叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，属于新概念涡扇 发动机技术领域。
【背景技术】
[0002] 更高推重比和更低耗油率始终是航空发动机不懈追求的目标，而涡扇发动机以其 高推重比和低耗油率的特征，逐渐成为航空发动机设计的主流，是各国航空发动机领域核 心技术。涵道比是涡扇发动机设计的核心参数之一，较小涵道比涡扇发动机具有高机动性， 通常应用在军用领域；大涵道比涡扇发动机的耗油率低，通常应用在民用领域。各大航空发 动机公司的民用机型都以不断提高涡扇发动机的涵道比为技术发展路线之一。传统的大涵 道比涡扇发动机多为双转子结构，用低压涡轮驱动风扇和低压压气机。通常涡扇发动机设 计是基于核心机(涡喷发动机）进行的，涵道比增大时，核心机的流量不变，只是风扇的流量 增加。更大的流量意味着风扇外径变大，此时须降低风扇的转速，以避免风扇叶尖相对马赫 数过高带来的效率下降问题和叶尖了轮缘速度过大带来的叶片强度问题，特别是当叶尖相 对马赫数超过1时，还会使风扇噪音急剧增加，这对民用飞机是十分不利的。另一方面，大 涵道比涡扇发动机的风扇是由低压涡轮驱动的，为了更多的提取燃气能量，涡轮的轮缘速 度需要提高。增大轮缘速度有两种方式，一是提升半径，二是提升转速。而低压涡轮位于内 涵道，受结构和尺寸限制，半径难以进一步提升，最好的方式就是提升转速。为了更优的气 动设计，低压涡轮与风扇两种转速需求互相矛盾，这一矛盾称为(风扇与低压涡轮）转速不 匹配问题，是涡扇发动机设计的核心问题之一。
[0003] 目前，解决风扇与低压涡轮这一矛盾的主要技术手段有以下三种： ①齿轮驱动涡扇发动机（GTF); 低压涡轮经齿轮减速器减速后驱动风扇，可实现低压涡轮转速高而风扇转速低，使两 者转速匹配。但该方案齿轮减速器传递扭矩大，导致该方案的设计难度很大，兼有可靠性和 寿命的问题，尤其涵道比进一步增加时，转速比也变大，上述问题更为突出，成为涵道比进 一步增加的瓶颈。
[0004] ②三转子涡扇发动机； 三转子发动机可更合理的安排风扇、低压压气机、高压压气机和各级涡轮间的功率分 配和转速匹配，驱动风扇的低压涡轮可以选用更低的转速。但风扇叶尖半径大和低压涡轮 半径小（受结构与尺寸限制）的矛盾并没有解决，只是有一定的缓解，当涵道比进一步增加 时，转速不匹配问题依然存在。此外，三转子同心的轴系结构与转子动力学问题十分复杂， 极大限制了该方案在大涵道比涡扇发动机上的运用。
[0005] ③后风扇涡扇发动机； 后风扇涡扇发动机的风扇安置在发动机后部，采用独立的低压涡轮驱动，与上述方案 一样，一定程度上缓解了转速匹配问题，且涡轮与风扇不用转轴传递扭矩，避免了同心轴系 的设计。但其缺点也十分显著：风扇与涡轮工作温度大，一体化加工制造难以实现，需复杂 封严结构避免燃气外泄；其次，常规前风扇方案，一部分气体被内涵使用，可以提升核心机 压比，提高核心机经济性，但对于后风扇方案，其增压气体直接排出，无法为核心机所用。这 些缺点使得该方案在出现不久之后就逐渐被其他方案替代。
【发明内容】
[0006] 本发明提出的是一种叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机及设计方法，其目 的是进一步增大涡扇发动机涵道比，以达到增加推力、降低耗油率的目的，显著提高发动机 经济性。本发明提出一种在一般的传统双转子涡扇发动机(见图1)基础上增加叶尖喷气驱 动风扇转子与附加涵道的大涵道比涡扇发动机设计概念(如图2、图3)和气动设计方法(如 图4)。
[0007] 本发明的技术解决方案：叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是以 双转子涡扇发动机为原型，加入一个附加涵道，引入叶尖喷气驱动风扇转子；该转子包含附 加涵道风扇转子、叶尖驱动部件和旋转附加涵道转子轮毂；此外，附加涵道中还有附加涵道 进气道，附加涵道喷管和附加涵道静子；引气通道从原涡扇发动机外涵风扇出口截面引出 增压气体至叶尖附近，气体被叶尖驱动部件提取能量后，由4截面进入附加涵道静子的叶 尖部分，在5截面被静子转为轴向；叶尖驱动部件提取能量，形成驱动力矩直接驱动附加涵 道风扇转子旋转工作，将被附加涵道进气道输送至1截面的来流进行增压，这部分气流同 样经过附加涵道风扇静子输送至2截面，并与5截面空气混合，流入附加涵道喷管向后喷 出；通过上述装置，叶尖驱动风扇转子流量可显著大于一般涡扇发动机外涵道流量；根据 发动机质量附加原理，该新的涡扇发动机能获得更大的推力和更低的耗油率；同时，附加涵 道风扇转子的驱动部件处于大半径处，使得其在转速较低的情况下依然能保持较高的轮缘 线速度，保证其做功能力。
