一种对转式外骨架水空两用发动的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种对转式外骨架水空两用发动机，该发动机主要结构包括：支撑架、油电管路、前止推轴承、圆周轴承、整流罩、内涵道、外涵道、压气机、环形燃烧室、涡轮、后止推轴承、收敛尾喷管、中央涵道、内转子、外转子、叶片榫槽、风扇、发动机罩、输电管路、导电滑环、输油管路、收敛通道、旋转接头、金属燃料腔、金属-水反应燃烧室、风扇静叶。该发动机的压气机和涡轮没有静子叶片，空中工作状态下，外骨架转子和内转子对转，使得压气机及涡轮均实现对转，在提高发动机效率的同时降低转子绝对转速，缩短发动机轴向尺寸，减轻结构重量。在水中工作时，环形燃烧室不工作，内外转子静止，由金属-水反应燃烧室产生动力，实现喷水推进。
【专利说明】一种对转式外骨架水空两用发动机
【技术领域】
[0001]本发明属于航空发动机领域，具体涉及到一种对转式外骨架水空两用发动机。
【背景技术】
[0002]航空发动机(aero-engine)，是一种高度复杂和精密的热力机械。作为飞机的心脏，航空发动机被誉为“工业之花”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。随着技术的进步，飞行器对航空发动机提出了越来越高的要求，如更高推重比、更低耗油率、更高可靠性、更好的维护性、更长寿命、更低全寿命周期费用、适用更宽广的工作范围等。
[0003]传统航空发动机的压气机和涡轮叶片均分为转子叶片和静子叶片，静子叶片固定安装在机匣上，转子叶片安装在轴上，工作时随轴转动。此种传统结构设计越来越无法满足先进飞行器对发动机的要求，如更高推重比，更小结构尺寸等。于是对转技术应运而生。对转即取消定子叶片，相邻转子叶片对转。对转技术理论上能够大幅减少压气机及涡轮叶片级数，从而大幅减轻发动机结构重量、结构尺寸。目前应用较为成功的是涡轮对转技术，如普拉特惠特尼公司的F119发动机。但压气机由于叶片级数较多，对转技术实现困难较大，目前世界上还没有成功运用压气机对转技术的发动机实例。
[0004]随着美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划的提出，外骨架新结构发动机的概念也进入大众视线。NASA提出的外骨架发动机与传统发动机最大的不同即取消了中心转轴，把原本固定安装在机匣上的静子叶片设计安装在了内部静子层上，而把旋转部件换成了外转子层，压气机和涡轮转子叶片均悬挂于外转子层上，工作时只有外转子层转动。实验证明外骨架结构能大幅提高发动机结构效率，减轻约30%的结构重量，从而大幅提高推重比，降低燃油消耗率。但外转子在旋转时由于转动惯量较大，限制了发动机转速，同时对轴承等提出了更高的要求。此种结构设计还处于试验验证阶段。
[0005]未来战争对飞行器提出了多栖作战的要求，既能在空中飞行，又能在作战需要时快速地潜入水下，以躲避敌方的搜寻和攻击，特别是对于未来进行远洋作战的飞机，更需要具有这样的性能。要实现水空两用飞行器就要有一个能够水空两用的发动机，目前世界上已经提出了几种形式的水空两用发动机，但在研制过程中遇到了诸多困难，使得水空两用发动机还处于试验验证阶段。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种对转式外骨架水空两用发动机，旨在提高航空发动机的结构效率、推重比，降低结构重量，减小结构尺寸，降低转子绝对转速，同时实现空中和水下两种不同工况条件下的持续工作。
[0007]本发明是这样来实现的，一种对转式外骨架水空两用发动机，主要包括支撑架、油电管路、前止推轴承、圆周轴承、整流罩、内涵道、外涵道、压气机、环形燃烧室、涡轮、后止推轴承、收敛尾喷管、中央涵道、内转子、外转子、叶片榫槽、风扇、发动机罩、输电管路、导电滑环、输油管路、收敛通道、旋转接头、金属燃料腔、金属-水反应燃烧室和风扇静叶；其特征在于:所述发动机前部支撑架固定安置在发动机罩内，从发动机迎风面看，支撑架成十字架型，发动机罩与发动机后部支撑架固定安置在飞行器的发动机安装架上；
