CN112727635B

CN112727635B - 一种双外涵发动机

Info

Publication number: CN112727635B
Application number: CN202011614652.6A
Authority: CN
Inventors: 贾志刚; 王子尧; 董芃呈
Original assignee: China Aero Engine Research Institute
Current assignee: China Aero Engine Research Institute
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112727635A

Abstract

本发明提供了一种双外涵发动机，包括内涵道、第一外涵道及第二外涵道；其第一导叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇导叶及位于所述第二外涵道的第一叶尖风扇导叶；第二导叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇导叶及位于所述第一外涵道的第二叶尖风扇导叶；所述第一风扇导叶、第一叶尖风扇导叶、第二风扇导叶及第二叶尖风扇导叶可分别独立调节，从而可匹配调节内、外涵道的吸气能力，实现发动机内、外涵流量的灵活分配，支撑发动机在不同任务下循环模式的自由切换。本发明采用分段导叶独立调节的方式，可减少内、外涵流量调节结构，降低发动机的设计复杂度，并可减小发动机内部多个涵道间的气流掺混以及由气流掺混造成的流动损失。

Description

一种双外涵发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种双外涵发动机。

背景技术

伴随作战任务复杂性不断提高和飞行包线不断扩张，航空发动机需要具备多种动力功能和更高推进效率，使得发动机在全飞行包线内综合性能最佳。

传统固定涵道比航空发动机仅能在有限飞行范围内具有良好性能。如涡喷发动机超声速性能较好，单位推力大，高马赫数飞行时耗油率低；涡扇发动机具有良好的亚声速性能，低马赫数飞行时耗油率低。变循环发动机通过调节发动机涵道参数，可兼具高空高速大推力和低空低速低油耗能力。自适应发动机是变循环发动机的进一步发展，增加了一个外涵道，形成三外涵构型，配合模式选择阀、前/后涵道引射器等调节结构，宽范围调整发动机涵道比，提升发动机的任务适应性。目前，结合特定调节结构，已提出多种自适应发动机的构型方案。

专利US20050047942在自适应发动机构型基础上，引入对转风扇，并在对转风扇和核心机驱动风扇之间以及核心机驱动风扇和高压压气机之间分别设置了涵道引射器，以增强发动机涵道比调节能力。

专利US20111067792A1在自适应发动机构型基础上，取消核心机驱动风扇，转而采用可变风扇系统及具有轴流/离心组合式高压压气机的自适应核心机，增强了发动机内、外涵流量及压比的调节能力。

专利US20120131902A1在自适应发动机构型基础上，在低压涡轮后布置后置风扇，后置风扇由与之相连的后置涡轮驱动，后置风扇叶片向上延伸至后置风扇涵道，通过调节后置风扇与前置风扇叶尖风扇，实现发动机不同涵道的流量分配。

但是，目前的自适应发动机及其改进构型方案尚存以下不足：

1)多采用模式选择阀及前涵道引射器等被动放气式调节结构，受限于旋转叶片压缩能力，内、外涵流量主动分配能力较弱，限制了涵道比的改变范围。

2)广泛采用三外涵构型，增加了发动机内部多个涵道间的气流掺混以及由气流掺混造成的流动损失，并且发动机结构形式复杂，结构设计难度较大，限制了实际应用与发展。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种双外涵发动机，以达到增强内、外涵流量主动分配能力，减小内、外涵气流掺混损失，减少内、外涵流量调节结构，简化发动机总体结构的技术目的。本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种双外涵发动机，包括内涵道、第一外涵道及第二外涵道，发动机进口处设有风扇，所述风扇包括第一风扇叶尖风扇及第二风扇叶尖风扇；所述第一风扇叶尖风扇包括第一动叶及第一导叶，所述第一动叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇动叶和延伸至所述第二外涵道的第一叶尖风扇动叶，所述第一导叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇导叶及位于所述第二外涵道的第一叶尖风扇导叶；所述第二风扇叶尖风扇包括第二动叶及第二导叶，所述第二动叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇动叶及延伸至第一外涵道的第二叶尖风扇动叶，所述第二导叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇导叶及位于所述第一外涵道的第二叶尖风扇导叶；所述第二风扇叶尖风扇设置于所述第一风扇叶尖风扇的后侧，两者共同组成嵌套式风扇叶尖风扇；所述第一风扇导叶、第一叶尖风扇导叶、第二风扇导叶及第二叶尖风扇导叶可分别独立调节。