[0008] 本发明的优点：利用原有双转子涡扇发动机外涵道的增压气体，通过叶尖喷气驱 动风扇，提取能量并分配给附加涵道的更多气流中。根据质量附加原理，排气速度的降低幅 度比质量增加的幅度小，发动机排气的总动量加大，涵道比增加，实现发动机的增推降耗。 该叶尖喷气驱动风扇转子在显著增加涵道比的同时，一方面通过气动方式巧妙实现了功率 的传递，另一方面将驱动部件置于叶尖，巧妙地避免了风扇与低压涡轮的转速矛盾，可保持 风扇较低转速，使得叶尖相对马赫数降低，减少风扇噪音，并使得涵道比提升的潜力大大增 加。与前面提到的解决大涵道比涡扇发动机转速不匹配问题的3种方案相比，本方案更具 优势：相比于第一类GTF涡扇发动机方案，该方案结构更为简单、紧凑，可靠性高，寿命长， 且设计难度低；相比于第二类三转子涡扇发动机方案，该方案避免了复杂的三转子同心设 计，涵道比提升的潜能也更大；相比于第三类后风扇涡扇发动机方案，该方案避免了不同材 料风扇和涡轮一体化加工制造的难题，也不存在冷热气流的复杂封严装置。而该方案可在 已有的双转子涡扇发动机基础上改进，其内部核心机气动和结构设计不需过多改变，可大 大降低技术风险和研制成本，缩短研制周期。
[0009] 综合以上优点，本发明提出的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，具有结 构简单、成本低、技术难度小等特征，可显著提高涡扇发动机涵道比，增大推力，降低耗油 率，进而提升以其为动力的飞行装置的经济性。同时保持风扇叶尖马相对赫数维持较低水 平，降低风扇噪音。
【附图说明】
[0010] 附图1是传统涡扇发动机结构示意图。
[0011] 附图2 (a)是叶尖喷气驱动涡扇发动机结构示意图（空气涡轮）。
[0012] 附图2(b)是叶尖喷气驱动涡扇发动机结构示意图（叶尖喷气喷嘴）。
[0013]附图3是带叶尖空气涡轮的附加涵道风扇转子图。
[0014]附图4是速度三角形示意图。
[0015] 图中1表示的是附加涵道风扇，2表示附加涵道风扇静子，3表示引气通道，4表示 附加涵道机匣，5表示旋转附加涵道转子轮毂，6表示附加涵道进气道，7表示附加涵道喷 管，11表示叶尖驱动部件，其中附加涵道风扇1、旋转附加涵道转子轮毂5、叶尖驱动部件11 构成叶尖喷气驱动风扇转子。8为原型双转子涡扇发动机，主要有以下部件：81为进气道， 82为风扇转子，83为风扇静子，84代表多级高压压气机，85为燃烧室，86为高压涡轮，87为 低压涡轮，88为高压转子转轴，89为低压转子转轴，80为尾喷管。
[0016]1截面表示附加涵道风扇转子进口，12截面和4截面共同构成附加涵道风扇转子 与静子交界面，2截面和5截面共同为附加涵道风扇静子出口，3截面（图2 (a))为叶尖空气 涡轮导向器进口，34截面（图2 (a))为叶尖空气涡轮导向器与转子交界面。速度三角形中， C代表气流的绝对速度(相对发动机)，U代表由于转子转动产生的牵连速度，W代表气流的 相对速度(相对转子叶片)，数字下标表示其所在截面，下标m表示轴向速度，下标u表示周 向速度分量。
【具体实施方式】
[0017] 对照图2,叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其结构是以双转子涡扇发动 机8 (图1)为原型，加入一个附加涵道，引入叶尖喷气驱动风扇转子；该转子包含附加涵道 风扇转子1、叶尖驱动部件11和旋转附加涵道转子轮毂5(三维结构见图3)。此外，附加涵 道中还有附加涵道进气道6,附加涵道喷管7和附加涵道静子2 ;引气通道3从原涡扇发动 机外涵风扇出口截面82引出增压气体至叶尖附近，气体被叶尖驱动部件11提取能量后，由 截面4进入附加涵道静子的叶尖部分，在截面5被静子转为轴向。叶尖驱动部件提取能量， 形成驱动力矩