[发明专利]采用轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种采用轴流斜流串列复合压缩系统、具有新型结构和相应设计方法的单转子微小型涡扇发动机。可用于推力数百DaN以下的微小型涡轮风扇发动机。具体涉及了涡扇发动机的压缩系统设计，其采用串列布置的轴流风扇转子叶轮与斜流压气机转子叶轮作为一个复合型压缩系统转子，两者之间没有静子叶轮。此复合型压缩系统转子可以有效提高内涵道压比，并为外涵道提供增压空气流。此微小型涡扇发动机与微小型涡喷发动机相比，在结构仅需少量修改的条件下，推力显著增加，耗油率明显下降；从而能使应用载体（如无人机和巡航导弹）航程或载重显著增加。属于微小型涡轮发动机技术领域。

背景技术

微小型涡轮发动机重量轻、功率大、能量存储密度高、功重比和推重比高等优点，可运用于小型无人机、小型导弹、喷气航模等，应用前景广阔。通常应用微小型涡轮发动机作为推进动力的飞行器还需要发动机简化结构、降低制造难度和生产成本。因此，高推进效能和低成本是微小型涡轮发动机需实现的主要应用要求。然而，由于微小型化带来的相对加工误差大、叶间泄漏损失大、小雷诺数、燃烧效率低等影响，造成现有的微小型涡喷发动机耗油率较高。降低耗油率对微小型涡轮发动机有着重要的意义，对于用于小型无人机而言，意味着可搭载更多的机载设备或更远的航程；对于小型导弹而言，意味着可以提升有效载荷占全弹重量比例，或增大导弹射程。常用的一些降低微小型发动机耗油率的方法一般集中在提高其部件性能上，诸如效率、压比、总压恢复等，但是面临着尺寸微小化后的诸多技术困难，提升空间已经较小。因此，寻找降低微小型发动机耗油率的新思路、新方法变得尤为重要。在原有微小型涡喷发动机的基础上发展成微小型涡扇发动机便是一种有效的技术思路。直接照搬大型涡扇发动机的设计方案和相关技术并不适合微小型涡扇发动机，将使得发动机结构变得十分复杂，不能满足低成本要求。目前国内外关于微小型涡扇的研究多处于探索阶段，综合现有文献，微小型涡扇发动机可能结构形式主要有：（1）前风扇双转子同心轴系方案; （2）后风扇方案; （3）普通单转子涡扇发动机方案；（4）具有高矮叶片单叶轮风扇压气机的微小型涡扇发动机等。

这些结构形式提供了微小型涡扇发动机的可能发展方向，但都存在各自的不足：1）前风扇双转子同心轴系方案是现有大型发动机采用的形式，其微小型化设计在结构设计、安装调试、轴承、润滑和发动机起动等方面都存在着诸多技术困难；2）后风扇方案中，低压涡轮和风扇的整体式结构设计以及冷、热气流的密封问题在微小型发动机尺寸范围内相当困难，此外风扇也起不到提高压缩系统增压比的作用；3）普通单转子涡扇发动机方案可以避免双转子涡扇发动机的同心轴系问题和复杂的流道结构，但在实际应用中，单转子方案也存在着风扇与核心机的不匹配、风扇叶尖马赫数过高以及单级涡轮超负荷运转等难题。4）高矮叶片单叶轮风扇压气机即把风扇和压气机做为一体，结构更为紧凑，摒弃了双轴的复杂性，可行性较强，且将明显降低成本和重量。然而其内涵道本质上就是一个单级离心式压气机，内涵道增压比水平被限制在单级离心式压气机能达到的范围内；其外涵道气流需经过较大程度的折转，会产生较大总压损失；此外，其向前延长的轴流压缩段需要加长轮盘的轴向长度，带来轮盘重量增加较多。

发明内容

本发明提出的是一种采用轴流斜流串列复合压缩系统的微小型涡扇发动机，其目标是让微小型涡轮发动机获得更高的推力和更低的耗油率，以使运用微小型涡轮发动机作为动力的无人机或巡飞弹获得更远的航程或更大的载重。

本发明的技术解决方案：其特征是采用轴流斜流串列复合压缩系统，兼具风扇转子功能和核心机压气机转子功能，该压缩系统结构简单却可同时供给涡扇发动机外涵道气流和内涵道进入燃烧室的气流。所述的轴流斜流串列复合压缩系统采用了一个轴流风扇转子和一个斜流压气机转子的组合。串列轴流风扇的半径较小部分对应内涵道，其下游不设置风扇静子叶片，直接与斜流压气机导风轮构成串列叶栅形式；串列轴流风扇的半径较大部分对应外涵道，设置一排静子叶片，气流经整流减速调整到子午面方向后，沿中介机匣外表面流入涡扇发动机外涵道旁路。轴流斜流串列复合压缩系统系统的内涵道气流进入燃烧室后燃烧注入的燃料加温形成高温燃气，燃气通过轴流涡轮导向器加速喷出，冲击轴流涡轮转子。涡轮后燃气与外涵道的气流在混合段混合向后排出，从而获得喷气推进效果。