帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機及設計方法，其結(jié)構(gòu)是外涵道部分引入一個有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包含附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1）、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3）、旋轉(zhuǎn)中介機匣（5）；附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1）下游設置了附加涵道風扇靜子（2）；在空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3）下游設置了空氣驅(qū)動渦輪靜子（4）。優(yōu)點：（1）在增大涵道比的同時，避免了大涵道比渦扇發(fā)動機存在的風扇與低壓轉(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)動機（GTF）和三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機方案相比，結(jié)構(gòu)更為簡化（3）可在已有的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上改進而來，降低了技術(shù)風險與研制成本，縮短了研制周期。
【專利說明】帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明技術(shù)屬于新概念渦扇發(fā)動機領域，主要涉及的是一種帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自 驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機的設計概念、主要結(jié)構(gòu)安排及其氣動設計方法。本發(fā)明提出 了將渦扇發(fā)動機內(nèi)涵道部件向外涵道部件傳遞功的方式由傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)軸傳扭改為風扇 利用氣流自驅(qū)動，即原渦扇發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子出口已增壓的氣流驅(qū)動自驅(qū)動風扇空氣渦輪做 功，通過中介機匣帶動與其固聯(lián)的附加涵道風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對附加涵道的增壓。

【背景技術(shù)】
[0002] -直以來，航空發(fā)動機的發(fā)展以追求高推重比與低耗油率為目標，渦扇發(fā)動機以 高推重比和低耗油率的特點，成為各國航空發(fā)動機領域的前沿核心技術(shù)。在軍用領域，由于 兼顧飛行器的機動性能，常采用小涵道比渦扇發(fā)動機；而在民用領域，反映經(jīng)濟性能的耗油 率則尤為重要，各大發(fā)動機公司都以提高渦扇發(fā)動機涵道比以降低耗油率為重要目標。傳 統(tǒng)的大涵道比渦扇發(fā)動機常采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高壓渦輪驅(qū)動高壓壓氣機，低壓渦輪同時驅(qū) 動風扇與低壓壓氣機。隨著渦扇發(fā)動機涵道比的增大，一方面，流經(jīng)風扇的流量變大，風扇 的外徑也隨之變大，此時必須降低風扇的轉(zhuǎn)速，以避免風扇葉尖相對馬赫數(shù)過高導致激波 損失嚴重帶來的氣動問題，以及風扇輪緣速度過大引發(fā)的強度問題；另一方面，低壓渦輪為 驅(qū)動大涵道比風扇，需要從燃氣中提取更多功率，渦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，且會造成高低壓渦輪徑向高度差形成的S彎過渡段大 的流動損失，因此低壓渦輪需要提高轉(zhuǎn)速。風扇需要更低轉(zhuǎn)速和低壓渦輪需要更高轉(zhuǎn)速， 但風扇與低壓渦輪因為共軸連接轉(zhuǎn)速相同，這些共同造成了風扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)速不匹配問 題，這也是渦扇發(fā)動機設計的核心問題之一。
[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)動渦扇 發(fā)動機（GTF) ; (2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機；（3)后風扇渦扇發(fā)動機。
[0004] 這些途徑都一定程度上緩解了大涵道比渦扇發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不匹配問題，但也存在 一定的不足：（1)采用齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機，低壓渦輪經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動風扇，使 低壓軸轉(zhuǎn)速與風扇轉(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， 導致其設計難度很大，存在著可靠性、壽命問題，往往成為大涵道比渦扇發(fā)動機發(fā)展的瓶 頸，限制了該類型發(fā)動機涵道比的增大；（2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機可以更為合理地在風 扇、高低壓壓氣機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)動風扇，無需驅(qū) 動低壓壓氣機，使其轉(zhuǎn)速可以進一步降低。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)動機結(jié)構(gòu)往往十分復雜，三個同心軸系存 在著復雜的轉(zhuǎn)子動力學問題，這些因素使得現(xiàn)今只有極少數(shù)發(fā)動機公司采用并掌握該項技 術(shù)；（3)采用后風扇渦扇發(fā)動機，其獨立的低壓渦輪驅(qū)動風扇，風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，避免了復雜結(jié)構(gòu)的同心軸系，但其缺點也是顯著的：一方 面，一體化不同材料的風扇和渦輪難以加工制造，且需要復雜的結(jié)構(gòu)進行封嚴工作以避免 燃氣外泄至外涵；另一方面，后風扇的形式使得外涵增壓不能像前風扇形式一樣為內(nèi)涵所 用，無法為提高內(nèi)涵經(jīng)濟性做出貢獻。這些缺點使得后風扇形式渦扇發(fā)動機在渦扇發(fā)動機 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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機及設計 方法，其目的是增大渦扇發(fā)動機涵道比，使其獲得更大推力與更低耗油率，從而增加使用該 發(fā)動機飛機的經(jīng)濟性。