專利名稱：混排航空發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及后置風扇混排航空發(fā)動機，特別是涉及一種帶級間燃燒室的后置風扇混排航空發(fā)動機。
背景技術：
目前軍用機中真正意義上能實現(xiàn)超音速巡航飛行的只有F22戰(zhàn)斗機，雖然轟炸機 XB-70、強擊機A-12、偵察機SR-71在加力狀態(tài)下可以實現(xiàn)馬赫數(shù)最高為3的超音速飛行，但依據第四代戰(zhàn)斗機標準來看，加力燃燒室的使用極大地降低了飛機的隱身性能。而航空發(fā)動機的性能的提高主要靠增加壓氣機總壓比的同時，并提高渦輪前溫度。目前，F(xiàn)100-PW2^ 發(fā)動機總壓比接近34，F(xiàn)119的渦輪前溫度可達2050K，在現(xiàn)有技術條件下，進一步增加總壓比容易引起壓氣機的失速，燃燒室溫升也受渦輪葉片耐熱強度的限制，提高燃燒室出口溫度有待于材料科學的進一步發(fā)展。在現(xiàn)有總壓比和溫升內，航空發(fā)動機性能似乎到了極限。1997年美國加州大學提出在高低壓渦輪間設置級間燃燒室可以有效提高發(fā)動機總體性能，專利號CN101566353A、CN101070961A、CN1858498A提出了不同的級間燃燒室結構，專利CN101709656A是提出了級間燃燒室葉片冷卻效率和燃燒效率的計算耦合方法。事實上，增加級間燃燒室后，除了對燃燒室結構進行設計外，還需要對發(fā)動機整體結構進行改動，因為增設級間燃燒室后，低壓渦輪做功能力增加，落壓比減小，在原發(fā)動機結構下，內涵道總壓將高于外涵道總壓，而事實與理論均表明只有在內外涵壓力近似相等時，內外涵氣流混合后損失才最小，為了使內外涵壓力匹配，國內外普遍認為的改造方案是增加風扇壓比或增加涵道比。但改變原發(fā)動機的結構，需要耗費較多的財力投入。即使保持核心機不變，只改造風扇，將增加原發(fā)動機總壓比，容易引發(fā)壓氣機內部的氣動問題。世界第一臺風扇后置的渦扇發(fā)動機是美國通用發(fā)動機公司1959年研制的CF700， 前蘇聯(lián)研制的具有外涵道的槳扇發(fā)動機也類似為風扇后置的發(fā)動機，專利CN16M806A和申請?zhí)朇N101881237A均為風扇后置的分排發(fā)動機結構。以上發(fā)明中存在的問題如同CF700 發(fā)動機一樣，風扇葉片處于大氣環(huán)境中，高空中環(huán)境溫度約零下50度，而內涵渦輪葉片要承受500度以上的高溫，所以在葉片徑向上產生較高熱應力，同時分開排氣的發(fā)動機通常涵道比較大，所以葉片較長，高速旋轉時產生的離心力會使下端的渦輪葉片不堪重負，這是 CF700沒有得到推廣的原因，也是分開排氣發(fā)動機采用風扇后置結構的顯著不足。

發(fā)明內容
為解決現(xiàn)有技術中的技術問題的至少一個方面，提出本發(fā)明。本發(fā)明在低壓渦輪后增加一個后置風扇，消耗掉級間燃燒室增加的部分熱量，用于提高外涵道壓力，使混合損失達到最小。根據本發(fā)明的一個方面，提出了一種后置風扇混排航空發(fā)動機，包括發(fā)動機轉子；內機匣和外機匣，內機匣和外機匣之間形成外涵道，內機匣內形成內涵道；設置在內涵道內的主燃燒室以及級間燃燒室，所述發(fā)動機轉子包括位于主燃燒室之前的前置風扇轉子和高壓壓氣機轉子部分、位于主燃燒室與級間燃燒室之間的高壓渦輪轉子部分、以及位于級間燃燒室之后的低壓渦輪轉子部分，所述發(fā)動機還包括后置風扇，所述后置風扇在流體流動方向上置于低壓渦輪轉子部分之后，所述后置風扇包括位于外涵道內、周向布置的多個風扇葉片，相鄰風扇葉片之間形成在流體流動方向上漸擴的通道；位于所述內涵道內、周向布置的多個渦輪葉片，相鄰渦輪葉片之間形成在流體流動方向上漸縮的通道；以及環(huán)形緣板，具有環(huán)形葉片連接部和第一環(huán)形延伸部，所述葉片連接部連接渦輪葉片與風扇葉片， 所述第一環(huán)形延伸部從所述葉片連接部朝向內機匣的端部延伸以鄰近所述內機匣的端部。