專利名稱：采用軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種采用軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)、具有新型結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)計方法的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機。可用于推力數(shù)百DaN以下的微小型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。具體涉及了渦扇發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)設(shè)計，其采用串列布置的軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉輪與斜流壓氣機轉(zhuǎn)子葉輪作為一個復(fù)合型壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子，兩者之間沒有靜子葉輪。此復(fù)合型壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子可以有效提高內(nèi)涵道壓比，并為外涵道提供增壓空氣流。此微小型渦扇發(fā)動機與微小型渦噴發(fā)動機相比，在結(jié)構(gòu)僅需少量修改的條件下，推力顯著增加，耗油率明顯下降；從而能使應(yīng)用載體(如無人機和巡航導(dǎo)彈)航程或載重顯著增加。屬于微小型渦輪發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微小型渦輪發(fā)動機重量輕、功率大、能量存儲密度高、功重比和推重比高等優(yōu)點，可運用于小型無人機、小型導(dǎo)彈、噴氣航模等，應(yīng)用前景廣闊。通常應(yīng)用微小型渦輪發(fā)動機作為推進動力的飛行器還需要發(fā)動機簡化結(jié)構(gòu)、降低制造難度和生產(chǎn)成本。因此，高推進效能和低成本是微小型渦輪發(fā)動機需實現(xiàn)的主要應(yīng)用要求。然而，由于微小型化帶來的相對加工誤差大、葉間泄漏損失大、小雷諾數(shù)、燃燒效率低等影響，造成現(xiàn)有的微小型渦噴發(fā)動機耗油率較高。降低耗油率對微小型渦輪發(fā)動機有著重要的意義，對于用于小型無人機而言，意味著可搭載更多的機載設(shè)備或更遠的航程；對于小型導(dǎo)彈而言，意味著可以提升有效載荷占全彈重量比例，或增大導(dǎo)彈射程。常用的一些降低微小型發(fā)動機耗油率的方法一般集中在提高其部件性能上，諸如效率、壓比、總壓恢復(fù)等，但是面臨著尺寸微小化后的諸多技術(shù)困難，提升空間已經(jīng)較小。因此，尋找降低微小型發(fā)動機耗油率的新思路、新方法變得尤為重要。在原有微小型渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上發(fā)展成微小型渦扇發(fā)動機便是一種有效的技術(shù)思路。直接照搬大型渦扇發(fā)動機的設(shè)計方案和相關(guān)技術(shù)并不適合微小型渦扇發(fā)動機，將使得發(fā)動機結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，不能滿足低成本要求。目前國內(nèi)外關(guān)于微小型渦扇的研究多處于探索階段，綜合現(xiàn)有文獻，微小型渦扇發(fā)動機可能結(jié)構(gòu)形式主要有:(1)前風(fēng)扇雙轉(zhuǎn)子同心軸系方案；(2)后風(fēng)扇方案；(3)普通單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機方案；(4)具有高矮葉片單葉輪風(fēng)扇壓氣機的微小型渦扇發(fā)動機等。