為此，提出一種在一般的傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(見圖1)基礎上增 加帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇與附加涵道的大涵道比渦扇發(fā)動機設計概念(見圖2與圖 3)和氣動設計方法(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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其 結(jié)構(gòu)是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機為原型8為原型，其外涵道部分引入了一個具有更大涵道比的 帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風扇轉(zhuǎn)子、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子、旋 轉(zhuǎn)中介機匣；附加涵道風扇轉(zhuǎn)子下游設置了附加涵道風扇靜子；在空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子下游 設置了空氣驅(qū)動渦輪靜子；附加涵道風扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時，將通過附加涵道進氣道輸送至 A截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風扇靜子輸出至B截面；由空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子提取能量 后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動渦輪靜子輸出至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，附加涵道風扇轉(zhuǎn)子能對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)動機外涵道流量；根據(jù)渦扇發(fā)動機質(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，盡管相對于進口速度的流速 增量會減小。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點：利用自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，在原有雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上，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，因此排氣總動量加大，對應著發(fā)動機推力增加，耗油率降低。由于自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子通 過氣動方式巧妙避免了風扇與低壓渦輪的轉(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?！颈尘凹夹g(shù)】中提及了 3種既能增大涵道比，又能一定程度解決風扇 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)動渦扇發(fā)動機方案，該方 案結(jié)構(gòu)更為簡單、緊湊，且可靠性更高、壽命更長，設計難度較低；相比于第2類三轉(zhuǎn)子渦扇 發(fā)動機既避免了極其復雜的結(jié)構(gòu)和同心三軸系的轉(zhuǎn)子動力學問題，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彎段的大流動損失；相比于第3類方案，避免了不 同材料風扇和燃氣潤輪一體化加工制造，與冷熱氣流的復雜封嚴結(jié)構(gòu)。此外，該方案可在已 有的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上改進而來，能顯著降低技術(shù)風險與研制成本、縮短研制周期。
[0008] 綜合以上優(yōu)點，本發(fā)明提出的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動 機，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)動機涵道比，增大其推力、降低 其耗油率，增加以其為動力系統(tǒng)飛行裝置的經(jīng)濟性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 附圖1傳統(tǒng)潤扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)不意圖。
[0010] 附圖2帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 附圖3自驅(qū)動風扇三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 附圖4自驅(qū)動風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扇，2表示附加涵道風扇靜子，3表示空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn) 子，4表示空氣驅(qū)動渦輪靜子(或支板)，5表示旋轉(zhuǎn)中介機匣，6表示附加涵道進氣道，7表示 附加涵道噴管，其中1、3、5構(gòu)成自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子。8表示原型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，包含10個 主要部件，8-1表示進氣道，8-2表示風扇轉(zhuǎn)子，8-3表示風扇靜子，8-4表示多級高壓壓氣機 級，8-5表示燃燒室，8-6表示高壓潤輪級，8-7表示低壓潤輪級，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扇轉(zhuǎn)子進口，AB截面表示附加涵道風 扇轉(zhuǎn)子出口與附加涵道風扇靜子進口，B截面表示附加涵道風扇靜子出口，C截面表示空氣 驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子進口，CD截面表示空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子出口與空氣驅(qū)動渦輪靜子進口，D截面 表示空氣驅(qū)動渦輪靜子出口。速度三角形中，C代表氣流絕對速度(相對發(fā)動機)，U代表由 于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的牽連速度，W代表氣流的相對速度(相對轉(zhuǎn)子葉片)，數(shù)字下標代表所在截 面（1~4分別對應A~D )，下標m代表軸向速度，下標u代表周向速度。