进一步地，所述风扇包括位于所述第一风扇叶尖风扇与第二风扇叶尖风扇之间的中间级风扇，所述中间级风扇包括中间级动叶及中间级导叶。进一步地，所述内涵道的末端还设置有后涵道引射器，所述后涵道引射器用于将第一外涵道的气流与内涵道的气流混合。

进一步地，所述后涵道引射器面积可调。

进一步地，所述后涵道引射器的后侧还设有加力燃烧室。

进一步地，所述加力燃烧室的后侧还设有喉道及喷口面积可调的主喷管。

进一步地，所述第二外涵道的末端还设有喷口面积可调的外涵道喷管。

进一步地，在所述第二风扇叶尖风扇后侧的内涵道内还依次设有高压压气机、燃烧室、高压涡轮及低压涡轮；所述高压涡轮用于带动所述高压压气机，所述低压涡轮用于带动所述风扇。

进一步地，所述高压压气机具备角度可调的静叶。

进一步地，所述低压涡轮的进口设置有角度可调的导向器。

相比于现有技术，本发明的优势在于：本发明提供了一种双外涵发动机，包括内涵道、第一外涵道及第二外涵道；发动机进口处设有风扇；所述风扇包括第一风扇叶尖风扇及第二风扇叶尖风扇；所述第一风扇叶尖风扇包括第一动叶及第一导叶，所述第一动叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇动叶和延伸至所述第二外涵道的第一叶尖风扇动叶，所述第一导叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇导叶及位于所述第二外涵道的第一叶尖风扇导叶；所述第二风扇叶尖风扇包括第二动叶及第二导叶，所述第二动叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇动叶及延伸至第一外涵道的第二叶尖风扇动叶，所述第二导叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇导叶及位于所述第一外涵道的第二叶尖风扇导叶；所述第二风扇叶尖风扇设置于所述第一风扇叶尖风扇的后侧，两者共同组成嵌套式风扇叶尖风扇；所述第一风扇导叶、第一叶尖风扇导叶、第二风扇导叶及第二叶尖风扇导叶可分别独立调节，从而可匹配调节内、外涵道的吸气能力，实现发动机内、外涵流量的灵活分配，支撑发动机在不同任务下循环模式的自由切换。本发明采用分段导叶独立调节的方式，可减少内、外涵流量调节结构，降低发动机的设计复杂度，并可减小发动机内部多个涵道间的气流掺混以及由气流掺混造成的流动损失。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明双外涵发动机的整体示意图；

图2是图1双外涵发动机的局部示意图。

附图标记：

1、风扇；2、高压压气机；3、燃烧室；4、高压涡轮；5、低压涡轮；11、第一风扇叶尖风扇；111、第一风扇动叶；112、第一叶尖风扇动叶；113、第一风扇导叶；114、第一叶尖风扇导叶；12、第二风扇叶尖风扇；121、第二风扇动叶；122、第二叶尖风扇动叶；123、第二风扇导叶；124、第二叶尖风扇导叶；13、第一外涵道；14、第二外涵道；6、加力燃烧室；7、主喷管；8、外涵道喷管；9、后涵道引射器；101、发动机进口气流；102、第一外涵气流；103、第二外涵气流；104、核心气流。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

参见附图1-2，为解决上述技术问题，本发明提供了一种双外涵发动机，包括风扇1、核心机、低压涡轮5、加力燃烧室6、主喷管7、外涵道喷管8、内涵道、第一外涵道13及第二外涵道14。风扇1由低压涡轮5驱动，核心机包括高压压气机2、燃烧室3和高压涡轮4，高压压气机2由高压涡轮4驱动，燃烧室3位于高压压气机2和高压涡轮4之间，气流从主喷管7和外涵道喷管8排出。

发动机进口处设有风扇1，所述风扇1包括第一风扇叶尖风扇11及第二风扇叶尖风扇12。两者共同组成嵌套式风扇叶尖风扇。

第一风扇叶尖风扇11位于发动机进口处。第一风扇叶尖风扇11包括第一动叶以及第一导叶。第一动叶包括位于所述内涵道及第一外涵道13之前的第一风扇动叶111和延伸至所述第二外涵道14的第一叶尖风扇动叶112。相应的，第一导叶分为两段，包括位于所述内涵道及第一外涵道13之前的第一风扇导叶113及位于所述第二外涵道14的第一叶尖风扇导叶114，第一风扇导叶113及第一叶尖风扇导叶114可独立调节。第一风扇叶尖风扇11的第一叶尖风扇动叶112及第一叶尖风扇导叶114位于第二外涵道14，可调节第二外涵道14的吸气能力。第一风扇叶尖风扇11的第一风扇动叶111及第一风扇导叶113位于第一外涵道13和内涵道之前，可调节其所处流道的吸气能力。