這些結(jié)構(gòu)形式提供了微小型渦扇發(fā)動機的可能發(fā)展方向，但都存在各自的不足:I)前風(fēng)扇雙轉(zhuǎn)子同心軸系方案是現(xiàn)有大型發(fā)動機采用的形式，其微小型化設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝調(diào)試、軸承、潤滑和發(fā)動機起動等方面都存在著諸多技術(shù)困難；2)后風(fēng)扇方案中，低壓渦輪和風(fēng)扇的整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計以及冷、熱氣流的密封問題在微小型發(fā)動機尺寸范圍內(nèi)相當(dāng)困難，此外風(fēng)扇也起不到提高壓縮系統(tǒng)增壓比的作用；3)普通單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機方案可以避免雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的同心軸系問題和復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，但在實際應(yīng)用中，單轉(zhuǎn)子方案也存在著風(fēng)扇與核心機的不匹配、風(fēng)扇葉尖馬赫數(shù)過高以及單級渦輪超負(fù)荷運轉(zhuǎn)等難題。4)高矮葉片單葉輪風(fēng)扇壓氣機即把風(fēng)扇和壓氣機做為一體，結(jié)構(gòu)更為緊湊，摒棄了雙軸的復(fù)雜性，可行性較強，且將明顯降低成本和重量。然而其內(nèi)涵道本質(zhì)上就是一個單級離心式壓氣機，內(nèi)涵道增壓比水平被限制在單級離心式壓氣機能達到的范圍內(nèi)；其外涵道氣流需經(jīng)過較大程度的折轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大總壓損失；此外，其向前延長的軸流壓縮段需要加長輪盤的軸向長度，帶來輪盤重量增加較多。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的是一種采用軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的微小型渦扇發(fā)動機，其目標(biāo)是讓微小型渦輪發(fā)動機獲得更高的推力和更低的耗油率，以使運用微小型渦輪發(fā)動機作為動力的無人機或巡飛彈獲得更遠的航程或更大的載重。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案:其特征是采用軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)，兼具風(fēng)扇轉(zhuǎn)子功能和核心機壓氣機轉(zhuǎn)子功能，該壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單卻可同時供給渦扇發(fā)動機外涵道氣流和內(nèi)涵道進入燃燒室的氣流。所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)采用了一個軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和一個斜流壓氣機轉(zhuǎn)子的組合。串列軸流風(fēng)扇的半徑較小部分對應(yīng)內(nèi)涵道，其下游不設(shè)置風(fēng)扇靜子葉片，直接與斜流壓氣機導(dǎo)風(fēng)輪構(gòu)成串列葉柵形式；串列軸流風(fēng)扇的半徑較大部分對應(yīng)外涵道，設(shè)置一排靜子葉片，氣流經(jīng)整流減速調(diào)整到子午面方向后，沿中介機匣外表面流入渦扇發(fā)動機外涵道旁路。軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)系統(tǒng)的內(nèi)涵道氣流進入燃燒室后燃燒注入的燃料加溫形成高溫燃?xì)?，燃?xì)馔ㄟ^軸流渦輪導(dǎo)向器加速噴出，沖擊軸流渦輪轉(zhuǎn)子。渦輪后燃?xì)馀c外涵道的氣流在混合段混合向后排出，從而獲得噴氣推進效果。
