[发明专利]一种叶尖喷气自驱动轮式风扇发动机

说明书

本发明公开了一种叶尖喷气自驱动轮式风扇发动机，包括燃烧室布置在叶尖的空心风扇，高压气由中央压气机提供，沿空心叶片流至叶尖燃烧室进行燃烧，然后向侧后方喷出，以射流的反作用力来驱动风扇自转；旋转的风扇通过后机匣内的行星齿轮装置带动中央压气机，这样就建立起了整个发动机的循环运转。这种风扇叶片、供油管及风扇外圈的环箍组合在一起像自行车车轮的设计可以在高速旋转下保持良好的刚度与强度。与现有大涵道比涡扇发动机相比，本发动机去掉了涡轮部件，结构更加轻巧紧凑；与现有直升机的桨尖喷气旋翼相比，本发动机的热效率更高；同时，由于舍弃了涡轮，没有了涡轮材料的热限制，本发动机燃烧室温度可以比现有发动机进一步的提高。

技术领域

本发明涉及一种叶尖喷气自驱动轮式风扇发动机，属于航空发动机技术领域，适用于亚声速下追求高推重比或高效率的航空器，尤其是对于民用客机、军用运输机、高空长航时无人机、甚至对于未来一些垂直或短距起降的飞行器等有着良好的应用前景。

背景技术

叶尖燃烧室喷气驱动技术最先应用在直升机旋翼上，在20世纪50年代，前苏联米里设计局就开始了叶尖喷气旋翼直升机的研究，其研制了一种小型四座叶尖喷气直升机B-7，这架直升机在旋翼桨尖处安放涡轮喷气发动机，并沿周向喷气驱动旋翼旋转。

在1984年，加拿大设计了一种由机身内涡轴发动机引气输送-至桨尖的直升机，其高压气由桨尖喷出驱动旋翼旋转。其共有4片旋翼，每一片旋翼内侧都设置了引气流管，并由半径5米的桨尖喷出，起飞重量约1030公斤，最大巡航速度约为155km/h。

法国研制过桨尖喷气驱动直升机Aerospatiale Djinn，其研究结果表明，如果单纯从空气压缩部件引出高压冷气来驱动，其做功的热效率很低。

美国研制的桨尖喷气直升机有麦道的XH-20和休斯的H-4，两者分别在桨尖安装的冲压发动机和燃烧室，研究结果表明，当桨尖喷出的是高温燃气时，其热效率会有一定程度的提高，但代价是使得机体结构变得复杂。

美国的NASA研制过X-50直升机，采用压缩部件的高压冷气与高温燃气混合气体作为喷气源，研究结果表明，其喷气热效率相比单一的冷气或燃气来讲，都有很大的提高。

在未来大涵道比民用涡扇发动机设计中，有一种大直径风扇的喷气自驱动方案，其原理与上述桨尖喷气直升机的旋翼相似，只是此时驱动的是风扇。罗罗公司曾给出两种驱动风扇的构型方案，两者都是两级对转风扇，且风扇都在核心机涡轮后面。第一种为低压涡轮尾气驱动风扇，其低压涡轮轴向后延伸，驱动后面两级风扇对转，同时核心机的尾气会喷到第一级风扇叶根处，这部分尾气对于驱动第一级风扇的旋转可以起到一定效果。第二种构型方案为叶根涡轮驱动对转风扇，涡轮与风扇并没有轴来连接，其风扇叶片设置在涡轮外延上。

国内南京航空航天大学的黄国平教授也曾提出两种叶尖喷气自驱动风扇的构型方案，分别为驱动风扇的叶尖涡轮与叶根涡轮。这两种喷气自驱动风扇的构型都是避免使用传统的机械传动，依靠高能气体的不同输出方式来使风扇运作，使得风扇、增压级与涡轮能在各自的最佳转速匹配下工作，即使在双转子发动机内也可以体现出三转子的性能与效率，同时为涡扇发动机涵道比的进一步增加提供了可能。

在国外叶尖喷气自驱动的动力装置已经有所应用。上个世纪九十年代，美国率先开展了一种叫冲压转子发动机的研究，这是一种集冲压发动机技术和燃气轮机技术为一体的新概念发动机。本质上为转子盘圆周处设置冲压发动机，由于高速旋转，使气流以相对马赫数2至3的速度进入冲压转子，此时满足冲压发动机工作条件，其沿周向喷气进一步驱动转子旋转。所以，冲压转子本身既是燃烧室又是涡轮，从而大大的简化了发动机结构。

冲压转子发动机在航空领域最直接的应用就是涡轴发动机，也可用于涡喷和涡扇发动机。由于冲压转子发动机耗油率低、结构简单、重量轻，用于高空长航时的无人机动力有较好的适应性，为高空低速飞行器高效动力的研制提供了一条极具前景的途径。