一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机

1.本发明涉及飞机发动机技术领域，特别是涉及一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机。


背景技术：

2.无人机、巡飞弹、飞行背包等飞行器，多数以涡轮风扇或涡轮喷气发动机作为动力。其基本热力学过程为：压气机压缩空气，在燃烧室喷油燃烧，热燃气通过涡轮膨胀做功，并驱动压气机，多余的功转换为发动机推力，给飞行器提供动力。涡喷机可分为涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机。微型涡喷机的推力一般在100kg以下，小型涡喷机推力在100-900kg之间。
3.涡轮风扇发动机工作原理：气流经过风扇压缩后分成2股气流，外涵道气流和内涵道气流，内涵道气流再经过压气机压缩提供压力，经过燃烧室喷油燃烧，燃气经过涡轮膨胀做功，驱动压气机和风扇，膨胀的燃气进入混合器，同时外涵道气流也进入混合器，内外涵道气流混合后，燃气温度降低，经过喷口形成喷流产生推力；涡扇发动机与涡轮喷气发动机相比，由于总压比高(风扇和压气机串级压缩)，内外涵道混合器排气温度低，因此单位耗油率(sfc-spec ifiedfuelcomsume单位时间内产生单位推力的燃油消耗)可降低25％以上。
4.现有的微型涡轮风扇发动机中往往采用轴流压气机和轴流涡轮，轴流压气机虽然整体压缩效率高，但是单级轴流压气机的压比仅为1.75左右，压比低，所以往往需要设置多级的轴流压气机，导致结构复杂、成本高；同理，轴流涡轮虽然整体的效率较高，但单级轴流涡轮的落压比最高仅为2.4左右，落压比低，所以往往也需要设置多级的轴流涡轮，导致发动机的结构复杂，且轴流涡轮对材料的要求高，增加了制造成本高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，以解决上述现有技术存在的问题，使涡轮风扇发动机的结构简单，进而降低涡轮风扇发动机的成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，包括外涵道、内涵道、主轴、离心风扇、离心压气机、向心涡轮、燃烧室、混合器和喷气口；所述离心风扇、所述离心压气机和所述向心涡轮都与所述主轴同轴且分别与所述主轴固连；所述离心风扇位于入气口处，所述离心风扇用于将空气送至所述外涵道和所述内涵道内，所述燃烧室设置在所述内涵道中，所述离心压气机和所述向心涡轮均位于所述内涵道内，且所述燃烧室位于所述离心压气机与所述向心涡轮之间；所述外涵道的出气口和所述内涵道的出气口分别与所述混合器的进气端相通，所述混合器的出气端与所述喷气口的进气端相通。
8.优选的，经所述外涵道进入所述混合器的进气端的气体与经所述内涵道的所述混合器的进气端的气体的静压相等。
9.优选的，所述离心压气机的压比大于所述向心涡轮的落压比。
10.优选的，还包括用于对所述离心风扇的气流导向的风扇导向器、用于对所述离心压气机的气流导向的压气导向器和用于对所述向心涡轮的气流导向的涡轮导向器，所述主轴穿过所述风扇导向器的轮盘、所述压气导向器的轮盘及所述涡轮导向器的轮盘，所述风扇导向器的轮盘、所述压气导向器的轮盘及所述涡轮导向器的轮盘分别与所述主轴转动配合且分别与涡轮风扇发动机的壳体固连。
11.优选的，还包括分别转动套设在所述主轴上的主轴套和固定轴套，所述风扇导向器的轮盘与所述固定轴套固连，所述压气导向器的轮盘和所述涡轮导向器的轮盘分别与所述主轴套固连。
12.优选的，所述主轴套和所述固定轴套分别通过轴承与所述主轴转动配合。
13.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
14.本发明的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机的结构简单、成本低。
15.进一步的，本发明中使用向心涡轮驱动主轴旋转，单级向心涡轮的落压比最高能够达到3.0左右，结构简单，造价低廉。
16.进一步的，本发明中使用离心压气机压缩内涵道中的空气，离心压气机单级压比最高可达6.0以上，能够高效压缩内涵道中的空气，且结构简单，制造成本低。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机的结构示意图；
19.图2为图1的a-a剖视图；
20.图3为本发明的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机的部分结构示意图；
21.其中，1、壳体；2、内涵道；3、外涵道；4、主轴；5、离心风扇；6、离心压气机；7、向心涡轮；8、燃烧室；9、混合器；10、喷气口；11、风扇导向器轮盘；12、固定轴套；13、压气导向器轮盘；14、主轴套；15、涡轮导向器轮盘；16、风扇导向器；17、压气导向器；18、涡轮导向器。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明的目的是提供一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，以解决上述现有技术存在的问题，使涡轮风扇发动机的结构简单，进而降低涡轮风扇发动机的成本。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.如图1-图3所示，本实施例提供一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，包括外涵道3、内涵道2、主轴4、离心风扇5、离心压气机6、向心涡轮7、燃烧室8、混合器9和喷气口10。
26.其中，离心风扇5、离心压气机6和向心涡轮7都与主轴4同轴且分别与主轴4固连；离心风扇5位于涡轮风扇发动机的入气口处，离心风扇5用于将空气送至外涵道3和内涵道2内，燃烧室8设置在内涵道2中，离心压气机6和向心涡轮7均位于内涵道2内，且燃烧室8位于离心压气机6与向心涡轮7之间；外涵道3的出气口和内涵道2的出气口分别与混合器9的进气端相通，混合器9的出气端与喷气口10的进气端相通。
