帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)是外涵道部分引入一個(gè)有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包含附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1）、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3）、旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣（5）；附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1）下游設(shè)置了附加涵道風(fēng)扇靜子（2）；在空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3）下游設(shè)置了空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子（4）。優(yōu)點(diǎn)：（1）在增大涵道比的同時(shí)，避免了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)存在的風(fēng)扇與低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不匹配問題；（2）與解決轉(zhuǎn)速不匹配問題的齒輪渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）和三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案相比，結(jié)構(gòu)更為簡化（3）可在已有的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與研制成本，縮短了研制周期。
【專利說明】帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明技術(shù)屬于新概念渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，主要涉及的是一種帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自 驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)概念、主要結(jié)構(gòu)安排及其氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明提出 了將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道部件向外涵道部件傳遞功的方式由傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸傳扭改為風(fēng)扇 利用氣流自驅(qū)動(dòng)，即原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口已增壓的氣流驅(qū)動(dòng)自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇空氣渦輪做 功，通過中介機(jī)匣帶動(dòng)與其固聯(lián)的附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)附加涵道的增壓。

【背景技術(shù)】
[0002] -直以來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展以追求高推重比與低耗油率為目標(biāo)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以 高推重比和低耗油率的特點(diǎn)，成為各國航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的前沿核心技術(shù)。在軍用領(lǐng)域，由于 兼顧飛行器的機(jī)動(dòng)性能，常采用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；而在民用領(lǐng)域，反映經(jīng)濟(jì)性能的耗油 率則尤為重要，各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司都以提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比以降低耗油率為重要目標(biāo)。傳 統(tǒng)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)常采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高壓渦輪驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)，低壓渦輪同時(shí)驅(qū) 動(dòng)風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)。隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增大，一方面，流經(jīng)風(fēng)扇的流量變大，風(fēng)扇 的外徑也隨之變大，此時(shí)必須降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，以避免風(fēng)扇葉尖相對(duì)馬赫數(shù)過高導(dǎo)致激波 損失嚴(yán)重帶來的氣動(dòng)問題，以及風(fēng)扇輪緣速度過大引發(fā)的強(qiáng)度問題；另一方面，低壓渦輪為 驅(qū)動(dòng)大涵道比風(fēng)扇，需要從燃?xì)庵刑崛「喙β剩瑴u輪的輪緣速度需要提高，而低壓渦輪位 于內(nèi)涵道中，半徑的提高幅度有限，且會(huì)造成高低壓渦輪徑向高度差形成的S彎過渡段大 的流動(dòng)損失，因此低壓渦輪需要提高轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇需要更低轉(zhuǎn)速和低壓渦輪需要更高轉(zhuǎn)速， 但風(fēng)扇與低壓渦輪因?yàn)楣草S連接轉(zhuǎn)速相同，這些共同造成了風(fēng)扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)速不匹配問 題，這也是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心問題之一。
[0003] 目前，已出現(xiàn)的解決該問題的主要技術(shù)途徑有以下三種：（1)采用齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇 發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF) ; (2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；（3)后風(fēng)扇渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0004] 這些途徑都一定程度上緩解了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不匹配問題，但也存在 一定的不足：（1)采用齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，低壓渦輪經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，使 低壓軸轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相匹配，然而齒輪減速器由于其傳遞功率巨大，轉(zhuǎn)速比也較大， 導(dǎo)致其設(shè)計(jì)難度很大，存在著可靠性、壽命問題，往往成為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶 頸，限制了該類型發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增大；（2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以更為合理地在風(fēng) 扇、高低壓壓氣機(jī)和高低中壓渦輪間分配功率和匹配轉(zhuǎn)速，低壓渦輪只需驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，無需驅(qū) 動(dòng)低壓壓氣機(jī)，使其轉(zhuǎn)速可以進(jìn)一步降低。