所述外转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，并可绕轴心转动；
所述内转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动；
所述内涵道即位于外转子层内侧、内转子层外侧，由内、外转子层围绕而成的流通通道;
所述外涵道即位于发动机罩内侧、外转子层外侧，由发动机罩、外转子层围绕而成的流通通道；
所述中央涵道即位于内转子层内部的流通通道；
所述油电管路埋设在发动机罩和发动机前部支撑架内部，从飞行器主体由上而下经过发动机罩、前部支撑架进入内转子层；
所述整流罩固定安置在发动机前部支撑架上，位于内转子层前止推轴承前部，类似喇叭口型结构，目的是调整气流(水流)，保护其后的前止推轴承、圆周轴承、导电滑环、旋转接头等结构；
所述压气机叶片与涡轮叶片固定装于榫槽上，榫槽分布于外转子层内侧及内转子层外侧；
所述风扇叶片固定装于外转子层外侧的榫槽上；
所述风扇静叶固定安装于发动机罩内侧，由外向内悬挂，且在叶片顶部装有圆周轴承，与内转子层接触，起到一定的支撑作用；
所述输电管路由埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路末端分出，绕过圆周轴承，其末端连接着导电滑环的静子端。位于内转子层内部的输电管路沿轴向铺设，并沿圆周铺设多条，其始端连接导电滑环转子端，末端分别进入环形主燃烧室和金属-水反应发动机；所述导电滑环分为静子端和转子端，静子端固定在由发动机前部支撑架伸出的输电管路的末端，转子端固定安装在内转子层外侧，环绕内转子层一圈，与静子端接触，并连接着铺设在内转子层内部的数条输电管路。电经过铺设在发动机前部支撑架内部的油电管路分出来的输电管路，到达导电滑环静子端，并通过接触传导至转子端，进入内转子层内部的输电管路；
所述输油管路由埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路末端分出，绕过圆周轴承，其末端连接着旋转接头。位于内转子层内部的输油管路沿轴向铺设，并沿圆周铺设多条，其始端连通内转子层外侧的一圈环形槽，末端连接着环形主燃烧室；
所述旋转接头与埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路分出的输油管路末端固定，为一圈静止的圆环型结构。其沿发动机轴向的宽度，与内转子层外侧的一圈环形槽相配合，且与环形槽壁之间设置刷式密封；
所述环形燃烧室固定安装在内转子层的附属结构上，可随内转子层一起转动；
所述收敛通道结构固定安装在外转子层上，可随之转动，收敛结构帮助形成气流收敛通道，与环形燃烧室之间设置有刷式密封结构以保持总压；
所述收敛尾喷管固定安装在内转子层上，形成收敛通道帮助燃气进入出口导叶最终离开发动机，同时保护圆周轴承与后止推轴承不受高温燃气影响；
所述金属燃料腔是金属-水反应发动机的组成部分之一。金属燃料腔固定安装在内转子层内侧的凹腔前部；
所述金属-水反应燃烧室是金属-水反应发动机的组成部分之一，位于内转子层内侧的凹腔中后部，水与金属燃料在此处发生反应。
[0008]本发明的优点是:
(I)相比传统航空发动机，本设计取消了中心转轴与压气机、涡轮的静子叶片，代之以内、外转子层，使得压气机和涡轮均实现对转，从而在满足压比的条件下可以大幅减少压气机和涡轮叶片级数，减小发动机轴向结构尺寸，减轻结构重量，显著提高发动机推重比，并降低转子的绝对转速。同时配备了金属-水反应燃烧室，中央涵道作为水中工作时的介质通道，实现了水空两用。
[0009](2)相比已有的对转发动机，本设计在涡轮对转的基础上实现了多级压气机的对转，这是传统对转发动机尚未实现的。故而能够进一步提高发动机推重比，减轻结构重量，降低燃油消耗率。
[0010](3)相比NASA提出的外骨架概念发动机，本设计集成了其优点，即取消了中心转轴，外转子层叶片悬挂对材料要求降低，减轻结构重量，提高结构效率等。同时改进其内静子层，使之成为内转子层，实现和外转子层的对转，从而减少压气机和涡轮叶片级数，降低内、外转子绝对转速，降低对轴承的要求，进一步减轻结构重量，减小轴向尺寸，提高推重比，降低燃油消耗率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明对转式外骨架水空两用发动机总体结构主示意图。
