一种对转向心涡轮驱动对转离心压气机燃气涡轮发动机

1.本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种对转向心涡轮驱动对转离心压气机燃气涡轮发动机。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，是20世纪50年代以来主要的航空动力形式。燃气涡轮发动机压缩系统总增压比提高或重量降低对发动机性能的提升有巨大优势。现有的燃气涡轮发动机如图1所示，将转动的涡轮转子105与离心叶轮101连接在同一根轴上，两者之间装有燃烧室103，空气连续不断的被吸入压气机101、102，在其中压缩后进入燃烧室103中喷油燃烧成为高温燃气，再进入涡轮导向器104中梳理方向，然后高温高压的燃气在涡轮转子105膨胀做功，膨胀功通过传动轴传给离心叶轮101从而实现发动机的连续工作。受材料的限制，在中小型燃气涡轮发动机压缩系统中广泛应用的单级离心压气机压比已近接近设计极限，常规设计技术条件下难以进一步提高。为适应未来飞行器对发动机高功重比、低耗油率、高可靠性等要求，迫使压气机需要在更少的级数和零件数量条件下实现更高的增压比和效率。
3.然而，基于常规设计的压气机则需要采用多级离心压气机或组合压气机来实现高性能压气机的需求，压气机级数增加导致发动机尺寸和重量急剧增大，气体压缩流道行程更长且流道间存在大曲率的转弯，难以在较小的尺寸限制条件下压气机性能难以满足设计要求；压缩系统的低效直接导致现有燃气涡轮发动机功重比和耗油率无法满足未来飞行器的需求。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种对转向心涡轮驱动对转对转离心压气机燃气涡轮发动机。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.一种对转向心涡轮驱动对转离心压气机燃气涡轮发动机，包括：对转离心压气机、回流燃烧室和对转向心涡轮；
6.所述对转离心压气机的气流出口上设置有所述回流燃烧室；
7.所述回流燃烧室的气流出口上设置有所述对转向心涡轮；
8.所述对转向心涡轮与所述对转离心压气机传动连接；
9.其中，对转向心涡轮的前排涡轮转子和后排对转涡轮转子对转运动分别带动对转离心压气机的后排对转叶轮和前排离心叶轮对转运动。
10.在本发明的一个实施例中，所述对转向心涡轮，包括：涡轮导叶、所述前排涡轮转子和所述后排对转涡轮转子；
11.所述涡轮导叶，设置在所述回流燃烧室的气流出口上；
12.所述前排涡轮转子，设置在所述涡轮导叶的气流出口上，且与所述后排对转叶轮传动连接；
13.所述后排对转涡轮转子，设置在所述前排涡轮转子的气流出口上，且与所述前排离心叶轮传动连接；
14.所述涡轮导叶的气流出口的气流进入所述前排涡轮转子的气流进口，所述前排涡轮转子的气流出口的气流进入所述后排对转涡轮转子的气流进口。
15.在本发明的一个实施例中，所述对转离心压气机，包括：所述前排离心叶轮、所述后排对转叶轮和扩压器；
16.所述前排离心叶轮，用于形成气流通道以使气流通过并利用离心力对气流做功；
17.所述后排对转叶轮，设置在所述前排离心叶轮的气流出口上，用于形成气流通道以使气流通过并利用离心力对气流做功；
18.所述扩压器，设置在所述后排对转叶轮的气流出口上，用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向并输送至所述回流燃烧室中。
19.本发明的有益效果：
20.本发明通过对转向心涡轮驱动对转对转离心压气机替换传统的压缩及膨胀系统，减少了压缩及涡轮系统的叶片排数，同时，对转离心压气机充分利用离心力及反预旋做功能力强的双重优势，在增加压缩系统压比的同时，减少其轴向尺寸与重量，大幅降低发动机的耗油率，提升发动机的推重比，从而解决传统燃气涡轮发动机难以满足现代新型飞行器高速、大航程的问题，此外，本发明的发动机简化了传统发动机的结构，因此，降低发动机的生产与维修成本。
21.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
22.图1是现有技术的一种常规燃气涡轮发动机的结构示意图；
23.图2是本发明实施例提供的一种对转向心涡轮驱动对转离心压气机燃气涡轮发动机的结构示意图。
24.附图标记说明：
25.200-对转离心压气机；201-前排离心叶轮；202-后排对转叶轮；203-扩压器；204-回流燃烧室；205-涡轮导叶；206-前排涡轮转子；207-后排对转涡轮转子；208-对转向心涡轮。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
27.实施例一
28.如图2所示，一种对转向心涡轮驱动对转离心压气机燃气涡轮发动机，包括：对转离心压气机200、回流燃烧室204和对转向心涡轮208。
29.对转离心压气机200的气流出口上设置有回流燃烧室204，对转离心压气机200的气流出口与回流燃烧室204的气流进口连通。回流燃烧室204的气流出口上设置有对转向心涡轮208。对转向心涡轮208与对转离心压气机200传动连接。
30.其中，对转向心涡轮208的前排涡轮转子206和后排对转涡轮转子207对转运动分
别带动对转离心压气机200的后排对转叶轮202和前排离心叶轮201对转运动。
31.本实施例中，气流经对转离心压气机200压缩后进入回流燃烧室204内与燃油混合燃烧形成高温高压燃气，高温高压燃气在对转向心涡轮208处膨胀做功。膨胀功驱动对转向心涡轮208的前排涡轮转子206和后排对转涡轮转子207对转(旋转方向相反)，对转带动对转离心压气机200的后排对转叶轮202和前排离心叶轮201对转，从而实现燃气涡轮发动机的连续工作。
