一种小推力高性能低成本后置涡扇发动机

摘要

本发明涉及一种小推力高性能低成本后置涡扇发动机，涉及涡扇发动机技术领域。本发明采用保形通道扩压器和斜流压气机作为压缩级，驻涡燃烧室作为燃料能量转换装置，将燃烧室与高压涡轮，并涡轮与风扇一体化设计，采用燃油润滑系统简化结构设计，最终形成小推力量级的超低成本的后置涡扇发动机方案，可广泛应用在无人机、靶机市场中。

说明书

技术领域

本发明涉及涡扇发动机技术领域，具体涉及一种小推力高性能低成本后置涡扇发动机。

背景技术

涡扇发动机主要用于飞行器的动力系统，为飞行器产生前进的动力。涡扇发动机主要由风扇、压气机、扩压器、燃烧室、涡轮、轴系等组成。轴系需要由至少两个或多个轴承进行承载，并需要相应的润滑冷却系统(润滑油，滑油泵等组成)。

涡扇发动机普遍采用风扇在发动机进气最前端。且传统涡轮发动机风扇一般与涡轮采用一根细长轴来传动，且整个风扇-轴-涡轮组成的转子系统对转子平衡性提出了很高的要求，相应的对产品的加工精度要求也较高，导致转子系统复杂，加工成本高。润滑系统由于需要单独的润滑油和油泵系统，增大涡扇发动机分系统复杂程度，提高了安装复杂程度及加工成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何简化涡扇发动机结构，减少发动机零件数量，降低发动机的生产和装配成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小推力高性能低成本后置涡扇发动机，包括：斜流叶轮1、压气机机匣2、扩压器机匣3、中介机匣4、外涵机匣5、供油管路6、涡轮风扇转子7、风扇导叶8、外涵喷管9、内涵喷管10、涡轮导叶11、内锥12、轴套13、后轴承14、火焰筒15、前轴承16、内涵机匣17、燃油喷嘴18、中心轴19、压紧螺母20和后压紧环21；

所述斜流叶轮1作为压气机转子，通过压紧螺母20安装在中心轴19的台阶上，前轴承16内环通过斜流叶轮1压紧在中心轴19上，后轴承14内环通过后压紧环21中的台阶结构压紧在中心轴19台阶上，后压紧环21拧紧在中心轴19上，涡轮风扇转子7与后压紧环21联接；斜流叶轮1、中心轴19、前轴承16、后轴承14组成转动系统；

前轴承16外环通过轴套13限制径向移动，通过轴套13中的台阶和中介机匣4中的台阶限制轴向移动；后轴承14外环通过轴套13限制径向移动，通过轴套13中的台阶和中心轴19中的台阶限制轴向移动；

转动系统产生的轴向力通过前轴承16、后轴承14的内环传递至前轴承16、后轴承14的轴承滚珠，再传递至前轴承16、后轴承14的轴承外环，从而传递至轴套13，然后再传递至扩压器机匣3，最终传递至中介机匣4；扩压器机匣3和中介机匣4连接；

压气机机匣2连接至扩压器机匣3；外涵机匣5连接至中介机匣4；供油管路6连接至外涵机匣5；外涵喷管9和内涵喷管10通过风扇导叶8焊接成一体，并固定于中介机匣4；内锥12与内涵喷管10通过涡轮导叶11以焊接的方式连接成一体；火焰筒15与内涵机匣17连接；燃油喷嘴18周向布置多个出口，对接于中介机匣3相匹配的孔，并采用焊接方式连接。

优选地，所述后压紧环21通过螺纹拧紧在中心轴19上。

优选地，所述涡轮风扇转子7与后压紧环21联接。

优选地，所述扩压器机匣3和中介机匣4采用螺栓连接的方式连接。

优选地，所述压气机机匣2通过螺钉连接至扩压器机匣3。

优选地，所述外涵机匣5通过螺钉连接至中介机匣4。

优选地，所述供油管路6通过螺纹接头连接至外涵机匣5。

优选地，所述外涵喷管9和内涵喷管10焊接成一体后通过螺钉联接的方式固定于中介机匣4。

优选地，所述火焰筒15通过后部的螺钉与内涵机匣17连接。

优选地，所述燃油喷嘴18周向布置12个出口。

(三)有益效果

本发明采用保形通道扩压器和斜流压气机作为压缩级，驻涡燃烧室作为燃料能量转换装置，将燃烧室与高压涡轮，并涡轮与风扇一体化设计，采用燃油润滑系统简化结构设计，最终形成小推力量级的超低成本的后置涡扇发动机方案，可广泛应用在无人机、靶机市场中，试验证明，其推重比可达到8量级，直径小于275mm，耗油率小于0.816kg/(kgf.h)，效费比达1.0。

附图说明

图1是本发明的发动机二维结构示意图；

图2是本发明的发动机中火焰筒结构示意图；

图3是本发明的发动机流路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明发动机总体结构方案的确定以某长寿命涡轮发动机为基础，开展结构模块化、一体化、紧凑化设计工作。总体结构采取0-2-0支承方式。核心机由斜流式压气机、驻涡环形燃烧室、轴流涡轮部件、角接触陶瓷球轴承及其支承结构组成。外涵为单级后置风扇(Aft Fan)结构。