[0012]图2为本发明导电滑环与油电管路示意图(图1中的详图A)。
[0013]在图中，I为支撑架，2、油电管路，3、前止推轴承，4、圆周轴承，5、整流罩，6、内涵道，7、外涵道，8、压气机，9、环形燃烧室，10、涡轮，11、后止推轴承，12、收敛尾喷管，13、中央涵道，14、内转子，15、外转子，16、叶片榫槽，17、风扇，18、发动机罩，19、输电管路，20、导电滑环，21、输油管路，22、收敛通道，23、旋转接头，24、金属燃料腔，25、金属-水反应燃烧室，26、风扇静叶。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本设计进一步说明。
[0015]如图1所示，一种对转式外骨架水空两用发动机，该发动机主要结构包括:(I)支撑架、(2)油电管路、(3)前止推轴承、(4)圆周轴承、(5)整流罩、(6)内涵道、(7)外涵道、
(8)压气机、(9)环形燃烧室、(10)涡轮、(11)、后止推轴承、(12)收敛尾喷管、(13)中央涵道、(14)内转子、(15)外转子、(16)叶片榫槽、(17)风扇、(18)发动机罩、(19)输电管路、
(20)导电滑环、(21)输油管路、(22)收敛通道、(23)旋转接头、(24)金属燃料腔、(25)金属-水反应燃烧室、(26)风扇静叶；其特征在于:
发动机前部支撑架(I)固定安置在发动机罩(18)内，发动机罩(18)与发动机后部支撑架(I)固定安置在飞行器的发动机安装架上。外转子层(15)通过前止推轴承(3)、后止推轴承(11)及圆周轴承(4)安装在支撑架(I)上，并可绕轴心转动。内转子层(14)通过前止推轴承(3)、后止推轴承(11)及圆周轴承(4)安装在支撑架(I)上，可绕轴心转动。
[0016]压气机叶片(8)与祸轮叶片(10)固定装于榫槽(16)上，榫槽分布于外转子层
(15)内侧及内转子层(14)外侧。风扇叶片(17)固定装于外转子层(15)外侧的榫槽上。环形燃烧室(9)固定安装在内转子层(14)的附属结构上，可随内转子层(14)一起转动。收敛通道结构(22)固定安装在外转子层(15)上，可随之转动。收敛结构(22)帮助形成气流收敛通道，与环形燃烧室(9)之间设置有刷式密封结构以保持总压。收敛尾喷管(12)固定安装在内转子层(14)上，形成收敛通道帮助燃气进入出口导叶最终离开发动机，同时保护圆周轴承(4)与后止推轴承(11)不受高温燃气影响。
[0017]附图2表现了油电管路(3 )如何从前部支撑架(I)进入内转子层(14 )。油电管路
(3)从机身经由发动机罩(18)埋设在前部支撑架(I)内。当管路接近内转子层安装位置时，绕开圆周轴承(4)并首先分出输电管路(19)，通过固定安装在内转子层(14)外侧的一圈导电滑环(20)与沿轴向埋设在内转子层(14)的数条电路联通，并最终进入环形主燃烧室(9 )点火装置和金属-水反应燃烧室(25 )。对于燃油通道，预先在内转子层(14)内部铺设数条输油管路(21)，并在前部燃油入口处沿周向形成一圈沟槽联通预设的数条输油管路
(21)，燃油管从支撑架(I)出来后通过旋转接头结构(23)将燃油输入沟槽并进入各条输油管路(21)，最终进入燃烧室。旋转接头结构(23)与内转子层(14)之间缝隙使用刷式密封防止燃油泄漏。
[0018]空中工作状态下，外转子层(15)和内转子层(14)对转，金属-水反应燃烧室(24)不工作。气流一部分从中央涵道(13)无阻碍通过，一部分进入外涵道(7)经由风扇(17)离开发动机，一部分进入内涵道(6)，经由压气机(8)对其做功后通过收敛通道结构(22)进入环形燃烧室(9)进行燃烧，高温高压燃气从燃烧室(9)喷出后推动涡轮(10)做功，从而驱动内转子层(14)和外转子层(15)转动。燃气经过涡轮(10)后通过收敛尾喷管(12)再经由出口导叶离开发动机。以此实现发动机在空中的持续工作。
