[发明专利]带内环空气涡轮的自驱动风扇大涵道比涡扇发动机

说明书

技术领域

本发明技术属于新概念涡扇发动机领域，主要涉及的是一种带内环空气涡轮的自驱动风扇大涵道比涡扇发动机的设计概念、主要结构安排及其气动设计方法。本发明提出了将涡扇发动机内涵道部件向外涵道部件传递功的方式由传统的机械转轴传扭改为风扇利用气流自驱动，即原涡扇发动机风扇转子出口已增压的气流驱动自驱动风扇空气涡轮做功，通过中介机匣带动与其固联的附加涵道风扇转子转动，从而实现对附加涵道的增压。

背景技术

一直以来，航空发动机的发展以追求高推重比与低耗油率为目标，涡扇发动机以高推重比和低耗油率的特点，成为各国航空发动机领域的前沿核心技术。在军用领域，由于兼顾飞行器的机动性能，常采用小涵道比涡扇发动机；而在民用领域，反映经济性能的耗油率则尤为重要，各大发动机公司都以提高涡扇发动机涵道比以降低耗油率为重要目标。传统的大涵道比涡扇发动机常采用双转子结构，高压涡轮驱动高压压气机，低压涡轮同时驱动风扇与低压压气机。随着涡扇发动机涵道比的增大，一方面，流经风扇的流量变大，风扇的外径也随之变大，此时必须降低风扇的转速，以避免风扇叶尖相对马赫数过高导致激波损失严重带来的气动问题，以及风扇轮缘速度过大引发的强度问题；另一方面，低压涡轮为驱动大涵道比风扇，需要从燃气中提取更多功率，涡轮的轮缘速度需要提高，而低压涡轮位于内涵道中，半径的提高幅度有限，且会造成高低压涡轮径向高度差形成的S弯过渡段大的流动损失，因此低压涡轮需要提高转速。风扇需要更低转速和低压涡轮需要更高转速，但风扇与低压涡轮因为共轴连接转速相同，这些共同造成了风扇与低压涡轮转速不匹配问题，这也是涡扇发动机设计的核心问题之一。

目前，已出现的解决该问题的主要技术途径有以下三种：（1）采用齿轮驱动涡扇发动机（GTF）；（2）采用三转子涡扇发动机；（3）后风扇涡扇发动机。

这些途径都一定程度上缓解了大涵道比涡扇发动机的转速不匹配问题，但也存在一定的不足：（1）采用齿轮驱动涡扇发动机，低压涡轮经过齿轮减速器减速后驱动风扇，使低压轴转速与风扇转子转速相匹配，然而齿轮减速器由于其传递功率巨大，转速比也较大，导致其设计难度很大，存在着可靠性、寿命问题，往往成为大涵道比涡扇发动机发展的瓶颈，限制了该类型发动机涵道比的增大；（2）采用三转子涡扇发动机可以更为合理地在风扇、高低压压气机和高低中压涡轮间分配功率和匹配转速，低压涡轮只需驱动风扇，无需驱动低压压气机，使其转速可以进一步降低。然而，即使低压涡轮外径尺寸增大后引起了诸多问题，但是大涵道比风扇转子的直径与低压涡轮依然存在较大的轮缘速度差（转速不匹配问题只是缓解而没解决）。另外，三转子涡扇发动机结构往往十分复杂，三个同心轴系存在着复杂的转子动力学问题，这些因素使得现今只有极少数发动机公司采用并掌握该项技术；（3）采用后风扇涡扇发动机，其独立的低压涡轮驱动风扇，风扇可以采用更低的转速，且涡轮功不需要通过转轴前传，避免了复杂结构的同心轴系，但其缺点也是显著的：一方面，一体化不同材料的风扇和涡轮难以加工制造，且需要复杂的结构进行封严工作以避免燃气外泄至外涵；另一方面，后风扇的形式使得外涵增压不能像前风扇形式一样为内涵所用，无法为提高内涵经济性做出贡献。这些缺点使得后风扇形式涡扇发动机在涡扇发动机发展早期出现后，即不被广泛采用，并逐渐淡出人们的视野。

发明内容

本发明提出的是一种带内环空气涡轮的自驱动风扇大涵道比涡扇发动机及设计方法，其目的是增大涡扇发动机涵道比，使其获得更大推力与更低耗油率，从而增加使用该发动机飞机的经济性。为此，提出一种在一般的传统双转子涡扇发动机（见图1）基础上增加带内环空气涡轮的自驱动风扇与附加涵道的大涵道比涡扇发动机设计概念（见图2与图3）和气动设计方法（见图4）。