本發(fā)明的優(yōu)點:軸流風(fēng)扇和斜流壓氣機的串列組合帶來兩個性能上的好處:A，提高了核心機部分的總增壓比，改善了發(fā)動機熱力循環(huán)；B，外涵氣流增大了發(fā)動機總排氣流量，發(fā)動機的可用能量分配到更大的排氣流量中，排氣速度的降低幅度比質(zhì)量的增加幅度小，則排氣總動量加大。這兩個好處綜合起來，使發(fā)動機能獲得更大的推力。本發(fā)明在不顯著增加迎風(fēng)面積的前提下，將軸流風(fēng)扇與斜流壓氣機串列布置成特定形式，使發(fā)動機內(nèi)涵道氣流的壓縮比顯著增大，這是背景技術(shù)中提及的微小型渦扇發(fā)動機第2類方案不具備的優(yōu)點。串列軸流風(fēng)扇與斜流壓氣機降低了軸向長度、減輕了重量、簡化了結(jié)構(gòu)，從而避免了背景技術(shù)中第I類微小型渦扇發(fā)動機方案的缺點。與第3類微小型渦扇發(fā)動機方案相比，軸流風(fēng)扇與斜流壓氣機串列布置，去掉了普通單轉(zhuǎn)子渦扇需要的內(nèi)涵道風(fēng)扇后靜子葉輪，結(jié)構(gòu)更為簡化，且運轉(zhuǎn)所需的功率相對較小，易于與單級渦輪輸出功率匹配。與第4類微小型渦扇發(fā)動機方案相比，軸流風(fēng)扇與斜流壓氣機導(dǎo)風(fēng)輪構(gòu)成串列葉柵形式，可以通過合理地配置串列方式來有效抑制氣流分離，使增壓能力和壓縮效率都顯著提高。此外，在與風(fēng)扇配合的壓氣機形式上選擇斜流壓氣機和保型通道式擴壓器，在提高內(nèi)外涵道的流動效率方面有優(yōu)勢，且有助于提高單位迎風(fēng)面推力；風(fēng)扇輪盤和壓氣機輪盤設(shè)計為分解開的兩個零件，便于端面優(yōu)化及加工去除多余材料。本發(fā)明在渦輪轉(zhuǎn)子后設(shè)置了圓臺形中心體和后螺帽組合件，其重量較輕，可減小渦輪后氣流的總壓損失。
綜合以上優(yōu)點，本發(fā)明提出的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的微小型渦扇發(fā)動機，能在保持結(jié)構(gòu)簡單、成本可控的條件下，顯著降低發(fā)動機耗油率、提高發(fā)動機單位迎風(fēng)面推力，應(yīng)用于無人機、巡飛彈等載體時可以有效提高航程或增加載重。


附圖1軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機示意圖。
附圖2軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)S2流面示意圖。
附圖3內(nèi)涵道的串列軸流風(fēng)扇與斜流壓氣機SI流面示意圖。
圖中I是串列軸流風(fēng)扇，2是軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤，3是斜流壓氣機轉(zhuǎn)子，4是斜流壓氣機輪盤，5是風(fēng)扇外涵道靜子，6是轉(zhuǎn)軸，7是內(nèi)涵保型通道式擴壓器，8是燃燒室，9是火焰筒，10是軸套，11是軸流渦輪導(dǎo)向器，12是軸流渦輪轉(zhuǎn)子，13是外涵道氣流通道，14是摻混式噴管，15是前螺帽，16是前襯套，17是前軸承，18是軸流渦輪轉(zhuǎn)子輪盤，19是圓臺形中心體后螺帽組合件，20是后襯套，21是后軸承；Φ1是風(fēng)扇進口輪緣直徑，Φ2是斜流壓氣機進口輪緣直徑，Φ3是斜流壓氣機進口輪轂直徑，Φ4是斜流壓氣機出口處機匣外徑；LI是軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與斜流壓氣機轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙，Θ是斜流壓氣機出口氣流在子午面上與徑向夾角，L2是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與斜流壓氣機轉(zhuǎn)子的周向間距，LO是斜流壓氣機進口葉片通道周向?qū)挾?；?β是風(fēng)扇出口葉片角與斜流壓氣機進口葉片角的夾角，β 2是斜流壓氣機出口葉片的方向角；ul是風(fēng)扇進口葉片轉(zhuǎn)動線速度，Cl是風(fēng)扇進口氣流絕對速度，Wl是風(fēng)扇進口氣流相對速度，W12是斜流風(fēng)扇氣機進口氣流相對速度，W2是斜流壓氣機出口氣流相對速度。
具體實施方式