進一步地，所述環(huán)形緣板還可包括第二環(huán)形延伸部，所述第二環(huán)形延伸部從所述葉片連接部遠離內機匣的端部延伸。所述第一環(huán)形延伸部可以為揪樹型。進一步地，所述第一環(huán)形延伸部的靠近內機匣的端部與內機匣的相對端部之間形成機械密封。所述環(huán)形緣板可以與渦輪葉片和風扇葉片采用整體成型的方式連接。或者，所述環(huán)形緣板可以與渦輪葉片和風扇葉片采用機械部件連接?？蛇x地，所述后置風扇還包括渦輪葉片設置在其上的輪盤；從所述輪盤突出并與輪盤一體設置的輪軸；可旋轉地保持所述輪軸的軸承；以及用于固定軸承的支架，所述支架穿過內機匣而固定連接在軸承與外機匣之間，或者所述支架固定連接在軸承與內機匣之間。所述支架可以為等角度間隔開的多個固定條或固定片?？蛇x地，所述后置風扇的渦輪葉片直接固定在低壓渦輪轉子部分上。通過下文中參照附圖對本發(fā)明所作的描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將顯而易見，并可幫助對本發(fā)明有全面的理解。


圖1為根據本發(fā)明的一個實施例的后置風扇混排航空發(fā)動機的結構示意圖；圖2為根據本發(fā)明的一個實施例的后置風扇的連接方式的示意圖；圖3為根據本發(fā)明的一個實施例的三維后置風扇局部大樣圖。圖4為根據本發(fā)明的另一個實施例的后置風扇混排航空發(fā)動機的結構示意圖；圖5為根據本發(fā)明的內涵道熱力循環(huán)過程P-V圖；圖6為根據本發(fā)明的外涵道熱力循環(huán)過程P-V圖。
具體實施例方式下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號指示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發(fā)明實施方式的說明旨在對本發(fā)明的總體發(fā)明構思進行解釋，而不應當理解為對本發(fā)明的一種限制。如圖1和3、4中所示，根據本發(fā)明的混排航空發(fā)動機包括發(fā)動機轉子；內機匣55 和外機匣56，內機匣55和外機匣56之間形成外涵道53，內機匣內形成內涵道52 ；設置在內涵道52內的主燃燒室58以及級間燃燒室61，其中，所述發(fā)動機轉子包括在流體流動方向上位于主燃燒室58之前的前置風扇轉子51和高壓壓氣機轉子部分M、位于主燃燒室58 與級間燃燒室61之間的高壓渦輪轉子部分59、以及位于級間燃燒室61之后的低壓渦輪轉子部分62，且其中所述發(fā)動機還包括后置風扇(在附圖中包括部件64、65、66)，后置風扇在流體流動方向上置于低壓渦輪轉子部分62之后，如圖1-3中所示，后置風扇包括位于外涵道53內、周向布置的多個風扇葉片64，相鄰風扇葉片之間形成在流體流動方向上漸擴的通道；位于所述內涵道52內、周向布置的多個渦輪葉片66，相鄰渦輪葉片之間形成在流體流動方向上漸縮的通道；以及環(huán)形緣板65，具有環(huán)形葉片連接部651和第一環(huán)形延伸部 652，所述葉片連接部651連接渦輪葉片66與風扇葉片64，所述第一環(huán)形延伸部652從所述葉片連接部651朝向內機匣55的端部延伸以鄰近所述內機匣55的端部。如圖3中所示，風扇葉片64的個數(shù)與渦輪葉片66的個數(shù)可以相同，也可以不相同。常規(guī)發(fā)動機沿氣流方向各部件依次為前置風扇、壓氣機，燃燒室，高壓渦輪，低壓渦輪，混合器，尾噴管。