第二风扇叶尖风扇12位于第一外涵道13和内涵道进口处。第二风扇叶尖风扇12包括第二动叶及第二导叶。第二动叶包括位于内涵道进口处的第二风扇动叶121及延伸至第一外涵道13的第二叶尖风扇动叶122。相应的，第二导叶分为两段，包括位于内涵道进口处的第二风扇导叶123与位于第一外涵道13的第二叶尖风扇导叶124，第二风扇导叶123与第二叶尖风扇导叶124可独立调节。第二风扇叶尖风扇12的第二叶尖风扇动叶122及第二叶尖风扇导叶124位于第一外涵道13，可调节第一外涵道13的吸气能力。第二风扇叶尖风扇12的第二风扇动叶121及第二风扇导叶123位于内涵道之前，可调节其所处流道的吸气能力。

前、后两级风扇叶尖风扇的分段导叶可分别独立调节；第一风扇叶尖风扇的叶尖风扇及其导叶位于第二外涵道14，可调节第二外涵的吸气能力，可实现第二外涵道14完全关闭；第二风扇叶尖风扇的叶尖风扇及其导叶位于第一外涵道13，可调节第一外涵的吸气能力，可实现第一外涵道13完全关闭；此外，两级风扇叶尖风扇的风扇及其导叶可调节自身所处流道吸气能力，配合第一外涵与第二外涵吸气能力的调节，共同改变发动机内、外涵流量分配，使发动机能够在不同任务下自由切换循环模式。

采用嵌套式风扇叶尖风扇，构建双外涵发动机，取消了现有变循环/自适应发动机的核心机驱动风扇以及模式选择阀、前涵道引射器等放气式调节结构，省去了核心机驱动风扇机匣及其支撑结构，避免在发动机外涵道中设置机匣，使得外涵道形式大大简化，发动机径向尺寸缩小，结构更为紧凑，发动机总体结构形式显著简化，可有效实现发动机减重；双外涵构型减少了涵道间气流的被动掺混以及由此所导致的流动损失。

通过第一风扇叶尖风扇11及第二风扇叶尖风扇12对于内、外涵吸气能力的主动调节，相较于现有变循环/自适应发动机构型，所需高压压气机2流量调节范围减小，降低了高压压气机2的设计要求。

在优选的实施方案中，所述风扇1包括位于所述第一风扇叶尖风扇11与第二风扇叶尖风扇12之间的中间级风扇，所述中间级风扇包括中间级动叶及中间级导叶。从而使得发动机多一级压气结构，进一步提高内涵道及第一外涵道13的空气压缩能力。

参见附图1，在所述第二风扇叶尖风扇12后侧的内涵道内还依次设有高压压气机2、燃烧室3、高压涡轮4及低压涡轮5；所述高压涡轮4用于带动所述高压压气机2，所述低压涡轮5用于带动所述风扇1。所述内涵道的末端还设置有后涵道引射器9，所述后涵道引射器9用于将第一外涵道13的气流与内涵道的气流混合。所述后涵道引射器9的后侧设有加力燃烧室6。所述加力燃烧室6的后侧设有用于排出加力燃烧室6后气流的主喷管。所述第二外涵道14的末端设有用于排出第二外涵道14气流的外涵道喷管8。发动机工作时，发动机进口气流101在第一风扇叶尖风扇11处经压缩增压后分成第二外涵气流103和第一风扇叶尖风扇11后气流。第二外涵气流103经第二外涵道14，从外涵道喷管8排出。第一风扇叶尖风扇11后气流进入第二风扇叶尖风扇12，在第二风扇叶尖风扇12处经压缩增压后分成第一外涵气流102和核心气流104，并分别进入第一外涵道13和内涵道。第一外涵气流102流经第一外涵道13后与核心气流104混合，进入加力燃烧室6，最后进入主喷管7中进一步膨胀后排出。

此外，所述双外涵发动机还具备如下调节结构：高压压气机2具备角度可调的静叶，低压涡轮5的进口设置有角度可调的导向器，后涵道引射器9的面积可调，主喷管7的喉道及喷口面积可调，外涵道喷管8的喷口面积可调。上述调节结构与嵌套式风扇叶尖风扇配合，可调节发动机内、外涵流量。