所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機的設(shè)計方法是: Cl)首先確定總體性能的主要設(shè)計參數(shù):內(nèi)涵道總壓比、外涵道總壓比和涵道比。然后，根據(jù)渦扇發(fā)動機總體性能通用設(shè)計方法和所需總推力量級，以及各部件性能水平、材料的溫度和強度限制等，確定發(fā)動機總流量、渦輪前溫度、以及各部件大致效率等參數(shù)。由壓氣機渦輪功率平衡和內(nèi)外涵道摻混總壓大約相等的條件可知，三個參量中只有兩個參量可獨立變化?？紤]內(nèi)涵道流路是在斜流葉輪前串列了一排軸流壓氣機葉片，因此可以按現(xiàn)有同等量級流量(核心機)的微小型渦噴發(fā)動機總壓比的1.1 1.5倍作為內(nèi)涵道總壓比；根據(jù)渦扇發(fā)動機總體性能通用設(shè)計方法和所需總推力量級，以及各部件性能水平、材料的溫度和強度限制，確定發(fā)動機總流量、渦輪前溫度、以及各部件大致效率參數(shù)。由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的氣動和強度限制可得出發(fā)動機的涵道比。根據(jù)內(nèi)涵道總壓比和涵道比經(jīng)過總體性能程序計算，可得外涵道總壓比。
(2)根據(jù)步驟I確定的外涵道總壓比和發(fā)動機流量，可以單獨根據(jù)軸流壓氣機理論，設(shè)計出進口直徑Φ1的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉輪，并由計算流體力學(xué)(CFD)或?qū)嶒灉y試等方法,進行設(shè)計改進和優(yōu)化。并根據(jù)步驟I確定的涵道比，計算風(fēng)扇出口流量分布，確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口哪些氣流進入內(nèi)涵道部分，即確定斜流壓氣機進口輪緣直徑Φ2和斜流壓氣機進口輪轂直徑Φ3。
(3)根據(jù)步驟I確定的內(nèi)涵道總壓比，并得到步驟2設(shè)計的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在內(nèi)涵道部分(即直徑在Φ2和Φ 3之間)的出口葉片角度，由此設(shè)計斜流壓氣機轉(zhuǎn)子導(dǎo)風(fēng)輪部分，這里不同于通常的設(shè)計方法。由圖3可以看出，在一定的轉(zhuǎn)動線速度Ul和一定的入口流速Cl條件下，導(dǎo)風(fēng)輪入口氣流相對速度W2比風(fēng)扇入口相對速度Wl已經(jīng)轉(zhuǎn)折至更靠向軸向。而且，由于串列的軸流葉片對斜流入口氣流具有引導(dǎo)作用，因此斜流轉(zhuǎn)子的導(dǎo)風(fēng)輪入口角度可與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在內(nèi)涵道部分的出口葉片角度成一定的正夾角Λ β。以上兩點意味著導(dǎo)風(fēng)輪入口氣流相對速度，比通常斜流壓氣機入口氣流更靠軸向。這使得斜流壓氣機轉(zhuǎn)子可以在保持葉片通道流場不惡化的條件下減小軸向長度，也能使得葉片出口的角度β 2減小，即更靠近子午面方向(如圖3所示)，這就弱化了斜流葉片的后彎程度，有利于提高斜流轉(zhuǎn)子的增壓能力。這就弱化了斜流葉片的后彎程度，有利于提高斜流轉(zhuǎn)子的做功增壓能力。
(4)根據(jù)步驟I確定的內(nèi)涵道總壓比和步驟3設(shè)計的斜流壓氣機轉(zhuǎn)子導(dǎo)風(fēng)輪部分后，軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的子午流道設(shè)計方法是:其軸流風(fēng)扇部分可采用等外徑或接近等外徑子午流道；斜流壓氣機轉(zhuǎn)子的子午流道在出口處與徑向成一定夾角Θ，其取值可在10° 40°。與之相配的擴壓器采用斜流向入口的保型通道式擴壓器，擴壓器子午流道末段外徑與斜流壓氣機進口輪緣直徑Φ2之比可選擇得較小，約1.15 1.4。這樣氣流在斜流轉(zhuǎn)子和擴壓器內(nèi)的子午面上轉(zhuǎn)折角都得以各自減少Θ，有利于減小氣流損失、提高效率。另一方面，這個方案對于同樣直徑的壓氣機轉(zhuǎn)子葉輪來說，斜流壓氣機出口處機匣外徑Φ 4較小,有利于減少外涵道氣流轉(zhuǎn)折程度,可提高外涵道流動效率。