本發(fā)明中沿氣流方向各部件依次為前置風扇轉子51，壓氣機(高壓壓氣機轉子部分M)，主燃燒室58，高壓渦輪(高壓渦輪轉子部分59)，級間燃燒室61，低壓渦輪(低壓渦輪轉子部分62)，后置風扇(風扇葉片64，環(huán)形緣板65，渦輪葉片66)，混合器71，尾噴管 70。比常規(guī)發(fā)動機多了級間燃燒室61和后置風扇，這里，后置風扇的用途是為了平衡由級間燃燒室引起的壓力不匹配。后置風扇的技術原理如下原發(fā)動機結構下，內、外涵道氣流在混合器入口處總壓近似相等，但增加了級間燃燒室后，低壓渦輪進口總溫升高，做同樣的功，出口的總壓將顯著高于常規(guī)發(fā)動機低壓渦輪出口，此時內、外涵道氣流在混合器入口的總壓將不平衡，使混合損失增加，本發(fā)明中，消耗一部分級間燃燒室產生的熱量，推動后置風扇的渦輪葉片做功，后置風扇的下部分為渦輪葉片，上部分為風扇葉片，渦輪葉片帶動風扇葉片轉動，此時外涵道為經過前風扇加壓減速后、具有一定溫度的氣流，由于前置風扇的壓比較低，所以外涵道的總壓小于內涵道的氣流總壓，則外涵道氣流經過后置風扇的葉片擴壓減速后，外涵道總壓進一步升高，內涵道氣流因為做功，總壓總溫均降低，內、外涵道氣流總壓在近似相等下進入混合器混合，此時的混合損失最小。由于級間燃燒室位于高壓渦輪后，對高壓渦輪沒有影響，僅影響著低壓渦輪。另外，由于混合排氣的涵道比很低，風扇葉片長度較短，也減小了離心力對渦輪葉片的影響， 同時環(huán)形內緣板將渦輪葉片部分和風扇葉片部分分別置于內、外涵道氣流中，避免過早混合引起的損失。在環(huán)形緣板65還包括從所述葉片連接部遠離內機匣55的端部延伸的第二環(huán)形延伸部653的情況下，能夠更有效地避免過早混合引起的損失。有利地，第一環(huán)形延伸部652為揪樹型。第一環(huán)形延伸部652的靠近內機匣55的端部與內機匣55的相對端部之間形成機械密封。需要注意的是，所述環(huán)形緣板能夠以與渦輪葉片和風扇葉片采用整體成型的方式連接。這樣做的優(yōu)點是減少了零部件數(shù)量，否則部件數(shù)量多連接起來會產生偏差，而且連接處需要加厚，會增加發(fā)動機重量。但是，整體加工成型的不利之處就是一個葉片損壞，整個后風扇轉動部件都要更換?；蛘撸霏h(huán)形緣板能夠以螺栓或銷釘?shù)炔考u輪葉片與風扇葉片連接。參照附圖2，所述后置風扇還包括渦輪葉片設置在其上的輪盤69 ；從所述輪盤69 突出并與輪盤69 —體設置的輪軸68 ；可旋轉地保持所述輪軸68的軸承67 ；以及用于固定軸承67的支架63，所述支架63穿過內機匣55而固定連接在軸承67與外機匣56之間，或者所述支架63固定連接在軸承67與內機匣55之間。所述支架63可以為等角度間隔開的多個固定條或固定片。圖2示出了后置風扇的一種連接方法，左側圖中后置風扇由風扇葉片64、渦輪葉片66和揪樹型緣板65組成，后置風扇與輪盤69通過榫頭槽口連接，輪盤69 與輪軸68采用電子束焊接，并通過軸承67與穿過內機匣55，固定在外機匣56上的支架63 連接，構成了一套可以自由轉動的后置風扇。右側圖為A-A斷面的剖視圖。圖3為后置風扇的三維局部大樣圖。如圖1中所示，所述輪盤69的與所述輪軸68所在的一側相反的一側設置有圓錐臺部72，該圓錐臺部72以發(fā)動機轉子的旋轉軸線為旋轉軸線并且遠離低壓渦輪轉子部分漸縮，以保證渦輪子午面的漸擴通道。在圖1與圖2中的技術方案中，可以保證后置風扇與發(fā)動機轉子以不同的速度旋轉。圖3為后置風扇的三維局部大樣圖。由于渦輪葉片66與風扇葉片64工作原理不同，所以其稠度、安裝角、曲率也有較大差異，通過調節(jié)葉片安裝方式可以分配渦輪葉片的膨脹功與風扇葉片的壓縮功的功率分配，使內涵道52和外涵道53內兩股氣流進入混合器 71的壓力近似相等，以保證損失最小。