然而，即使低壓渦輪外徑尺寸增大后引起了諸 多問題，但是大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的直徑與低壓渦輪依然存在較大的輪緣速度差(轉(zhuǎn)速不匹 配問題只是緩解而沒解決)。另外，三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，三個(gè)同心軸系存 在著復(fù)雜的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題，這些因素使得現(xiàn)今只有極少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用并掌握該項(xiàng)技 術(shù)；（3)采用后風(fēng)扇渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其獨(dú)立的低壓渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇可以采用更低的轉(zhuǎn)速， 且渦輪功不需要通過轉(zhuǎn)軸前傳，避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同心軸系，但其缺點(diǎn)也是顯著的：一方 面，一體化不同材料的風(fēng)扇和渦輪難以加工制造，且需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行封嚴(yán)工作以避免 燃?xì)馔庑怪镣夂?；另一方面，后風(fēng)扇的形式使得外涵增壓不能像前風(fēng)扇形式一樣為內(nèi)涵所 用，無法為提高內(nèi)涵經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。這些缺點(diǎn)使得后風(fēng)扇形式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)展早期出現(xiàn)后，即不被廣泛采用，并逐漸淡出人們的視野。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出的是一種帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì) 方法，其目的是增大渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，使其獲得更大推力與更低耗油率，從而增加使用該 發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。為此，提出一種在一般的傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖1)基礎(chǔ)上增 加帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇與附加涵道的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)概念(見圖2與圖 3)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法(見圖4)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其 結(jié)構(gòu)是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為原型8為原型，其外涵道部分引入了一個(gè)具有更大涵道比的 帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子、旋 轉(zhuǎn)中介機(jī)匣；附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子下游設(shè)置了附加涵道風(fēng)扇靜子；在空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子下游 設(shè)置了空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子；附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，將通過附加涵道進(jìn)氣道輸送至 A截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風(fēng)扇靜子輸出至B截面；由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子提取能量 后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子輸出至D截面；B截面和D截面處的氣流合并后，流入 附加涵道噴管向后噴出；通過上述裝置，附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子能對(duì)流量更大的附加涵道氣流 增壓，按照能量守恒定律增壓比會(huì)比C截面下降，再加上D截面氣流，附加涵道噴管向后噴 出總氣流量可顯著大于一般渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道流量；根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量附加原理，向后 噴出更大質(zhì)量流量的氣流能獲得更大的推力和更低的耗油率，盡管相對(duì)于進(jìn)口速度的流速 增量會(huì)減小。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：利用自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，在原有雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，提取部分 外涵道能量，并傳遞給附加涵道的更多流量中，由于排氣速度的降低幅度比質(zhì)量的增加幅 度小，因此排氣總動(dòng)量加大，對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加，耗油率降低。由于自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子通 過氣動(dòng)方式巧妙避免了風(fēng)扇與低壓渦輪的轉(zhuǎn)速不匹配問題，因此能夠顯著增大涵道比，使 得增推降耗的收益更大。【背景技術(shù)】中提及了 3種既能增大涵道比，又能一定程度解決風(fēng)扇 與低壓渦輪轉(zhuǎn)速不匹配問題的方案。該方案相比于第1類齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案，該方 案結(jié)構(gòu)更為簡單、緊湊，且可靠性更高、壽命更長，設(shè)計(jì)難度較低；相比于第2類三轉(zhuǎn)子渦扇 發(fā)動(dòng)機(jī)既避免了極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和同心三軸系的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題，也規(guī)避了由于低壓渦輪 直徑較大造成的其與中壓渦輪之間過渡S彎段的大流動(dòng)損失；相比于第3類方案，避免了不 同材料風(fēng)扇和燃?xì)鉂欇喴惑w化加工制造，與冷熱氣流的復(fù)雜封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。此外，該方案可在已 有的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，能顯著降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與研制成本、縮短研制周期。