(5)在內(nèi)涵道流路部分的軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與斜流壓氣機轉(zhuǎn)子在軸向設(shè)置一個間隙LI，該間隙LI取值為直徑Φ 3的0.02 0.05倍；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在斜流壓氣機轉(zhuǎn)子葉片偏向周向的背側(cè)L2處，背側(cè)L2取值范圍是斜流壓氣機進口葉片通道周向?qū)挾萀O的0.05 0.5倍；取值還需配合葉片雷諾數(shù)范圍、斜流轉(zhuǎn)子葉片入口角度相對軸流轉(zhuǎn)子葉片出口的轉(zhuǎn)角Λ β優(yōu)化，以控制葉片通道氣流順暢流動、增大內(nèi)涵總壓比和效率。
(6)本發(fā)明的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，按前面所述的技術(shù)解決方案，發(fā)動機還需要設(shè)計:外涵道風(fēng)扇靜子、外涵道旁路通道、燃燒室、渦輪和摻混式噴管等部件，本發(fā)明對于這些部件采用同一般微小型渦輪發(fā)動機一樣的設(shè)計方法。
(7)在完成所有氣動熱力流道設(shè)計后，參照一般微小型渦輪發(fā)動機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的雙輪盤、圓臺形中心體和后螺帽組合件等部件可依據(jù)有限元強度計算分析確定優(yōu)化的型線。軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤2和斜流壓氣機輪盤4設(shè)計為分解開的兩個零件，從而為通過優(yōu)化設(shè)計得到的兩輪盤前后端面的加工提供了便利，也有利于去除不必要的材料而減重。
(8)所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機采用單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子一起都和渦輪轉(zhuǎn)子通過單一的轉(zhuǎn)軸連接；轉(zhuǎn)子通過前后各一個軸承支承，前軸承布置在斜流壓氣機靜子輪盤后的轉(zhuǎn)軸與軸套之間，后軸承布置在渦輪導(dǎo)向器靜子輪盤前的轉(zhuǎn)軸與軸套之間。
(9)在軸流渦輪轉(zhuǎn)子后設(shè)置了圓臺形中心體和后螺帽組合件，圓臺形中心體由外部大圓臺面金屬薄壁筒和內(nèi)部小大圓臺面金屬薄壁筒焊接而成，圓臺形中心體可減小渦輪后氣流的總壓損失，且其中心焊接的后螺帽能擰緊到轉(zhuǎn)軸上，壓緊渦輪輪盤。
軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機的具體實施方式
: 對照附圖1，本發(fā)明提出軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，在圖中左側(cè)是發(fā)動機進氣口。氣流進口后經(jīng)過一個軸流風(fēng)扇1，風(fēng)扇是整體輪盤結(jié)構(gòu)，2是風(fēng)扇輪盤，其輪緣直徑與后方直接聯(lián)接的斜流壓氣機葉輪3直徑相當(dāng)，以保證兩者具有大致相同的轉(zhuǎn)動輪緣線速度，從而使兩者在強度許可的條件下都具有較好的壓縮氣流能力。氣流在經(jīng)軸流風(fēng)扇增壓后，位于半徑較小部分的氣流進入斜流壓氣機轉(zhuǎn)子3繼續(xù)增壓。斜流壓氣機轉(zhuǎn)子也是整體輪盤結(jié)構(gòu)，4是斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤。軸流風(fēng)扇增壓后氣流半徑較大部分進入外側(cè)旁路，通過外涵道靜子葉輪5的導(dǎo)流，大體消除周向速度分量并減小速度、擴大靜壓。軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤2和斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤4 一起安裝在發(fā)動機單一的轉(zhuǎn)軸6上，由轉(zhuǎn)軸傳輸過來的驅(qū)動力矩帶動。從斜流壓氣機轉(zhuǎn)子流出的氣流，經(jīng)斜流擴壓器7減速擴壓后，進入燃燒室8，氣流分別從內(nèi)環(huán)、外環(huán)氣路進入火焰筒9后，燃燒注入的燃料加溫形成高溫燃?xì)?