【具體實施方式】
[0014] 對照圖2,帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其結(jié)構(gòu)是以雙轉(zhuǎn)子 渦扇發(fā)動機8 (如圖1)為原型，在外涵道部分引入了一個不同于常規(guī)渦扇發(fā)動機、具有更大 涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風扇轉(zhuǎn)子1、空氣驅(qū)動渦 輪轉(zhuǎn)子3、旋轉(zhuǎn)中介機匣5 (三維結(jié)構(gòu)如圖3)。此外，配設了附加涵道風扇靜子2、空氣驅(qū)動 渦輪靜子4。由空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子3提取能量后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動渦輪靜子4輸出至 D截面?？諝怛?qū)動渦輪轉(zhuǎn)子提取氣流能量獲得驅(qū)動力矩，通過旋轉(zhuǎn)中介機匣傳送給附加涵道 風扇轉(zhuǎn)子，將通過附加涵道進氣道6輸送至A截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風扇靜子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)動風扇轉(zhuǎn)子輸出流量可顯著大于一般渦扇發(fā)動機外涵道流量，由附加涵道噴管7 向后噴出。根據(jù)渦扇發(fā)動機質(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)動機8,其結(jié)構(gòu)包括進氣道8-1，風扇轉(zhuǎn)子8-2,風扇靜子 8-3,多級高壓壓氣機級8-4,燃燒室8-5,高壓渦輪級8-6,低壓渦輪級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，進入該渦扇發(fā)動機的氣流一部分由進氣道8-1進入風扇轉(zhuǎn)子8-2中，另一 部分由附加涵道進氣道6進入附加涵道風扇轉(zhuǎn)子1中。進入風扇轉(zhuǎn)子8-2的部分氣流進 入發(fā)動機內(nèi)涵，流經(jīng)風扇靜子8-3、多級高壓壓氣機級8-4減速擴壓后，進入燃燒室8-5,產(chǎn) 生的高溫燃氣先后進入高壓渦輪級8-6、低壓渦輪級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)軸將功傳遞給風扇轉(zhuǎn)子8-2與高壓壓氣機8-4的轉(zhuǎn)子，以維持這 些部件對氣流的增壓作用，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)動機 吸入總流量的比例很小，這部分推力也僅占發(fā)動機總推力的很小部分；另一部分進入風扇 轉(zhuǎn)子8-2的氣流在經(jīng)過風扇轉(zhuǎn)子8-2的增壓后，由空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子3提取能量后減壓，經(jīng) 空氣驅(qū)動渦輪靜子4輸出至附加涵道噴管7進口，空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子提取氣流能量獲得驅(qū) 動力矩，通過旋轉(zhuǎn)中介機匣傳送給附加涵道風扇轉(zhuǎn)子，并將通過附加涵道進氣道6上游來 流增壓，經(jīng)附加涵道風扇靜子2輸出至附加涵道噴管7進口，附加涵道噴管7進口的兩股氣 流合并后，流入附加涵道噴管7向后噴出，獲得發(fā)動機的大部分推力。
[0017] 本發(fā)明是在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上增加了涵道比更大的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪 的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子、附加涵道風扇靜子、空氣驅(qū)動渦輪靜子（或支板)、附加涵道進氣道及噴 管，其中自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子由附加涵道風扇、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)中介機匣組成，利用一 般渦扇發(fā)動機外涵道氣流驅(qū)動空氣渦輪，從而帶動自驅(qū)動風扇，在原來的渦扇發(fā)動機的基 礎上增大涵道比，起到"涵道放大器"的功能。因此，該發(fā)動機能顯著增大推力、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)動機方案，該方案將內(nèi)涵向外涵傳遞 功的方式由機械轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪減速器傳遞扭矩方式，改為風扇利用氣流自驅(qū)動(無機械轉(zhuǎn)軸 傳扭)，在解決風扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)速匹配問題的同時，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)動風扇轉(zhuǎn)子及附加涵道風扇靜子，其特征是自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子包含附加涵 道風扇轉(zhuǎn)子1、位于其內(nèi)環(huán)的空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子3、以及在這兩者之間連接兩者的旋轉(zhuǎn)中介 機匣5。流入自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機中心部分8-1的氣流，經(jīng)風扇轉(zhuǎn)子8-2增壓 后，由外涵道輸送至流動C截面，然后流入空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子3,被該轉(zhuǎn)子吸收大部分氣流 能量后經(jīng)流動CD截面流入空氣驅(qū)動渦輪靜子4。而空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子3獲得的驅(qū)動力矩 通過旋轉(zhuǎn)中介機匣5傳遞給附加涵道風扇轉(zhuǎn)子1，使之能對流量更大的附加涵道氣流增壓。 附加涵道風扇靜子2將附加涵道風扇轉(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)動渦輪靜子4,其作用是將空氣驅(qū)動渦輪轉(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扇靜子保持平衡，以盡量合理利用能量；如果發(fā)動機綜 合參數(shù)匹配允許，可以設計空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子出口速度與軸向平行或僅有很小的夾角、且 保持與附加涵道風扇氣流壓力平衡，這時可將空氣驅(qū)動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)動渦輪靜子)，能減少葉片數(shù)，降低發(fā)動機重量。