[0008] 綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提出的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng) 機(jī)，能在保持結(jié)構(gòu)簡單、成本可控的條件下，顯著提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，增大其推力、降低 其耗油率，增加以其為動(dòng)力系統(tǒng)飛行裝置的經(jīng)濟(jì)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 附圖1傳統(tǒng)潤扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不意圖。
[0010] 附圖2帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 附圖3自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 附圖4自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇兩涵道的速度三角形示意圖。
[0013] 圖中1表示的是附加涵道風(fēng)扇，2表示附加涵道風(fēng)扇靜子，3表示空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn) 子，4表示空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子(或支板)，5表示旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣，6表示附加涵道進(jìn)氣道，7表示 附加涵道噴管，其中1、3、5構(gòu)成自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。8表示原型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，包含10個(gè) 主要部件，8-1表示進(jìn)氣道，8-2表示風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，8-3表示風(fēng)扇靜子，8-4表示多級(jí)高壓壓氣機(jī) 級(jí)，8-5表示燃燒室，8-6表示高壓潤輪級(jí)，8-7表示低壓潤輪級(jí)，8-8表示高壓轉(zhuǎn)軸，8-9表示 低壓轉(zhuǎn)軸，8-10表示尾噴管。A截面表示附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)口，AB截面表示附加涵道風(fēng) 扇轉(zhuǎn)子出口與附加涵道風(fēng)扇靜子進(jìn)口，B截面表示附加涵道風(fēng)扇靜子出口，C截面表示空氣 驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口，CD截面表示空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子出口與空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子進(jìn)口，D截面 表示空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子出口。速度三角形中，C代表氣流絕對(duì)速度(相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī))，U代表由 于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的牽連速度，W代表氣流的相對(duì)速度(相對(duì)轉(zhuǎn)子葉片)，數(shù)字下標(biāo)代表所在截 面（1~4分別對(duì)應(yīng)A~D )，下標(biāo)m代表軸向速度，下標(biāo)u代表周向速度。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 對(duì)照?qǐng)D2,帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)是以雙轉(zhuǎn)子 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)8 (如圖1)為原型，在外涵道部分引入了一個(gè)不同于常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、具有更大 涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、空氣驅(qū)動(dòng)渦 輪轉(zhuǎn)子3、旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣5 (三維結(jié)構(gòu)如圖3)。此外，配設(shè)了附加涵道風(fēng)扇靜子2、空氣驅(qū)動(dòng) 渦輪靜子4。由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子3提取能量后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子4輸出至 D截面?？諝怛?qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子提取氣流能量獲得驅(qū)動(dòng)力矩，通過旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣傳送給附加涵道 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，將通過附加涵道進(jìn)氣道6輸送至A截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風(fēng)扇靜子2 輸出至B截面。B截面和D截面處的氣流合并后，流入附加涵道噴管7向后噴出。通過上述 裝置，自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輸出流量可顯著大于一般渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道流量，由附加涵道噴管7 向后噴出。根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量附加原理，能獲得更大的推力和更低的耗油率。
[0015] 所述原型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)8,其結(jié)構(gòu)包括進(jìn)氣道8-1，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2,風(fēng)扇靜子 8-3,多級(jí)高壓壓氣機(jī)級(jí)8-4,燃燒室8-5,高壓渦輪級(jí)8-6,低壓渦輪級(jí)8-7,高壓轉(zhuǎn)軸8-8,低 壓轉(zhuǎn)軸8-9,尾噴管8-10。
[0016] 工作時(shí)，進(jìn)入該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流一部分由進(jìn)氣道8-1進(jìn)入風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2中，另一 部分由附加涵道進(jìn)氣道6進(jìn)入附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1中。