[发明专利]一种涡轮风扇发动机及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种涡轮风扇发动机及其设计方法。

背景技术

涡轮发动机是发动机领域常用的发动机类型，应用较广泛的有涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，例如在军用领域中作为导弹动力装置，以及在民用领域应用于汽车、船舶等。

图1为现有技术中一种单转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图，将气流喷出的一端称为尾部。该涡轮风扇发动机包括风扇101、压气机102、燃烧室103、涡轮104和旋转轴105，压气机102由轴流压气机叶片106和离心压气机叶片107组成，旋转轴105连接风扇101、压气机102和涡轮104。该涡轮风扇发动机在风扇101前面还可以包括静止导流叶片108，用于调整气流的角度。通常也把风扇101称为低压压气机，而将上述压气机102称为高压压气机。

进入涡轮风扇发动机的空气首先流过风扇101，由于风扇101的旋转被加速，并被分为两股，其中一股送入外涵道，可以直接排出或在尾部与经内涵道后流出的气流混合，另一股送入内涵道，到达压气机102；压气机102的叶片对空气做功，使空气的压力和温度升高，在轴流压气机叶片106中，气流沿旋转轴方向流动，在离心压气机叶片107中，气流沿径向向外流动；从离心压气机叶片107流出的高温高压气体进入燃烧室103，与燃烧室103中的喷嘴喷出的燃油作用，形成高温高压燃气；燃烧室303流出的高温高压燃气推动涡轮104转动，高温高压燃气在推动涡轮104的过程中迅速膨胀，并从喷口高速喷出，使发动机产生向前的推力。在这种单转子涡轮风扇发动机中，由于涡轮、压气机和风扇位于同一旋转轴上，因此涡轮、风扇和压气机的转速相同。

图2为现有技术中一种双转子涡轮风扇发动机的基本结构示意图，该涡轮风扇发动机包括：风扇201、压气机202、高压涡轮203、燃烧室204、低压涡轮205、高压轴206和低压轴207，其中压气机202也可以包括轴流压气机叶片208和离心压气机叶片209。图2所示与图1所示的涡轮风扇发动机区别在于，包括两级涡轮转子，其中高压涡轮203通过高压轴206与压气机202连接，低压涡轮205通过低压轴207与风扇201相连，低压轴207穿过高压轴206。其他基本工作原理与对图1的描述中相同。

涡轮喷气发动机的结构与涡轮风扇发动机基本相似，也可以分为单转子涡轮喷气发动机和双转子涡轮喷气发动机，只是涡轮喷气发动机中与涡轮风扇发动机的风扇相对应的部分，即压气机的叶片较短，因此没有进入压气机的空气无法被加速，涡轮喷气发动机的向前推力只能来源于由压气机流向燃烧室，经燃烧形成的高温高压燃气。

正是由于涡轮风扇发动机的向前推力来自两股气流的力量，使涡轮风扇发动机的油耗低于涡轮喷气发动机，因此涡轮风扇发动机目前正在得到更加广泛的应用。

针对涡轮风扇发动机，单转子的情况结构较为简单，相对生产成本较低，但循环效率较低，而双转子的情况可以克服这一缺陷，具有较高的循环效率。但双转子涡轮风扇发动机的轴向尺寸增加，使得发动机的整体重量也增加，并且在小推力发动机领域，由于尺寸受限，为了能够达到推力指标并且具有较好的热力循环性能，转速与大中型推力发动机相比需要大幅度提高。例如，普通的小型弹用发动机转速可以达到30000～40000转以上，而高压级转速设置可达60000～70000转，这样给轴承的设计制造等带来很多困难。由于尺寸小，高压轴尺寸本身受限，低压轴又要穿过高压轴，导致低压轴又细又长，这样给转子动力学问题的解决增加了难度，同时也降低了发动机整机的可靠性，以及发动机维护的困难和维护费用的增加。而且，在现有已有的涡轮喷气发动机基础上，改型为涡轮风扇发动机的工作量大，其中包括大量的结构设计工作。

发明内容

本发明提供一种涡轮风扇发动机，该涡轮风扇发动机作为小推力发动机，其结构布局使零部件数目和轴向尺寸以及整体重量减少，转子动力学设计的难度降低，发动机的生产成本降低以及可靠性提高，并有利于快速从已有的涡轮喷气发动机改型。

本发明提供一种涡轮风扇发动机的设计方法，应用该设计方法，可以减少小推力发动机的零部件数据和轴向尺寸以及整体重量，降低转子动力学设计的难度，降低发动机的生产成本，提高发动机的可靠性，并有利于快速将已有的涡轮喷气发动机改型为涡轮风扇发动机。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种涡轮风扇发动机，至少包括风扇和低压涡轮，所述风扇后置于发动机的尾部，与所述低压涡轮组成单元体。