分系统设计中,减少零件总数，简化附件以及传动系统，简化润滑系统，主要如下：

①外函为单级风扇，风扇为宽展弦比跨音速叶型，且风扇后置与涡轮转子一体化设计，紧凑度高；

②压缩级采用单级斜流叶轮+闭式保形通道扩压器，具有迎风面积小、效率高、通流能力强的特点，其中介机匣、扩压器一体化设计；

③燃烧系统采用驻涡式燃烧室，具有结构紧凑、能量密度高、轴向尺寸小的特点，且涡轮导向器与燃烧室掺混段进行一体化设计；

④膨胀系统采用单级高落压比轴流涡轮；

⑤取消润滑系统，轴系采用从后向前的燃油通流冷却/润滑方法；输送路线如下：泵后燃油→燃油输送管→轴承套→后轴承→前后轴承之间的空间→前轴承→供油组件→火焰筒燃烧；

具体而言，如图1所示，本发明提出的一种小推力高性能低成本后置涡扇发动机包括：斜流叶轮1、压气机机匣2、扩压器机匣3、中介机匣4、外涵机匣5、供油管路6、涡轮风扇转子7、风扇导叶8、外涵喷管9、内涵喷管10、涡轮导叶11、内锥12、轴套13、后轴承14、火焰筒15、前轴承16、内涵机匣17、燃油喷嘴18、中心轴19、压紧螺母20和后压紧环21；

1)转动系统

斜流叶轮1作为压气机转子通过反旋螺母20压紧安装在中心轴19的台阶上；前轴承16内环通过斜流叶轮1的结构压紧在中心轴19上，后轴承14内环通过后压紧环21中的台阶结构压紧在中心轴19台阶上，后压紧环21通过螺纹拧紧在中心轴19上，涡轮风扇转子7通过螺钉与后压紧环21联接——由此形成转动系统。

2)轴向力传递系统

前轴承16外环通过轴套13限制径向移动，通过轴套13中的台阶和中介机匣4中的台阶限制轴向移动。后轴承14外环通过轴套13限制径向移动，通过轴套13中的台阶和中心轴19中的台阶限制轴向移动。

由此，转动系统产生的轴向力通过前轴承16、后轴承14的内环传递至轴承滚珠，传递至轴承外环，传递至轴套13，传递至扩压器机匣3，传递至中介机匣4。其中，扩压器机匣3和中介机匣4采用螺栓连接的方式。

3)其他联接结构

压气机机匣2通过螺钉连接至扩压器机匣3；外涵机匣5通过螺钉连接至中介机匣4；供油管路6通过螺纹接头连接至外涵机匣5；外涵喷管9和内涵喷管10通过风扇导叶8焊接成一体，并通过螺钉联接的方式固定于中介机匣4；内锥12与内涵喷管10通过涡轮导叶11以焊接的方式连接成一体。火焰筒15通过后部的螺钉与内涵机匣17连接。燃油喷嘴18一周共有12个出口，对接于中介机匣3相匹配的孔，并采用焊接方式连接。

如图2所示，火焰筒15由22火焰筒头罩，23火焰筒内环，24火焰筒导向器，25火焰筒内环后段，26火焰筒内环前段组成。火焰筒各个部件都以焊接的方式连接。在火焰筒15的末端开设有螺钉孔，该螺钉孔为火焰筒15与内涵机匣17的连接接口。

进入发动机内部的气流分成两股，一股气流通过火焰筒头罩22、火焰筒内环前段26中的孔进入火焰筒15内部；另外一股通过火焰筒导向器24，冷却火焰筒导向器24后，通过火焰筒内环后段25进入火焰筒15内部；两股气流与燃油喷嘴18雾化后的燃油发生化学反应，产生高温燃气通过火焰筒导向器24之间的流道排放至涡轮风扇转子7中的涡轮，并推动涡轮旋转做功。

如图3所示，本发明的发动机的流道分成内涵和外涵两股。内涵道气流通过斜流叶轮1，扩压器3后进入火焰筒15，与燃油发生燃烧化学反应；燃油通过供油管路6，进入后轴承14进行冷却，经过轴套13和轴19之间形成的燃油流路，而后经过前轴承16进行冷却，而后进入燃油喷嘴18进行雾化，而后进入火焰筒15，与内涵空气发生燃烧化学反应。燃烧后产生的高温燃气经过涡轮风扇转子7进行做功，再经过涡轮导叶11进行整流，而后流过内涵机匣17与内锥12之间形成的流道，排放至内涵喷管10尾部。

外涵道空气经过外涵机匣5与内涵机匣17之间形成的空气流道，而后经过涡轮风扇转子7的叶片进行增压，而后经过风扇导叶8进行整流，而后经过外涵喷管9与内涵喷管10之间流道，喷射至内涵喷管10尾部，与内涵气流掺混后排放至大气环境。

可以看出，本发明设计的一种高效费比的小推力涡扇发动机。其具有如下特点：

1)采用闭式保形通道扩压器压缩方案。该技术能够显著降低压缩级直径，提高整级效率和总压恢复系数，具有显著的低损失，高扩压度优势，且中介机匣与扩压器一体设计，有利于降低生产成本和发动机重量。

2)采用驻涡式燃烧技术。驻涡燃烧室的火焰长度只有常规燃烧室的50％左右、贫油熄火边界较常规旋流稳焰方式扩大将近4倍、在宽广范围内燃烧效率在99％以上，具有高能量密度，超紧凑，宽包线特点。

3)采用燃油冷却转子-环路供油技术。采用燃油冷却轴系后，喷射进入燃烧室雾化、掺混、燃烧技术，能够简化润滑系统、冷却系统，显著降低发动机整机重量。

4)采用风扇与涡轮转子一体化技术。将涡轮转子与风扇转子一体化设计，通过涡轮风扇转子内的篦齿分隔内涵与外涵的流动，能够简化轴系结构，减轻轴系总重量，提高紧凑度，缩短核心机的总长度，提高核心机的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。