進(jìn)入風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2的部分氣流進(jìn) 入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵，流經(jīng)風(fēng)扇靜子8-3、多級(jí)高壓壓氣機(jī)級(jí)8-4減速擴(kuò)壓后，進(jìn)入燃燒室8-5,產(chǎn) 生的高溫燃?xì)庀群筮M(jìn)入高壓渦輪級(jí)8-6、低壓渦輪級(jí)8-7膨脹做功，并通過分別與其連接的 8-8高壓轉(zhuǎn)軸、8-9高壓轉(zhuǎn)軸將功傳遞給風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2與高壓壓氣機(jī)8-4的轉(zhuǎn)子，以維持這 些部件對(duì)氣流的增壓作用，最后氣流由8-10高速噴出，產(chǎn)生推力，由于內(nèi)涵流量占發(fā)動(dòng)機(jī) 吸入總流量的比例很小，這部分推力也僅占發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的很小部分；另一部分進(jìn)入風(fēng)扇 轉(zhuǎn)子8-2的氣流在經(jīng)過風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2的增壓后，由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子3提取能量后減壓，經(jīng) 空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子4輸出至附加涵道噴管7進(jìn)口，空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子提取氣流能量獲得驅(qū) 動(dòng)力矩，通過旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣傳送給附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，并將通過附加涵道進(jìn)氣道6上游來 流增壓，經(jīng)附加涵道風(fēng)扇靜子2輸出至附加涵道噴管7進(jìn)口，附加涵道噴管7進(jìn)口的兩股氣 流合并后，流入附加涵道噴管7向后噴出，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分推力。
[0017] 本發(fā)明是在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加了涵道比更大的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪 的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、附加涵道風(fēng)扇靜子、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子（或支板)、附加涵道進(jìn)氣道及噴 管，其中自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子由附加涵道風(fēng)扇、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣組成，利用一 般渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道氣流驅(qū)動(dòng)空氣渦輪，從而帶動(dòng)自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，在原來的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基 礎(chǔ)上增大涵道比，起到"涵道放大器"的功能。因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)能顯著增大推力、降低耗油率。 相比已出現(xiàn)的另一種帶齒輪減速器的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案，該方案將內(nèi)涵向外涵傳遞 功的方式由機(jī)械轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪減速器傳遞扭矩方式，改為風(fēng)扇利用氣流自驅(qū)動(dòng)(無機(jī)械轉(zhuǎn)軸 傳扭)，在解決風(fēng)扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)速匹配問題的同時(shí)，避免了齒輪減速器帶來的研制、可靠 性、壽命、重量等問題。
[0018] 所述自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及附加涵道風(fēng)扇靜子，其特征是自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包含附加涵 道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、位于其內(nèi)環(huán)的空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子3、以及在這兩者之間連接兩者的旋轉(zhuǎn)中介 機(jī)匣5。流入自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中心部分8-1的氣流，經(jīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子8-2增壓 后，由外涵道輸送至流動(dòng)C截面，然后流入空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子3,被該轉(zhuǎn)子吸收大部分氣流 能量后經(jīng)流動(dòng)CD截面流入空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子4。而空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子3獲得的驅(qū)動(dòng)力矩 通過旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣5傳遞給附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1，使之能對(duì)流量更大的附加涵道氣流增壓。 附加涵道風(fēng)扇靜子2將附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1出口的切向分速度轉(zhuǎn)為軸向，有利于噴管產(chǎn)生 更大推力。
[0019] 所述空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子4,其作用是將空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子出口的切向分速度轉(zhuǎn)為 軸向、且出口氣流壓力與附加涵道風(fēng)扇靜子保持平衡，以盡量合理利用能量；如果發(fā)動(dòng)機(jī)綜 合參數(shù)匹配允許，可以設(shè)計(jì)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子出口速度與軸向平行或僅有很小的夾角、且 保持與附加涵道風(fēng)扇氣流壓力平衡，這時(shí)可將空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子替換為只起到結(jié)構(gòu)支承作 用的支板(下文統(tǒng)稱為空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子)，能減少葉片數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量。
[0020] 所述附加涵道進(jìn)氣道6,其作用是對(duì)來流進(jìn)行減速擴(kuò)壓，使附加涵道風(fēng)扇能夠高效 完成對(duì)高速飛行的來流減速增壓作用；附加涵道進(jìn)氣道的具體設(shè)計(jì)可采用目前已有的大涵 道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)技術(shù)；本發(fā)明的新型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)配置了附加涵道進(jìn)氣 道后，可以工作于更高的飛行馬赫數(shù)，一般高亞音速來流經(jīng)其減速后可以高效率地變?yōu)榈?亞音速流，能適應(yīng)自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的工作需要。
