专利名称：一种反旋燃气涡轮发动机的制作方法
技术领域：
本设计是一种反旋燃气涡轮发动机，至少包含反旋空气压缩机(以下简称压气机)和反旋燃气涡轮(以下简称涡轮)部件、燃烧室部件，主要用来产生飞行动力。
燃气涡轮发动机，特别是航空燃气涡轮发动机，经过几十年的持续开发，在设计方案上取得长足进步。在早期的单转子轴流涡轮喷气发动机的基础上，出现了采用多转子和可偏转压气机叶片等技术改善其非设计状态性能的设计。此后，叶栅理论分析和试验研究又揭示了反旋(Counterrotation)轴流式叶片机(压气机、涡轮)构想的优越性。所述的反旋轴流叶片机，也译作对转轴流叶片机，其特征是相邻两级转子的旋转方向相反。这个特征使得后级叶栅可以充分利用前级叶栅出口的反向环量作功，不需要级间静叶栅，能够显著减轻发动机重量，同时消除了静叶栅内的压力损失。由此可见，同时采用反旋压气机和反旋涡轮的反旋燃气涡轮发动机由于没有压气机和涡轮级间静子(导向器)以及能够提供较大的单级功率，可以显著地减轻本身重量，提高发动机的推重比(所产生的推力与本身重量之比)，提高涡轮和压气机的单级效率，从而提高整机热效率。
但是，反旋燃气涡轮发动机的总体设计却遇到传动困难，致使完全由反旋级构成的，较高增压比的此类发动机迟迟不能进入实用阶段。中国航空学会第二届动力年会入选论文《反旋超音压气机和涡轮气动方案探讨》所提供的反旋燃气涡轮发动机设计，反映了已有的先进反旋轴流燃气涡轮航空发动机典型设计方案(参见该文内第4页
图1a，图中未绘出压气机和涡轮之间的燃烧室)。其总体方案是压气机、燃烧室、涡轮依次沿一小公共的轴线单向排列；涡轮转子通过贯穿燃烧室中心的传动轴带动压气机转子。在这个总体方案之下的多转子发动机，足能采取较高压力转子传动轴套在较低压力转子传动轴外面的套装结构。
所述的已有反旋燃气涡轮发动机设计，由于各涡轮级对相应的压气机级的传动轴是套装结构，所以其一，传动轴的直径由内向外逐层增大，最外层传动轴的直径取决于传动轴的总数，也就是取决于涡轮或压气机的反旋级数，最外层传动轴的直径随着转子数的增多而增大，必然导致其支承轴承直径的增大，后果是轴承组成部分的相对运动速度提高；其二，在这样的多转子设计中还需采用内、外环分别与两个轴配合的轴间轴承，反旋发动机相邻转子的转动方向相反，导致轴间轴承组成部分的相对运动速度进一步增大。由于所述的相对运动速度受轴承材料和润滑剂性能的限制，不能超过现有轴承技术所制约的极限值，所以传动轴的总数受到限制，目前最多为三层传动轴，就是说压气机和涡轮的反旋级数不超过三个。另一方面，传动轴逐层增大直径，必然导致轴的重量增加，抵消了反旋燃气涡轮发动机构想的部分减重效益。
由此可见，所述的已有反旋燃气涡轮发动机总体设计方案事实上限制了反旋燃气涡轮发动机的压气机和涡轮中反旋级的数目。受叶片单级作功能力和反旋级数的双重限制，所述的已有反旋燃气涡轮发动机的总增压比受到限制，阻碍了其循环效率的进一步提高。
本设计的目的是通过改变反旋燃气涡轮发动机总体设计方案，为增加反旋转子数目创造条件，并进一步减轻发动机的重量。藉此提高这类发动机的循环效率和推重比。
本设计所提供的反旋式燃气涡轮发动机的特征是(参见附
图1、2，
图1是发动机剖视图的上半部，图2是下述动叶结合体的构成)至少由一个反旋涡轮-压气机部件[CR]和一个燃烧室部件[B]构成；所述的反旋涡轮-压气机部件[CR]至少包含一个公共静止轴[S]、围绕这个公共静止轴[S]自由转动的两个以上涡轮-压气机单级转子[R]、所述的公共静止轴[S]和涡轮-压气机单级转子[R]之间的止推轴承[BR]以及包容所有所述的涡轮-压气机单级转子并固定所述的公共静止轴[S]的转子机匣[H]；所述的涡轮-压气机单级转子[R]包含一个转子轮盘[D]和均匀分布并固定在所述的转子轮盘[D]边缘上的一组动叶结合体[BL]；所述的动叶结合体由根部的连接结构[J]、底部的涡轮动叶部分[T]、中部的间壁单元[W]、顶部的压气机动叶部分[C]构成；所有所述的动叶结合体[BL]的间壁单元[W]排列形成分隔外层的压气机通道[CC]与内层的涡轮通道[TC]的环状间壁；所述的压气机通道[CC]的气流进口[CI]和涡轮通道[TC]的气流进口[TI]位于所说的反旋涡轮-压气机部件[CR]的两端；相邻两个所述的涡轮-压气机单级转子[R]的旋转方向相反；所述的燃烧室部件[B]位于所述反旋涡轮-压气机部件[CR]的高压端[HP]，并且其进口与所述的压气机通道[CC]的气流出口[CE]连接，其出口与所述的涡轮通道[TC]的气流进口[TI]连接。
压气机通道和涡轮通道的气流进口位于所说的涡轮-压气机部件两端的技术特征可以通过规定每个涡轮-压气机单级转子中涡轮叶栅和压气机叶栅中气流轴向分速方向相反实现；而其中每个叶栅中的气流轴向分速方向又可通过正确选择动叶叶型前缘位置实现。
相邻两个所述的涡轮-压气机单级转子的旋转方向相反的技术特征可以通过预先规定每个涡轮-压气机单级转子的具体旋转方向实现，对于每个涡轮-压气机单级转子中的涡轮叶栅和压气机叶栅，可以通过正确确定动叶叶型安装角实现预定的旋转方向。
这些涉及叶栅设计的工作，可以根据公知的叶栅理论和在其基础上建立的可靠的计算方法在例行的叶栅设计操作中完成。
本设计提供的反旋燃气涡轮发动机，由于每一个所述的涡轮-压气机单级转子的压气机动叶和涡轮动叶沿转子径向结合成一个动叶结合体，直接在动叶结合体内实现涡轮级对压气机级的传动，所以不存在传动轴，因此彻底消除了前述已有反旋燃气涡轮发动机设计中由于传动轴套装所产生的对于反旋转子级数的限制，显然有利实现较高的总增压比和循环效率。
本设计由于在一个所述的反旋级轮盘上同时形成一对反旋涡轮级和反旋压气机级，所以在包含相同的反旋级的条件下，轮盘数目比前述已有设计减少一半，这个特点显然有利于缩短发动机长度，进一步减轻发动机重量，提高其推重比。
所述的各转子公共静止轴本身不旋转，不传递扭矩，所以其直径可以较小。显而易见这些特点都可以大幅度地降低这个公共静止轴与所述的转子轮盘之间轴承组成部分的相对运动速度，从而提供了进一步提高转子转速的余地。
本设计包含的燃烧室，处于所述的反旋涡轮-压气机部件的一端，设计所受的结构限制较少，有利于达到较理想的性能指标。
图1所示的设计实例中，转子机匣[H]由两端的轴承支撑结构和外壁构成。轴承支撑结构通常由贯穿气流的若干径向支板、流道间壁以及轴承(或轴)的安装座等部分构成，径向支板也可以设计成导向叶片。
图1是有外伸传动轴的设计，所以机匣的高压端[HP]有穿过两层流道间壁的径向支板通过中间的轴承座固定外伸轴[SO]的一个轴承；机匣另一端由径向支板穿过一层流道间壁连接一个固定公共静止轴[S]的支承盘。外伸传动轴[SO]的扩张端固定在高压端[HP]的转子轮盘[D]上，所以高压端转子能够通过外伸轴实现与外部的机械传动，同时也间接地使公共静止轴[S]轴线定位。外伸轴另一端的轴承固定在燃烧室[B]的内壁上。包含多层流道的机匣在现有的多涵道发动机中已应用多时，结构有很大差别，
图1所示结构没有推荐或限定含义。各级轮盘[D]的止推轴承[BR]内环固定在公共静止轴上的方式可以不同，
图1所示是通过定距环实现轴承内环的轴向定位。
图1中的燃烧室是回流环形燃烧室，其开放端有环形隔板将流道分成内、外两个环形流道，外流道为空气进口，内流道为燃气出口。