32.在该实施例中，通过对转向心涡轮208驱动对转离心压气机200替换传统的压缩及膨胀系统，减少了压缩及涡轮系统的叶片排数，同时，对转离心压气机200充分利用离心力及反预旋做功能力强的双重优势，在增加压缩系统压比的同时，减少其轴向尺寸与重量，大幅降低发动机的耗油率，提升发动机的推重比，从而解决传统燃气涡轮发动机难以满足现代新型飞行器高速、大航程的问题，此外，本发明的发动机简化了传统发动机的结构，因此，降低发动机的生产与维修成本。
33.进一步地，如图2所示，对转向心涡轮208，包括：涡轮导叶205、前排涡轮转子206和后排对转涡轮转子207。
34.涡轮导叶205设置在回流燃烧室204的气流出口上。
35.前排涡轮转子206设置在涡轮导叶205的气流出口上，且前排涡轮转子206与后排对转叶轮202传动连接。
36.后排对转涡轮转子207设置在前排涡轮转子206的气流出口上，且后排对转涡轮转子207与前排离心叶轮201传动连接。
37.涡轮导叶205的气流出口的气流与前排涡轮转子206的气流进口对准，涡轮导叶205的气流出口的气流进入前排涡轮转子206的气流进口，前排涡轮转子206的气流出口的气流与后排对转涡轮转子207的气流进口对准，前排涡轮转子206的气流出口的气流进入后排对转涡轮转子207的气流进口。
38.本实施例中，涡轮导叶205也即是涡轮导向器。
39.本实施例中，在常规向心涡轮的基础上，使用1 1/2型(取消两排对转涡轮之间的导叶，也即是取消前排涡轮转子206和后排对转涡轮转子207之间的导叶结构)对转向心涡轮208进一步提高发动机的功率密度，能够减少整个发动机的陀螺效应。
40.对转向心涡轮208为相邻两级涡轮转子旋转方向相反的向心涡轮。在气动方面充分利用上游转子叶片产生的气流预旋，减少甚至取消下游涡轮(后排对转涡轮转子207)的导叶，是一种有效提高发动机功率密度、效率，减少陀螺效应的重要技术手段。
41.对转向心涡轮208在气动性能、结构及提高飞机机动性能等方面具有常规涡轮无法比拟的优势。在气动性能上，前、后排涡轮对转可使后排涡轮充分利用上游转子出口气流发生预旋，从而取消前后涡轮间的导叶，提高涡轮气动效率。在结构上，1 1/2对转涡轮技术取消了对转涡轮转子间的导叶，缩短了涡轮的长度，减少了零件数，从而减轻了涡轮重量，使得涡轮的结构更为简化紧凑，提高了发动机的推重比。
42.此外，在提高飞机机动性方面，应用对转涡轮驱动对转离心压气机200的航空发动机具有总陀螺力矩小的天然优势，采用对转向心涡轮208驱动对转离心压气机200可同时发挥对转离心压气机200及对转向心涡轮208的优势，大幅减轻压气机及涡轮的尺寸与重量，提高发动机的推重比、功重比，为未来高速、长航时无人战斗机的理想动力系统。
43.进一步地，如图2所示，对转离心压气机200，包括：前排离心叶轮201、后排对转叶轮202和扩压器203。
44.前排离心叶轮201用于形成气流通道以使气流通过并利用离心力对气流做功。
45.后排对转叶轮202设置在前排离心叶轮201的气流出口上，后排对转叶轮202用于形成气流通道以使气流通过并利用离心力对气流做功。
46.扩压器203设置在后排对转叶轮202的气流出口上，扩压器203用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向并输送至回流燃烧室204中。
47.本实施例中，前排离心叶轮201和后排对转叶轮202共同形成气流通道以便气流通过，前排离心叶轮201旋转产生离心力对气流做功以提高气流的压力，后排对转叶轮202旋转产生离心力对气流做功以进一步提高气流的压力。气流通过气流通道进入扩压器203后，轴向的扩压器203可以降低气流的流速，进一步提高气流的压力，同时使气流由径向转为轴向，以便气流进入回流燃烧室204内，然后气流在回流燃烧室204内与燃油混合燃烧形成高温高压燃气，高温高压燃气经涡轮导叶205梳理后在对转向心涡轮208的涡轮转子处膨胀做功。膨胀功驱动对转向心涡轮208的前排涡轮转子206和后排对转涡轮转子207对转(旋转方向相反)，对转带动前排离心叶轮201和后排对转叶轮202对转，从而实现燃气涡轮发动机的连续工作。
48.在保持常规单级离心压气机结构尺寸的条件下，本发明采用后排对转叶轮202代替常规的径向扩压器203，充分利用离心力及反预旋做功能力强的优势，实现在紧凑结构条件下，大幅提升离心压气机总压比的目标。后排对转叶轮202充分借鉴传统管式扩压器203适应不均匀、高来流马赫数复杂流动的设计特点，有效解决传统对转风扇(轴流压气机)后排转子相对马赫数过高导致效率偏低的设计难题；根据高效率离心压气机设计中低比转速对应高比直径叶轮设计规律，后排对转叶轮202采用低比转速、大比直径闭式叶轮设计，解决低比转速、小比直径开式离心叶轮效率低下的设计。
49.本发明可以应用于对转向心涡轮208驱动的轴流-对转离心、斜流-对转离心等具有对转离心压气机200结构形式的涡扇、涡轴、涡喷发动机，还适用于高功重比、低耗油率类中、小型飞行动力装置、地面燃机、辅助动力装置等领域。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。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或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
55.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。