[0021] 所述附加涵道尾噴管7,其作用是將附加涵道風(fēng)扇靜子與空氣渦輪驅(qū)動(dòng)靜子的出 口增壓氣流加速膨脹并噴出，達(dá)到產(chǎn)生推力的作用。附加涵道尾噴管具體設(shè)計(jì)可采用目前 已有的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道噴管設(shè)計(jì)技術(shù)。附加涵道尾噴管只負(fù)責(zé)將附加涵道風(fēng)扇 靜子與空氣渦輪驅(qū)動(dòng)靜子的出口增壓氣流噴出，不需與核心機(jī)排氣混合，所以長度較短以 減輕重量；且這兩路氣流均非高溫，噴管可用輕質(zhì)材料制造。
[0022] 所述帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，其特征是相比于原來雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 風(fēng)扇外涵部分的流量私與壓比效率為L)，具有更大的流量?^與更低的壓比效 率/?,);壓比艮據(jù)總體性能設(shè)計(jì)給定，流量％由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪與附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的功 率平衡條件決定，即

【權(quán)利要求】
1. 帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是：不同于常規(guī)的渦扇 發(fā)動(dòng)機(jī)，其外涵道部分引入了一個(gè)具有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子， 該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1)、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)、旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣（5);附加涵道風(fēng) 扇轉(zhuǎn)子（1)下游設(shè)置了附加涵道風(fēng)扇靜子（2);在空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)下游設(shè)置了空氣驅(qū) 動(dòng)渦輪靜子（4);附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，將通過附加涵道進(jìn)氣道（6)輸送至A 截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風(fēng)扇靜子（2)輸出至B截面；由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)提 取能量后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子（4)輸出至D截面；B截面和D截面處的氣流合 并后，流入附加涵道噴管（7)向后噴出；通過上述裝置，附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1)能對(duì)流量更 大的附加涵道氣流增壓，按照能量守恒定律增壓比會(huì)比C截面下降，再加上D截面氣流，附 加涵道噴管（7)向后噴出總氣流量可顯著大于一般渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道流量；根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng) 機(jī)質(zhì)量附加原理，向后噴出更大質(zhì)量流量的氣流能獲得更大的推力和更低的耗油率，盡管 相對(duì)于進(jìn)口速度的流速增量會(huì)減小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特 征是：外涵道部分引入了一個(gè)不同于常規(guī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、且具有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣 渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及附加涵道風(fēng)扇靜子，其中，自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包含附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn) 子（1)、位于其內(nèi)環(huán)的空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)、以及在這兩者之間連接兩者的旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣 (5);流入自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中心部分（8-1)的氣流，經(jīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（8-2)增壓 后，由外涵道輸送至流動(dòng)C截面，然后流入空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)，被該轉(zhuǎn)子吸收大部分氣 流能量后經(jīng)流動(dòng)CD截面流入空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子（4);而空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子（3)獲得的驅(qū)動(dòng) 力矩通過旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣（5)傳遞給附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1)，使之能對(duì)流量更大的附加涵道 氣流增壓；附加涵道風(fēng)扇靜子（2)將附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（1)出口的切向分速度轉(zhuǎn)為軸向，有 利于噴管產(chǎn)生更大推力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子（4)，其作用是將空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子出口的切向分速度轉(zhuǎn)為軸 向、且出口氣流壓力與附加涵道風(fēng)扇靜子保持平衡，以盡量合理利用能量；如果發(fā)動(dòng)機(jī)綜合 參數(shù)匹配允許，可以設(shè)計(jì)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子出口速度與軸向平行或僅有很小的夾角、且保 持與附加涵道風(fēng)扇氣流壓力平衡，這時(shí)可將空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子替換為只起到結(jié)構(gòu)支承作用 的支板，下文統(tǒng)稱為空氣驅(qū)動(dòng)渦輪靜子，能減少葉片數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的附加涵道進(jìn)氣道（6 )，其能對(duì)來流進(jìn)行減速擴(kuò)壓，使附加涵道風(fēng)扇能夠高效完成對(duì) 高速飛行的來流減速增壓作用；附加涵道進(jìn)氣道的具體設(shè)計(jì)可采用目前已有的大涵道比渦 扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)技術(shù)；本發(fā)明的新型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)配置了附加涵道進(jìn)氣道后， 可以工作于更高的飛行馬赫數(shù)，一般高亞音速來流經(jīng)其減速后可以高效率地變?yōu)榈蛠喴羲?流，能適應(yīng)自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的工作需要。