圖4中示出了后置風扇與發(fā)動機轉子同步旋轉的方案。具體地，所述后置風扇的扇葉直接固定在低壓渦輪轉子部分上，例如通過短螺栓將后置風扇的輪盤與原低壓渦輪轉子輪盤連接。下面結合附圖1、4描述根據本發(fā)明的發(fā)動機的運行過程。圖1為本發(fā)明的第一示例性實施例，環(huán)境中大氣經過風扇轉子51初步增壓后分兩股進入發(fā)動機，大部分經內涵道52進入核心機，小部分進入內機匣55和外機匣56間的外涵道53，內涵道空氣經高壓壓氣機轉子M進一步壓縮，進入主燃燒室58，與噴油嘴57的航空煤油混合燃燒，高壓燃氣推動高壓渦輪轉子59膨脹做功，消耗一部分能量，后進入級間燃燒室61，與級間燃燒室內燃油噴嘴60噴出的燃油混合燃燒，推動低壓渦輪轉子62做功， 剩余的能量繼續(xù)對后置風扇的渦輪葉片66做功，帶動后置風扇的風扇葉片64對外涵道氣體進一步增壓，內外涵氣流在混合器71中混合，經尾噴管70排出。圖4為本發(fā)明的第二示例性實施例，編號0-9為進行發(fā)動機熱力循環(huán)分析劃分的各部件截面示意，0為遠方大氣，2. 2為前風扇出口，3為主燃燒室進口，4為主燃燒室出口， 4. 5為級間燃燒室進口，4. 8為級間燃燒室出口，5為混合器進口 6為混合器出口 9為尾噴管出口 ；5’，6’，9’分別為不帶級間燃燒室的發(fā)動機混合器進、出口，尾噴管出口截面參數(shù)。第二實施例中低壓渦輪之前的發(fā)動機結構與第一實施例相同，不同的是后置風扇結構，后置風扇的輪盤與原發(fā)動機低壓渦輪轉子輪盤通過短螺栓串聯(lián)，其轉速與低壓渦輪轉子一致， 該結構與第一實施例相比轉速的變化受到了限制，但是后置風扇的結構得到了簡化。圖5為本發(fā)明的內涵道熱力循環(huán)過程P-V圖，0-3-4-5’-6’_9’為常規(guī)發(fā)動機內涵道熱力循環(huán)過程，0-3-4-4. 5-4. 8-5-6-9為帶級間燃燒室發(fā)動機內涵道熱力循環(huán)。由于在混合器中混合使得內涵道溫度降低，所以理想循環(huán)圖中有5-6(5’ -6’ )的等壓降溫過程。圖6為本發(fā)明的外涵道熱力循環(huán)過程P-V圖，0-2. 2-6’ _9’為常規(guī)發(fā)動機熱力循環(huán)過程，0-2. 2-5-6-9為帶級間燃燒室發(fā)動機外涵道熱力循環(huán)。由于在混合器中混合使得外涵道溫度升高，增加了外涵道循環(huán)功，所以分開排氣的外涵道熱力循環(huán)是一條曲線，而混合排氣的外涵道熱力循環(huán)是一個封閉的區(qū)域。內涵道熱力循環(huán)中缺少那一部分等于外涵道的熱力循環(huán)，由內、外涵循環(huán)面積相加可以看到帶級間燃燒室發(fā)動機的熱力循環(huán)過程 0-3-4-4. 5-4. 8-5-6-9比常規(guī)發(fā)動機循環(huán)0_3_4_5’ -6’ -9’多出一部分面積，即為帶級間燃燒室發(fā)動機比常規(guī)發(fā)動機循環(huán)功的增量。在考慮部件效率的前提下，采用發(fā)動機總體性能一維計算程序，對F22戰(zhàn)斗機在馬赫數(shù)1.6時，Ilkm高空巡航飛行的計算表明增加級間燃燒室后，相比傳統(tǒng)發(fā)動機增加7 %的耗油量，可以增加21 %的比推，采用風扇后置結構調節(jié)壓力匹配后，比推增加至 30%。風扇后置比增加前置風扇壓比或者涵道比的優(yōu)勢在于不會對原發(fā)動機結構和氣動性能產生影響，降低了研制周期和成本。