本发明提供的采用嵌套式风扇叶尖风扇的双外涵发动机，通过调节嵌套式风扇叶尖风扇的分段导叶及其他配套调节结构，增强内、外涵流量主动分配能力，可根据任务需要调节自身工作状态，自由切换涡喷、单外涵涡扇、双外涵涡扇等动力模式，促使发动机全包线综合推进效率最佳。采用嵌套式风扇叶尖风扇的双外涵发动机的动力模式包含以下三种：

涡喷模式。第一叶尖风扇导叶114关小，第一风扇导叶113打开，减弱第二外涵道14的吸气能力，减小第二外涵气流103流量；第二叶尖风扇导叶124关小，第二风扇导叶123打开，减弱第一外涵道13的吸气能力，减小第一外涵气流102流量；根据需要相应调节其他调节结构，与风扇调节相匹配，相应调节核心气流104流量，获得满足任务需求的发动机工作状态。涡喷模式下第一外涵气流102及第二外涵气流103流量均趋近于零，涵道比趋近于零，可实现最小涵道比状态。

单外涵涡扇模式。第一叶尖风扇导叶114关小，第一风扇导叶113打开，减弱第二外涵道14的吸气能力，减小第二外涵气流103流量；第二叶尖风扇导叶124打开，第二风扇导叶123关小，增强第一外涵道13的吸气能力，增加第一外涵气流102流量；根据需要相应调节其他调节结构，与风扇调节相匹配，相应调节核心气流104流量，获得满足任务需求的发动机工作状态。单外涵涡扇模式下第一外涵气流102流量较大，第二外涵气流103流量趋近于零，可实现中间涵道比状态。

双外涵涡扇模式。第一叶尖风扇导叶114打开，第一风扇导叶113关小，增强第二外涵道14的吸气能力，增加第二外涵气流103流量；第二叶尖风扇导叶124打开，第二风扇导叶123关小，增强第一外涵道13的吸气能力，增加第一外涵气流102流量；根据需要相应调节其他调节结构，与风扇调节相匹配，相应调节核心气流104流量，获得满足任务需求的发动机工作状态。双外涵涡扇模式下第一外涵气流102及第二外涵气流103流量均较大，可实现最大涵道比状态。

综上，本发明提供的双外涵发动机，前、后两级风扇叶尖风扇的分段导叶分别独立调节，可匹配调节内、外涵道的吸气能力，实现发动机内、外涵流量的灵活分配，支撑发动机在不同任务下循环模式的自由切换。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims

1.一种双外涵发动机，包括内涵道、第一外涵道及第二外涵道，其特征在于：发动机进口处设有风扇，所述风扇包括第一风扇叶尖风扇及第二风扇叶尖风扇；

所述第一风扇叶尖风扇包括第一动叶及第一导叶，所述第一动叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇动叶和延伸至所述第二外涵道的第一叶尖风扇动叶，所述第一导叶包括位于所述内涵道及第一外涵道之前的第一风扇导叶及位于所述第二外涵道的第一叶尖风扇导叶；

所述第二风扇叶尖风扇包括第二动叶及第二导叶，所述第二动叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇动叶及延伸至第一外涵道的第二叶尖风扇动叶，所述第二导叶包括位于所述内涵道进口处的第二风扇导叶及位于所述第一外涵道的第二叶尖风扇导叶；

所述第一风扇导叶、第一叶尖风扇导叶、第二风扇导叶及第二叶尖风扇导叶可分别独立调节；

沿着内涵道的进气方向，所述第一导叶、第一动叶、第二导叶、第二动叶依次分布；

所述内涵道的末端还设置有后涵道引射器，所述后涵道引射器用于将第一外涵道的气流与内涵道的气流混合；所述后涵道引射器的后侧还包括加力燃烧室。

2.如权利要求1所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述风扇包括位于所述第一风扇叶尖风扇与第二风扇叶尖风扇之间的中间级风扇，所述中间级风扇包括中间级动叶及中间级导叶。

3.如权利要求1所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述后涵道引射器面积可调。

4.如权利要求1所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述加力燃烧室的后侧还设有喉道及喷口面积可调的主喷管。

5.如权利要求1所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述第二外涵道的末端还设有喷口面积可调的外涵道喷管。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：在所述第二风扇叶尖风扇后侧的内涵道内还依次设有高压压气机、燃烧室、高压涡轮及低压涡轮；所述高压涡轮用于带动所述高压压气机，所述低压涡轮用于带动所述风扇。

7.如权利要求6所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述高压压气机具备角度可调的静叶。

8.如权利要求6所述的一种双外涵发动机，其特征还在于：所述低压涡轮的进口设置有角度可调的导向器。