[0020] 所述附加涵道進氣道6,其作用是對來流進行減速擴壓，使附加涵道風扇能夠高效 完成對高速飛行的來流減速增壓作用；附加涵道進氣道的具體設計可采用目前已有的大涵 道比渦扇發(fā)動機進氣道設計技術(shù)；本發(fā)明的新型大涵道比渦扇發(fā)動機配置了附加涵道進氣 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，能適應自驅(qū)動風扇轉(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扇靜子與空氣渦輪驅(qū)動靜子的出 口增壓氣流加速膨脹并噴出，達到產(chǎn)生推力的作用。附加涵道尾噴管具體設計可采用目前 已有的大涵道比渦扇發(fā)動機外涵道噴管設計技術(shù)。附加涵道尾噴管只負責將附加涵道風扇 靜子與空氣渦輪驅(qū)動靜子的出口增壓氣流噴出，不需與核心機排氣混合，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)動風扇轉(zhuǎn)子，其特征是相比于原來雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機 風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)總體性能設計給定，流量％由空氣驅(qū)動渦輪與附加涵道風扇轉(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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征是：不同于常規(guī)的渦扇 發(fā)動機，其外涵道部分引入了一個具有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子， 該轉(zhuǎn)子包含附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1)、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)、旋轉(zhuǎn)中介機匣（5);附加涵道風 扇轉(zhuǎn)子（1)下游設置了附加涵道風扇靜子（2);在空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)下游設置了空氣驅(qū) 動渦輪靜子（4);附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1)旋轉(zhuǎn)工作時，將通過附加涵道進氣道（6)輸送至A 截面的上游來流增壓，經(jīng)附加涵道風扇靜子（2)輸出至B截面；由空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)提 取能量后減壓的氣流，經(jīng)空氣驅(qū)動渦輪靜子（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，附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1)能對流量更 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)動機外涵道流量；根據(jù)渦扇發(fā)動 機質(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 相對于進口速度的流速增量會減小。
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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特 征是：外涵道部分引入了一個不同于常規(guī)的渦扇發(fā)動機、且具有更大涵道比的帶內(nèi)環(huán)空氣 渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子及附加涵道風扇靜子，其中，自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子包含附加涵道風扇轉(zhuǎn) 子（1)、位于其內(nèi)環(huán)的空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)、以及在這兩者之間連接兩者的旋轉(zhuǎn)中介機匣 (5);流入自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機中心部分（8-1)的氣流，經(jīng)風扇轉(zhuǎn)子（8-2)增壓 后，由外涵道輸送至流動C截面，然后流入空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)，被該轉(zhuǎn)子吸收大部分氣 流能量后經(jīng)流動CD截面流入空氣驅(qū)動渦輪靜子（4);而空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子（3)獲得的驅(qū)動 力矩通過旋轉(zhuǎn)中介機匣（5)傳遞給附加涵道風扇轉(zhuǎn)子（1)，使之能對流量更大的附加涵道 氣流增壓；附加涵道風扇靜子（2)將附加涵道風扇轉(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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的空氣驅(qū)動渦輪靜子（4)，其作用是將空氣驅(qū)動渦輪轉(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扇靜子保持平衡，以盡量合理利用能量；如果發(fā)動機綜合 參數(shù)匹配允許，可以設計空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子出口速度與軸向平行或僅有很小的夾角、且保 持與附加涵道風扇氣流壓力平衡，這時可將空氣驅(qū)動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)動渦輪靜子，能減少葉片數(shù)，降低發(fā)動機重量。
