支板3之间间隙后依次经第一桨扇15、第二桨扇9后进入发动机的尾喷管10。

本实施例中，导流腔31的尺寸由进气端向出气端方向逐渐增大，以对进入燃烧室4的高压气体减速扩压，降低流动损失；同理，本发动机于涡轮桨扇组件的出气端设置有尾喷管10，尾喷管10的尺寸由入口端向出口端方向逐渐增大，以达减速扩压目的，减少流动损失。

应当理解的是，第二桨扇9位于尾端，与其连接的行星架12为朝向发动机的排气端的方向设置；行星架12朝向发动机的进气端一侧形成有延伸段121，该延伸端为与太阳齿轮14同轴的筒状结构，随行星架12同轴转动；外进气支板3和行星架12的延伸段121之间设置有滚棒轴承16作为支承，进一步缩短支承跨距，结构紧凑；

本发动机的内支承结构和外支承结构基于涡轮风扇组件与减速器8同轴设置结构，通过于压气机2前端设置轴承16支承在内、涡轮前端设置轴承16支承在外的支承方式，取消了级间支板构造以及级后支承结构的设置，布局紧凑，且具有较好的刚性，相比现有支承结构进一步缩短支承跨距，进而缩短发动机轴向距离。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡扇发动机，其特征在于，包括压气机(2)、燃烧室(4)、涡轮风扇组件以及减速器(8)；

所述燃烧室(4)套设于所述压气机(2)外并与所述压气机(2)连通，所述涡轮风扇组件套设于所述减速器(8)外，且所述涡轮风扇组件通过所述减速器(8)带动所述压气机(2)；

所述涡轮风扇组件包括第一桨扇(15)、固定设置于所述第一桨扇(15)的桨尖的涡轮叶片组件；

所述减速器(8)包括太阳齿轮(14)、环形齿轮(11)、行星齿轮(13)以及行星架(12)，所述太阳齿轮(14)与所述环形齿轮(11)同轴设置，所述行星齿轮(13)位于所述太阳齿轮(14)和所述环形齿轮(11)之间并分别与二者啮合，所述行星架(12)与所述行星齿轮(13)连接，用于随所述行星齿轮(13)的周向移动而与所述太阳齿轮(14)同轴转动；所述第一桨扇(15)套设于所述环形齿轮(11)外并与所述环形齿轮(11)驱动连接，所述太阳齿轮(14)与所述压气机(2)的旋转结构驱动连接。

2.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述涡轮叶片组件包括沿气流方向同轴布设的第一涡轮叶片(6)和第二涡轮叶片(19)，所述第一涡轮叶片(6)和所述第二涡轮叶片(19)分别径向固定设置于所述第一桨扇(15)的桨尖。

3.根据权利要求2所述的涡扇发动机，其特征在于，所述涡轮风扇组件还包括涡轮导叶，所述涡轮导叶固定设置于发动机的外机匣内壁并位于所述燃烧室(4)的出气端和所述涡轮风扇组件的进气端之间，多个所述涡轮导叶于所述发动机的外机匣内壁周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述涡轮风扇组件还包括第二桨扇(9)，所述第二桨扇(9)套设于所述行星架(12)外并与所述行星架(12)驱动连接。

5.根据权利要求4所述的涡扇发动机，其特征在于，所述第二桨扇(9)与所述行星架(12)之间设置有角度调节构造(91),用于改变所述第二桨扇(9)的相对来流方向的角度进而调节所述第二桨扇(9)的扭矩。

6.根据权利要求5所述的涡扇发动机，其特征在于，所述发动机还包括控制模块，所述控制模块与所述角度调节构造(91)驱动连接，用于根据所述发动机的燃油流量变化调节所述角度调节构造(91)进而改变所述第二桨扇(9)的角度。

7.根据权利要求1所述的涡扇发动机，其特征在于，所述发动机还包括内支承结构，所述内支承结构包括设置于所述压气机(2)的进气端的内支承机匣(17)，所述内支承机匣(17)与所述压气机(2)同轴布设；所述内支承机匣(17)形成有进气构造，所述进气构造的形成位置与所述压气机(2)的旋转结构的进气端位置相适配，所述进气构造的宽度与所述压气机(2)的旋转结构的进气端的径向尺寸相适配；所述内支承结构还包括内进气支板(1)，多个所述内进气支板(1)于所述进气构造内周向均匀排布。

8.根据权利要求7所述的涡扇发动机，其特征在于，所述压气机(2)的旋转结构的进气端的外壁和所述内进气支板(1)之间设置有滚棒轴承(16)，或者，所述压气机(2)的旋转结构的进气端的外壁和所述内支承机匣(17)之间设置有滚棒轴承(16)；所述压气机(2)的旋转结构朝向所述旋转结构的出气端方向轴向延伸形成有支承构造(21)，所述支承构造(21)与所述太阳齿轮(14)驱动连接。

9.根据权利要求7所述的涡扇发动机，其特征在于，所述发动机还包括外支承结构，所述外支承结构包括外进气支板(3)，所述外进气支板(3)于所述内支承机匣(17)和所述发动机的外机匣之间沿径向设置，多个所述外进气支板(3)于所述内支承机匣(17)和所述外机匣之间周向均匀排布；所述外进气支板(3)为具有导流腔(31)的空心板，所述外进气支板(3)的两端分别设置与所述导流腔(31)连通的开口，所述外进气支板(3)的一端开口与所述压气机(2)的出气端连通，所述外进气支板(3)的另一端开口与所述燃烧室(4)的进气端连通。

10.根据权利要求9所述的涡扇发动机，其特征在于，所述行星架(12)朝向所述发动机的排气端的方向设置；所述行星架(12)朝向所述发动机的进气端一侧形成有延伸段(121)；所述行星架(12)的延伸段(121)和所述外进气支板(3)之间设置有滚棒轴承(16)。

Images