；在燃燒室?nèi)半徑小于火焰筒的內(nèi)部空間布置的是軸套10。燃燒室火焰筒排出的高溫燃?xì)膺M入軸流渦輪導(dǎo)向器11，經(jīng)導(dǎo)向器加速噴出的燃?xì)鉀_擊軸流渦輪轉(zhuǎn)子12，渦輪后燃?xì)馀c外涵道13的氣流(從外涵道靜子葉輪5流出的冷氣流進入外涵道)，在混合段14混合向后排出，從而獲得噴氣推進效果。外涵道氣流增加了發(fā)動機噴氣的總流量，可以在渦扇發(fā)動機適用馬赫數(shù)范圍內(nèi)大幅度增大發(fā)動機的推力。軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤2由一個卵圓形前螺帽15壓緊，頂緊斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤4，再頂緊到轉(zhuǎn)軸6上套的前襯套16，再頂?shù)角拜S承17的內(nèi)圈。軸流渦輪轉(zhuǎn)子輪盤18由一個圓臺形中心體后螺帽組合件19壓緊，頂緊后襯套20，再頂?shù)胶筝S承21的內(nèi)圈。軸承17和21的內(nèi)圈都與轉(zhuǎn)軸6中段的臺階軸頂緊，從而使各轉(zhuǎn)子部件軸向定位并緊固。實施例
針對某現(xiàn)有的微型渦噴發(fā)動機，按本發(fā)明提出的方法進行改型設(shè)計，其原型機流量為0.9kg/s，總壓比4.0,渦輪前溫度1200K。在3000m高空，0.6飛行馬赫數(shù)下，通過性能分析得:推力為37 DaN，耗油率為1.590kg/(DaN-h)。經(jīng)過改型設(shè)計后，獲得了串列軸流風(fēng)扇斜流壓氣機微型渦扇發(fā)動機的3個主要設(shè)計參數(shù):內(nèi)涵總壓比4.5，外涵道總壓比1.6，涵道比1.0。依據(jù)總體性能計算分析，在3000m高空，0.6飛行馬赫數(shù)下，凈推力為48 DaN，耗油率為1.378kg/(DaN*h)，凈推力比相應(yīng)渦噴發(fā)動機提高29.7%,耗油率降低13.3%,性能得到了較大改善。
權(quán)利要求
1.軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是渦扇發(fā)動機外涵道氣流和內(nèi)涵道進入燃燒室的氣流，都由一軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)供給；所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)采用了一個軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和一個斜流壓氣機轉(zhuǎn)子的組合；為內(nèi)、夕卜涵道都提供增壓氣流；串列軸流風(fēng)扇的半徑較小部分對應(yīng)內(nèi)涵道，其下游不設(shè)置風(fēng)扇靜子葉片，直接與斜流壓氣機導(dǎo)風(fēng)輪構(gòu)成串列葉柵形式；串列軸流風(fēng)扇的半徑較大部分對應(yīng)外涵道，設(shè)置一排靜子葉片，氣流經(jīng)整流減速后流入渦扇發(fā)動機外涵道旁路；軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的內(nèi)涵道氣流進入燃燒室后燃燒注入的燃料加溫形成高溫燃?xì)?，燃?xì)馔ㄟ^軸流渦輪導(dǎo)向器加速噴出，沖擊軸流渦輪轉(zhuǎn)子；渦輪后燃?xì)夂屯夂琅月窔饬鬟M入摻混式噴管混合向后排出，從而獲得噴氣推進效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是:內(nèi)涵道的流路是在斜流葉輪前串列了一排軸流壓氣機葉片，按現(xiàn)有同等量級流量的微小型斜流葉輪總壓比的1.1 1.5倍選作內(nèi)涵道總壓比；并由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的氣動和強度限制能得出發(fā)動機的涵道比；然后，根據(jù)內(nèi)涵道總壓比和涵道比，由壓縮系統(tǒng)和渦輪功率平衡和內(nèi)外涵道摻混的總壓條件，得外涵道總壓比；根據(jù)渦扇發(fā)動機總體性能通用設(shè)計方法和所需總推力量級，以及各部件性能水平、材料的溫度和強度限制，確定發(fā)動機總流量、渦輪前溫度、以及各部件大致效率參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的主要尺寸和串列方式的設(shè)計方法是:在按外涵道總壓比和發(fā)動機流量設(shè)計出進口直徑(Φ I)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉輪后，根據(jù)涵道比和風(fēng)扇出口流量分布，確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口氣流進入內(nèi)涵道部分，即確定斜流壓氣機進口輪緣直徑(Φ 2 )及其進口輪轂直徑直徑(Φ3);在內(nèi)涵道流路部分，軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與斜流壓氣機轉(zhuǎn)子在軸向設(shè)置一個間隙(LI)，該間隙(LI)取值為進口輪轂直徑(Φ 3)的0.02 0.05倍；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在斜流壓氣機轉(zhuǎn)子葉片偏向周向的背側(cè)(L2)處，背側(cè)(L2)取值范圍是斜流壓氣機進口葉片通道周向?qū)挾?LO)的0.05 0.5倍；取值還需配合葉片雷諾數(shù)范圍、斜流轉(zhuǎn)子葉片入口角度相對軸流轉(zhuǎn)子葉片出口的 轉(zhuǎn)角Λβ優(yōu)化，以控制葉片通道氣流順暢流動、增大內(nèi)涵總壓比和效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的子午流道設(shè)計方法是:其軸流風(fēng)扇部分采用等外徑或接近等外徑子午流道；其內(nèi)涵道壓縮采用斜流壓氣機方式，轉(zhuǎn)子的子午流道在出口處與徑向成夾角9，該夾角Θ取值在10° 40° ;在斜流壓氣機轉(zhuǎn)子下游，采用斜流向入口的保型通道式擴壓器，擴壓器子午流道末段外徑與斜流壓氣機進口輪緣直徑(Φ 2 )之比選擇1.15 1.4 ;使得內(nèi)外涵道的氣流在子午面上需要彎折的角度小，能提升這些部件的流動效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的斜流壓氣機轉(zhuǎn)子設(shè)計方法是:按權(quán)利要求得到的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在內(nèi)涵道部分即在斜流壓氣機進口輪緣直徑(Φ 2 )和斜流壓氣機進口輪轂直徑(Φ 3 )之間的出口葉片角度；由于串列的軸流葉片對斜流入口氣流具有引導(dǎo)作用，因此斜流轉(zhuǎn)子的導(dǎo)風(fēng)輪入口角度能與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在內(nèi)涵道部分的出口葉片角度成一正夾角Λβ ;因為導(dǎo)風(fēng)輪入口氣流相對速度比通常斜流壓氣機入口氣流更靠軸向，這使得斜流壓氣機轉(zhuǎn)子在保持葉片通道流場不惡化的條件下減小軸向長度，也能使得葉片出口的角度β 2減小，即更靠近子午面方向，這就弱化了斜流葉片的后彎程度，有利于提高斜流轉(zhuǎn)子的增壓能力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、斜流壓氣機轉(zhuǎn)子都安裝在同一根轉(zhuǎn)軸上；軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤和斜流壓氣機輪盤設(shè)計為分解開的兩個零件，從而為通過優(yōu)化設(shè)計得到的兩輪盤前后端面的加工提供了便利，也有利于去除不必要的材料而減重。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其特征是在軸流渦輪轉(zhuǎn)子后設(shè)置了圓臺形中心體和后螺帽組合件，圓臺形中心體由外部大圓臺面金屬薄壁筒和內(nèi)部小大圓臺面金屬薄壁筒焊接而成，圓臺形中心體可減小渦輪后氣流的總壓損失，且其中心焊接的后螺帽能擰緊到轉(zhuǎn)軸上，壓緊渦輪輪盤。