[0019]水中工作状态下，环形主燃烧室(9)停止工作并封闭进气口，防止水进入。金属-水反应燃烧室(25)进入工作状态，水沿中央涵道(13)进入反应区，此时储存在金属燃料腔(24)内的活泼金属(钠、钾、锂等)由喷嘴喷出，与水混合发生反应，产生大量氢气和能量，反应生成物沿通道喷出，实现持续喷水推进。
【权利要求】
1.一种对转式外骨架水空两用发动机，该发动机主要包括:支撑架、油电管路、前止推轴承、圆周轴承、整流罩、内涵道、外涵道、压气机、环形燃烧室、涡轮、、后止推轴承、收敛尾喷管、中央涵道、内转子、外转子、叶片榫槽、风扇、发动机罩、输电管路、导电滑环、输油管路、收敛通道、旋转接头、金属燃料腔、金属-水反应燃烧室和风扇静叶；其特征在于: 所述发动机前部支撑架固定安置在发动机罩内，发动机罩与发动机后部支撑架固定安置在飞行器的发动机安装架上； 所述外转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，并可绕轴心转动； 所述内转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动； 所述内涵道即位于外转子层内侧、内转子层外侧，由内、外转子层围绕而成的流通通道; 所述外涵道即位于发动机罩内侧、外转子层外侧，由发动机罩、外转子层围绕而成的流通通道； 所述中央涵道即位于内转子层内部的流通通道； 所述油电管路埋设在发动机罩和发动机前部支撑架内部，从飞行器主体由上而下经过发动机罩、前部支撑架进入内转子层； 所述整流罩固定安置在发动机前部支撑架上，位于内转子层前止推轴承前部，类似喇叭口型结构； 所述压气机叶片与涡轮叶片固定装于榫槽上，榫槽分布于外转子层内侧及内转子层外侧； 所述风扇叶片固定装于外转子层外侧的榫槽上； 所述风扇静叶固定安装于发动机罩内侧，由外向内悬挂，且在叶片顶部装有圆周轴承，与内转子层接触； 所述输电管路由埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路末端分出，绕过圆周轴承，其末端连接着导电滑环的静子端，位于内转子层内部的输电管路沿轴向铺设，并沿圆周铺设多条，其始端连接导电滑环转子端，末端分别进入环形主燃烧室和金属-水反应发动机；所述导电滑环分为静子端和转子端，静子端固定在由发动机前部支撑架伸出的输电管路的末端，转子端固定安装在内转子层外侧，环绕内转子层一圈，与静子端接触，并连接着铺设在内转子层内部的数条输电管路，电经过铺设在发动机前部支撑架内部的油电管路分出来的输电管路，到达导电滑环静子端，并通过接触传导至转子端，进入内转子层内部的输电管路； 所述输油管路由埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路末端分出，绕过圆周轴承，其末端连接着旋转接头，位于内转子层内部的输油管路沿轴向铺设，并沿圆周铺设多条，其始端连通内转子层外侧的一圈环形槽，末端连接着环形主燃烧室； 所述旋转接头与埋设在发动机前部支撑架内部的油电管路分出的输油管路末端固定，为一圈静止的圆环型结构，其沿发动机轴向的宽度，与内转子层外侧的一圈环形槽相配合，且与环形槽壁之间设置刷式密封； 所述环形燃烧室固定安装在内转子层的附属结构上，可随内转子层一起转动； 所述收敛通道结构固定安装在外转子层上，可随之转动，收敛结构帮助形成气流收敛通道，与环形燃烧室之间设置有刷式密封结构以保持总压； 所述收敛尾喷管固定安装在内转子层上，形成收敛通道帮助燃气进入出口导叶最终离开发动机，同时保护圆周轴承与后止推轴承不受高温燃气影响； 所述金属燃料腔是金属-水反应发动机的组成部分之一，金属燃料腔固定安装在内转子层内侧的凹腔前部； 所述金属-水反应燃烧室是金属-水反应发动机的组成部分之一，位于内转子层内侧的凹腔中后部，水与金属燃料在此处发生反应。
【文档编号】F02C3/04GK104481696SQ201410730881
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】钟霄龙, 王云, 曹逸韬, 冯剑勇 申请人:南昌航空大学