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的附加涵道尾噴管（7)，能將附加涵道風(fēng)扇靜子與空氣渦輪驅(qū)動(dòng)靜子的出口增壓氣 流加速膨脹并噴出，達(dá)到產(chǎn)生推力的作用；附加涵道尾噴管具體設(shè)計(jì)可采用目前已有的大 涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道噴管設(shè)計(jì)技術(shù)；附加涵道尾噴管只負(fù)責(zé)將附加涵道風(fēng)扇靜子與空 氣渦輪驅(qū)動(dòng)靜子的出口增壓氣流噴出，不需與核心機(jī)排氣混合，所以長度較短以減輕重量； 且這兩路氣流均非高溫，噴管可用輕質(zhì)材料制造。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，其相比于原來雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外涵部 分的流量私與壓比效率為L，具有更大的流量?^與更低的壓比效率壓比 艮據(jù)總體性能設(shè)計(jì)給定，流量％由空氣驅(qū)動(dòng)渦輪與附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的功率平衡條件 決定，即
效率流量?#數(shù)，可以按照目前已有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到附加涵 道風(fēng)扇氣動(dòng)造型；由于附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子增大了發(fā)動(dòng)機(jī)總排氣流量，發(fā)動(dòng)機(jī)的可用能量分 配到更大的排氣流量中，由于排氣速度的降低幅度比質(zhì)量的增加幅度小，因此排氣總動(dòng)量 加大，對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加，耗油率降低。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子，在原雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的外涵出口處，將該處氣流 切向分速度對(duì)應(yīng)動(dòng)能和部分壓力能提取出，并通過與之聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣傳遞給附加涵 道風(fēng)扇，以實(shí)現(xiàn)外涵增壓；該空氣渦輪流量為務(wù)、落壓比為效率為流量Wr=Ml3 ,壓
計(jì)方法設(shè)計(jì)得到空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子氣動(dòng)造型；這樣的流量條件保證盡可能將原風(fēng)扇外涵氣 體全部利用，壓力條件保證空氣驅(qū)動(dòng)渦輪出口與自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇出口總壓相等，最大限度降低 摻混損失。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征 是所述的旋轉(zhuǎn)中介機(jī)匣，連接著附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子，起著傳遞扭矩、阻 隔不同壓力氣流、支承自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。
9. 如權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方 法，其特征是包括以下步驟： 1) 需選定原型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，原型選定后，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)涵道總壓比和渦輪前溫度 已都確定，一般所選待改型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)受當(dāng)前材料和制造工藝所限，這兩參數(shù)會(huì)是某一 水平，只需對(duì)風(fēng)扇外涵道部分進(jìn)行以下改進(jìn)； 2) 先初步確定該發(fā)動(dòng)機(jī)增加附加涵道后得到提高的涵道比及根據(jù)附加涵道風(fēng)扇和 空氣驅(qū)動(dòng)渦輪的功率平衡條件，以及為降低摻混損失而保證空氣驅(qū)動(dòng)渦輪出口與附加涵
3) 根據(jù)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子落壓比見,、流量吟和附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子壓比v,、流量?，確 定自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并繪制附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)靜子進(jìn)出口速度三角形， 在一維估算層面上通過多輪迭代優(yōu)化并確定各個(gè)截面參數(shù)； 4) 根據(jù)所得速度三角形，設(shè)計(jì)附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)靜子子午流道并進(jìn)行 葉片三維造型，確定各個(gè)葉片排葉片數(shù)目，通過計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得 附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)靜子性能優(yōu)； 5) 根據(jù)優(yōu)化后自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子壓比V,、流量?f、效率/7身數(shù)，可以按照目前已有的航 空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及其靜子氣動(dòng)造型； 6) 根據(jù)優(yōu)化后空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的落壓比V,、流量務(wù)、效率/7#數(shù)，可以按照目前已 有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子及其靜子氣動(dòng)造型； 7) 附加涵道進(jìn)氣道的具體設(shè)計(jì)可采用目前已有的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)技 術(shù)；附加涵道尾噴管具體設(shè)計(jì)可采用目前已有的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道噴管設(shè)計(jì)技 術(shù)； 8) 在所有增加和改動(dòng)后部件的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和大體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)完成后，按照已有航空發(fā) 動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行強(qiáng)度校核與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)校核；至此，完 成了在雙轉(zhuǎn)子渦扇基礎(chǔ)上改進(jìn)的具有自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的新概念渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。
【文檔編號(hào)】F02K5/00GK104500269SQ201410753758
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】黃國平, 陸惟煜, 傅鑫, 向鑫, 馬文孝 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)