8.如根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機的實施方式是:在發(fā)動機進口后氣流經(jīng)過一個串列軸流風(fēng)扇，軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤的輪緣直徑與后方直接聯(lián)接的斜流壓氣機轉(zhuǎn)子直徑相當(dāng)，氣流在經(jīng)軸流風(fēng)扇增壓后，位于半徑小部分的氣流進入斜流壓氣機轉(zhuǎn)子繼續(xù)增壓；斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤是軸流風(fēng)扇增壓后氣流半徑大部分進入外側(cè)旁路，通過風(fēng)扇外涵道靜子的導(dǎo)流，消除周向速度分量并減小速度、擴大靜壓；軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤和斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤一起安裝在發(fā)動機單一的轉(zhuǎn)軸上，由轉(zhuǎn)軸傳輸過來的驅(qū)動力矩帶動；從斜流壓氣機轉(zhuǎn)子流出的氣流，經(jīng)內(nèi)涵保型通道式擴壓器減速擴壓后，進入燃燒室，氣流分別從內(nèi)環(huán)、外環(huán)氣路進入火焰筒后，燃燒注入的燃料加溫形成高溫燃?xì)猓辉谌紵覂?nèi)半徑小于火焰筒的內(nèi)部空間布置的是軸套；燃燒室火焰筒排出的高溫燃?xì)膺M入軸流渦輪導(dǎo)向器，經(jīng)軸流渦輪導(dǎo)向器加速噴出的燃?xì)鉀_擊軸流渦輪轉(zhuǎn)子，渦輪后燃?xì)馀c外涵氣流通道的氣流，從風(fēng)扇外涵道靜子流出的冷氣流進入外涵道，在摻混式噴管混合向后排出，從而獲得噴氣推進效果；外涵道氣流增加了發(fā)動機噴氣的總流量，能在渦扇發(fā)動機適用馬赫數(shù)范圍內(nèi)大幅度增大發(fā)動機的推力；軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪盤由一個卵圓形前螺帽壓緊，頂緊斜流壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤，再頂緊到轉(zhuǎn)軸上套的前襯套，再頂?shù)角拜S承的內(nèi)圈；軸流渦輪轉(zhuǎn)子輪盤由一個圓臺形中心體后螺帽組合件壓緊，頂緊后襯套，再頂?shù)胶筝S承的內(nèi)圈`；前軸承和后軸承的內(nèi)圈都與轉(zhuǎn)軸中段的臺階軸頂緊，從而使各轉(zhuǎn)子部件軸向定位并緊固。
全文摘要
本發(fā)明是采用軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子微小型渦扇發(fā)動機，其結(jié)構(gòu)是渦扇發(fā)動機外涵道氣流和內(nèi)涵道進入燃燒室的氣流，都由一軸流斜流串列復(fù)合壓縮系統(tǒng)供給，該系統(tǒng)采用一個軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和一個斜流壓氣機轉(zhuǎn)子的組合，為內(nèi)外涵道都提供增壓氣流。串列軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子對應(yīng)內(nèi)涵道的部分，直接與斜流壓氣機葉輪構(gòu)成串列葉柵形式；軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子對應(yīng)外涵道部分設(shè)置一排靜子葉片，氣流經(jīng)整流減速調(diào)整到子午面方向后，沿中介機匣外表面流入渦扇發(fā)動機外涵道旁路。優(yōu)點本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可實現(xiàn)渦扇發(fā)動機需要為內(nèi)外涵道供給增壓氣流，能降低發(fā)動機耗油率、提高發(fā)動機單位迎風(fēng)面推力，應(yīng)用于無人機、巡飛彈等載體時可有效提高航程或增加載重。
文檔編號F04D25/16GK103161608SQ20131004820
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者黃國平, 陸惟煜, 傅鑫, 陳杰, 夏晨 申請人:南京凌日星能源科技有限公司