图2示出动叶结合体[BL]的构成及其对轮盘[D]的连接关系。图中所示的动叶结合体的根部[J]为常用的榫头结构，插在轮盘周边上均匀分布的榫槽中，这种联接方式也不是唯一的。动叶结合体所包含的根部[J]、涡轮动叶部分[T]、间壁单元[W]和压气机动叶部分[C]可以是一个整体也可以由两个以上制成体固定结合成一体。一个轮盘上相邻两个动叶结合体的间壁单元之间以及互作反向旋转的两个相邻轮盘的上述间壁单元之间只留合理的配合间隙，这样所有的动叶结合体的间壁单元就排列成分隔压气机通道和涡轮通道的环形间壁。
图1所示的发动机在起动(特别是地面起动)时，由起动机(通常不属于发动机本体)通过外伸轴[SO]带动高压端[HP]一级转子旋转，转子的动叶结合体作圆周运动，其压气机动叶部分在压气机通道[CC]内建立了如箭头所指方向的流动，从而在整个发动机内形成了如各箭头所指方向的流动。如所周知，只要建立了上述流动，通过对燃烧室供油、点火就可以控制发动机逐渐加速，过渡到稳定工作状态，这个过程和已有燃气涡轮发动机的起动过程没有本质区别。如果发动机只在飞行中起动，大气的冲压会形成由压气机通道进口直至涡轮通道出口的流动，可以不通过外伸轴带动转子完成起动。
在间壁单元[W]的周边设置封严结构，例如迷宫式封严结构[M]，有利于控制穿过各所述动叶结合体[BL]间壁单元[W]之间配合缝隙的内、外通道间的串流流量。
为了减小发动机工作中所述的动叶结合体[BL]根部[J]内由气动力弯矩产生的应力，可以将动叶结合体[BL]设计成向所述的涡轮通道气流出口[TE]方向倾斜，以便利用离心力弯矩平衡上述气动力弯矩。
在需要由相对大气静止状态起动本设计提供的发动机情况下，应实现起动机对至少一个所说的涡轮-压气机单级转子的传动；在需要由发动机本身机械地驱动发动机或飞行器附件的情况下，应实现至少由一个所述的涡轮-压气机单级转子对这些附件的传动；在需要由发动机输出轴功率的情况下，应至少由一个单级转子向负载传递轴功率(此时可以去掉该级转子的所述的动叶结合体的顶部压气机动叶部分)。附图所示的设计实例中，在(最高压力端的)一个所述的单级转子轮盘[D]上联结一个外伸的传动轴[SO]实现与外界的传动联系，以满足上述传动要求的部分或全部。
在飞行器上，需要在发动机所述的涡轮通道出口安装使燃气加速的喷管[N]，并使喷管[N]朝着与飞行方向相反的方向，以便由高速燃气流产生推动飞行器前进的推力。为了使发动机进气方向与排气方向一致，需要在发动机所述的压气机通道进口[CI]安装折流进气道[P]，使飞行器前方的来流经过平滑折转，进入发动机的所述的压气机通道[CC]。上述喷管[N]和折流进气道[P]可以作为发动机的固定组成部分，也可以根据发动机与具体飞行器的配合条件，作为两者的过渡部件设计。
喷管[N]通常有中心锥，
图1所示是不在涡轮后补燃的设计，所以喷管的内锥与公共静止轴的支承盘直接连接，外壁与折流进气道[P]连接，如果需要在涡轮后补燃，喷管将联接在补燃室后。气流在折流进气道[P]中流动方向大致折转半周，图示设计中为了降低折转过程的压力损失，进气道中设置了整流栅。
本设计提供的反旋燃气涡轮发动机，既可以直接作为涡轮喷气发动机使用，又可以用作涵道风扇或其它组合动力装置的核心部分。