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種后置風扇混排航空發(fā)動機，包括 發(fā)動機轉子；內機匣和外機匣，內機匣和外機匣之間形成外涵道，內機匣內形成內涵道； 設置在內涵道內的主燃燒室以及級間燃燒室，其中，所述發(fā)動機轉子包括位于主燃燒室之前的前置風扇轉子和高壓壓氣機轉子部分、位于主燃燒室與級間燃燒室之間的高壓渦輪轉子部分、以及位于級間燃燒室之后的低壓渦輪轉子部分， 其特征在于所述發(fā)動機還包括后置風扇，所述后置風扇在流體流動方向上置于低壓渦輪轉子部分之后，所述后置風扇包括位于外涵道內、周向布置的多個風扇葉片，相鄰風扇葉片之間形成在流體流動方向上漸擴的通道；位于所述內涵道內、周向布置的多個渦輪葉片，相鄰渦輪葉片之間形成在流體流動方向上漸縮的通道；以及環(huán)形緣板，具有環(huán)形葉片連接部和第一環(huán)形延伸部，所述葉片連接部連接渦輪葉片與風扇葉片，所述第一環(huán)形延伸部從所述葉片連接部朝向內機匣的端部延伸以鄰近所述內機匣的端部。
2.根據權利要求1所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于所述環(huán)形緣板還包括第二環(huán)形延伸部，所述第二環(huán)形延伸部從所述葉片連接部遠離內機匣的端部延伸。
3.根據權利要求1所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述第一環(huán)形延伸部為揪樹型。
4.根據權利要求3所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于所述第一環(huán)形延伸部的靠近內機匣的端部與內機匣的相對端部之間形成機械密封。
5.根據權利要求1所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述環(huán)形緣板與所述渦輪葉片和風扇葉片采用整體成型的方式連接。
6.根據權利要求1所述的混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述環(huán)形緣板與渦輪葉片和風扇葉片采用機械部件方式連接。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述后置風扇還包括渦輪葉片設置在其上的輪盤；從所述輪盤突出并與輪盤一體設置的輪軸；可旋轉地保持所述輪軸的軸承；以及用于固定軸承的支架，所述支架穿過內機匣而固定連接在軸承與外機匣之間，或者所述支架固定連接在軸承與內機匣之間。
8.根據權利要求7所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述支架為等角度間隔開的多個固定條或固定片。
9.根據權利要求1-6中任一項所述的后置風扇混排航空發(fā)動機，其特征在于 所述后置風扇的渦輪葉片直接固定在低壓渦輪轉子部分上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種后置風扇混排航空發(fā)動機，包括發(fā)動機轉子，內機匣和外機匣，內機匣和外機匣之間形成外涵道，內機匣內形成內涵道；設置在內涵道內的主燃燒室以及級間燃燒室；其中，發(fā)動機轉子包括位于主燃燒室之前的前置風扇轉子和高壓壓氣機轉子部分、位于主燃燒室與級間燃燒室之間的高壓渦輪轉子部分、以及位于級間燃燒室之后的低壓渦輪轉子部分；發(fā)動機還包括后置風扇，在流體流動方向上置于低壓渦輪轉子部分之后，后置風扇包括多個周向布置的風扇葉片和渦輪葉片，以及連接渦輪葉片與風扇葉片的環(huán)形緣板，風扇葉片部分位于外涵道內，而渦輪葉片部分位于內涵道內。
文檔編號F02K3/062GK102305152SQ20111013148
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者康劍雄, 徐綱, 房愛兵, 杜強, 毛艷輝 申請人:中國科學院工程熱物理研究所