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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的附加涵道進氣道（6 )，其能對來流進行減速擴壓，使附加涵道風扇能夠高效完成對 高速飛行的來流減速增壓作用；附加涵道進氣道的具體設計可采用目前已有的大涵道比渦 扇發(fā)動機進氣道設計技術(shù)；本發(fā)明的新型大涵道比渦扇發(fā)動機配置了附加涵道進氣道后， 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，能適應自驅(qū)動風扇轉(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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的附加涵道尾噴管（7)，能將附加涵道風扇靜子與空氣渦輪驅(qū)動靜子的出口增壓氣 流加速膨脹并噴出，達到產(chǎn)生推力的作用；附加涵道尾噴管具體設計可采用目前已有的大 涵道比渦扇發(fā)動機外涵道噴管設計技術(shù)；附加涵道尾噴管只負責將附加涵道風扇靜子與空 氣渦輪驅(qū)動靜子的出口增壓氣流噴出，不需與核心機排氣混合，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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，其相比于原來雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機風扇外涵部 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)總體性能設計給定，流量％由空氣驅(qū)動渦輪與附加涵道風扇轉(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)動機風扇設計方法設計得到附加涵 道風扇氣動造型；由于附加涵道風扇轉(zhuǎn)子增大了發(fā)動機總排氣流量，發(fā)動機的可用能量分 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，因此排氣總動量 加大，對應著發(fā)動機推力增加，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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子，在原雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子的外涵出口處，將該處氣流 切向分速度對應動能和部分壓力能提取出，并通過與之聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)中介機匣傳遞給附加涵 道風扇，以實現(xiàn)外涵增壓；該空氣渦輪流量為務、落壓比為效率為流量Wr=Ml3 ,壓
計方法設計得到空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子氣動造型；這樣的流量條件保證盡可能將原風扇外涵氣 體全部利用，壓力條件保證空氣驅(qū)動渦輪出口與自驅(qū)動風扇出口總壓相等，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)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機，其特征 是所述的旋轉(zhuǎn)中介機匣，連接著附加涵道風扇轉(zhuǎn)子及空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子，起著傳遞扭矩、阻 隔不同壓力氣流、支承自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的作用。
9. 如權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)環(huán)空氣渦輪的自驅(qū)動風扇大涵道比渦扇發(fā)動機的設計方 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)動機，原型選定后，發(fā)動機的內(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)動機受當前材料和制造工藝所限，這兩參數(shù)會是某一 水平，只需對風扇外涵道部分進行以下改進； 2) 先初步確定該發(fā)動機增加附加涵道后得到提高的涵道比及根據(jù)附加涵道風扇和 空氣驅(qū)動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)動渦輪出口與附加涵
3) 根據(jù)空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子落壓比見,、流量吟和附加涵道風扇轉(zhuǎn)子壓比v,、流量?，確 定自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并繪制附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)靜子進出口速度三角形， 在一維估算層面上通過多輪迭代優(yōu)化并確定各個截面參數(shù)； 4) 根據(jù)所得速度三角形，設計附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)靜子子午流道并進行 葉片三維造型，確定各個葉片排葉片數(shù)目，通過計算流體力學技術(shù)進行三維優(yōu)化設計，使得 附加涵道轉(zhuǎn)靜子、空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)靜子性能優(yōu)； 5) 根據(jù)優(yōu)化后自驅(qū)動風扇轉(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)動機風扇設計方法設計得到附加涵道風扇轉(zhuǎn)子及其靜子氣動造型； 6) 根據(jù)優(yōu)化后空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子的落壓比V,、流量務、效率/7#數(shù)，可以按照目前已 有的航空發(fā)動機渦輪設計方法設計得到空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子及其靜子氣動造型； 7) 附加涵道進氣道的具體設計可采用目前已有的大涵道比渦扇發(fā)動機進氣道設計技 術(shù)；附加涵道尾噴管具體設計可采用目前已有的大涵道比渦扇發(fā)動機外涵道噴管設計技 術(shù)； 8) 在所有增加和改動后部件的氣動設計和大體結(jié)構(gòu)方案設計完成后，按照已有航空發(fā) 動機設計技術(shù)對這些結(jié)構(gòu)進行具體結(jié)構(gòu)設計，并進行強度校核與轉(zhuǎn)子動力學校核；至此，完 成了在雙轉(zhuǎn)子渦扇基礎上改進的具有自驅(qū)動風扇的新概念渦扇發(fā)動機。
【文檔編號】F02K5/00GK104500269SQ201410753758
【公開日】2015年4月8日 申請日期: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 申請人:南京航空航天大學