权利要求1．一种反旋燃气涡轮发动机，其特征是至少由一个反旋涡轮-压气机部件[CR]和一个燃烧室部件[B]构成；所述的反旋涡轮-压气机部件[CR]至少包含一个公共静止轴[S]、围绕这个公共静止轴[S]自由转动的两个以上涡轮-压气机单级转子[R]、所述的公共静止轴[S]和涡轮-压气机单级转子[R]之间的止推轴承[BR]以及包容所有所述的涡轮-压气机单级转子并固定所述的公共静止轴[S]的转子机匣[H]；所述的涡轮-压气机单级转子[R]包含一个转子轮盘[D]和均匀分布并固定在所述的转子轮盘[D]边缘上的一组动叶结合体[BL]；所述的动叶结合体由根部的连接结构[J]、底部的涡轮动叶部分[T]、中部的间壁单元[W]、顶部的压气机动叶部分[C]构成；所有所述的动叶结合体[BL]的间壁单元[W]排列形成分隔外层的压气机通道[CC]与内层的涡轮通道[TC]的环状间壁；所述的压气机通道[CC]的气流进口[CI]和涡轮通道[TC]的气流进口[TI]位于所说的反旋涡轮-压气机部件[CR]的两端；相邻两个所述的涡轮-压气机单级转子[R]的旋转方向相反；所述的燃烧室部件[B]位于所述反旋涡轮-压气机部件[CR]的高压端[HP]，并且其进口与所述的压气机通道[CC]的气流出口[CE]连接，其出口与所述的涡轮通道[TC]的气流进口[TI]连接。
2．按照权利要求1所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的动叶结合体[BL]的间壁单元[W]的周边设置了迷官式封严结构[M]。
3．按照权利要求2所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是所述的动叶结合体[BL]向所述的涡轮通道气流出口[TE]方向倾斜。
4．按照权利要求2所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的涡轮通道气流出口[TE]安装了喷管[N]。
5．按照权利要求2所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的压气机通道进口[CI]安装了折流进气道[P]。
6．按照权利要求2所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的涡轮通道气流出口[TE]安装了喷管[N]；在所述的压气机通道进口[CI]安装了折流进气道[P]。
7．按照权利要求3所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的涡轮通道气流出口[TE]安装了喷管[N]。
8．按照权利要求3所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的压气机通道进口[CI]安装了折流进气道[P]。
9．按照权利要求3所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在所述的涡轮通道气流出口[TE]安装了喷管[N]；在所述的压气机通道进口[CI]安装了折流进气道[P]。
10．按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的反旋燃气涡轮发动机，其特征是在至少一个所述的单级转子轮盘[D]上联结一个外伸的传动轴。
专利摘要一种反旋燃气涡轮发动机,至少包含一个燃烧室部件和一个径向传动反旋涡轮—压气机部件。反旋涡轮一压气机部件包含围绕一个静止的轴自由转动的至少两级反旋涡轮—压气机单级转子;转子叶片结合体的上部是压气机动叶,底部是涡轮动叶,实现了反旋涡轮—压气机单级转子的无轴传动,便于增加反旋级数。与已有的反旋燃气涡轮发动机相比较,能够达到更高的发动机推重比和更高的循环效率。
文档编号F02C3/00GK2305492SQ9622658
公开日1999年1月27日 申请日期1996年6月17日 优先权日1996年6月17日
发明者尹群 申请人:尹群