27.本实施例向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机还包括用于对离心风扇5的气流导向的风扇导向器16、用于对离心压气机6的气流导向的压气导向器17和用于对向心涡轮7的气流导向的涡轮导向器18，主轴4穿过风扇导向器轮盘11、压气导向器轮盘13及涡轮导向器轮盘15，风扇导向器轮盘11、压气导向器轮盘13及涡轮导向器轮盘15分别与主轴4转动配合且分别与涡轮风扇发动机的壳体1固连。
28.主轴套14和固定轴套12分别转动套设在主轴4上，风扇导向器轮盘11与固定轴套12固连，压气导向器轮盘13和涡轮导向器轮盘15分别与主轴套14固连。主轴套14通过两个轴承与主轴4转动配合，固定轴套12通过一个轴承与主轴4转动配合。主动轴设置为阶梯轴，主动轴上对应上述三个轴承分别设置有台阶来支撑上述三个轴承，发动机产生的力通过风扇导向器16、压气导向器17和涡轮导向器18传递到发动机外壳。
29.需要说明的是，主轴套14还穿过了燃烧室8，主轴套14将燃烧室8与主轴4隔开，径向阻碍热传导和热辐射，在涡轮导向器18轴承座的热端侧，增加隔热材料(如云母)制作的隔热圈，增加调整垫圈用于定位转子轴向位置，沿径向使用无帽螺栓固定在主轴套14上，阻碍轴向热传导和辐射。
30.本实施例向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机的具体工作原理如下：
31.气流经过离心风扇5增压后分为两股，一股流入外涵道3中，另一股流入内涵道2中；流入内涵道2中的气流继续经过离心压气机6增压，然后进入燃烧室8，喷油燃烧，燃烧室8中产生的热燃气进入向心涡轮7膨胀做功，向心涡轮7转动，并带动主轴4、离心压气机6和离心风扇5转动做功，经过膨胀的燃气进入混合器9与经外涵道3进入混合器9中的气流掺混形成混合气流，混合气流的温度较燃气的温度低，混合气流进入收敛式的喷气口10，产生推力。
32.经外涵道3进入混合器9的进气端的气体与经内涵道2的混合器9的进气端的气体的静压相等。由于混合器9进口端的气流速度一般低于马赫数0.3，近似认为混合器9内外涵道3的总压一致；由于气流经过离心风扇5后分为两股，一股流入外涵道3中，另一股流入内涵道2中；外涵道3中气流的总压损失可认为固定的，外涵道3中的气流直接进入混合器9；而内涵道2中的气流经过离心压气机6增压，燃烧室8燃烧，向心涡轮7落压，由于燃烧室8的总压损失可认为固定，因此离心压气机6的增压比应该与向心涡轮7的落压比相近，而单级向心涡轮7的最大落压比在2.9附近，离心压气机6的压比比单级向心涡轮7的最大落压比2.9略高，在2.9-3.1之间。
33.本实施例的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机使用向心涡轮7驱动主
轴4旋转，单级向心涡轮7的落压比最高能够达到3.0左右，结构简单，造价低廉；使用离心压气机6压缩内涵道2中的空气，离心压气机6单级压比最高可达6.0以上，能够高效压缩内涵道2中的空气，且结构简单，制造成本低。
34.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于，包括外涵道、内涵道、主轴、离心风扇、离心压气机、向心涡轮、燃烧室、混合器和喷气口；所述离心风扇、所述离心压气机和所述向心涡轮都与所述主轴同轴且分别与所述主轴固连；所述离心风扇位于入气口处，所述离心风扇用于将空气送至所述外涵道和所述内涵道内，所述燃烧室设置在所述内涵道中，所述离心压气机和所述向心涡轮均位于所述内涵道内，且所述燃烧室位于所述离心压气机与所述向心涡轮之间；所述外涵道的出气口和所述内涵道的出气口分别与所述混合器的进气端相通，所述混合器的出气端与所述喷气口的进气端相通。2.根据权利要求1所述的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于：经所述外涵道进入所述混合器的进气端的气体与经所述内涵道的所述混合器的进气端的气体的静压相等。3.根据权利要求1所述的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于：所述离心压气机的压比大于所述向心涡轮的落压比。4.根据权利要求1所述的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于：还包括用于对所述离心风扇的气流导向的风扇导向器、用于对所述离心压气机的气流导向的压气导向器和用于对所述向心涡轮的气流导向的涡轮导向器，所述主轴穿过所述风扇导向器的轮盘、所述压气导向器的轮盘及所述涡轮导向器的轮盘，所述风扇导向器的轮盘、所述压气导向器的轮盘及所述涡轮导向器的轮盘分别与所述主轴转动配合且分别与涡轮风扇发动机的壳体固连。5.根据权利要求4所述的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于：还包括分别转动套设在所述主轴上的主轴套和固定轴套，所述风扇导向器的轮盘与所述固定轴套固连，所述压气导向器的轮盘和所述涡轮导向器的轮盘分别与所述主轴套固连。6.根据权利要求5所述的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，其特征在于：所述主轴套和所述固定轴套分别通过轴承与所述主轴转动配合。

技术总结
本发明公开一种向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机，涉及飞机发动机技术领域，包括外涵道、内涵道、主轴、离心风扇、离心压气机、向心涡轮、燃烧室、混合器和喷气口；离心风扇、离心压气机和向心涡轮都与主轴同轴且分别与主轴固连；离心风扇位于入气口处，离心风扇用于将空气送至外涵道和内涵道内，燃烧室设置在内涵道中，离心压气机和向心涡轮均位于内涵道内，且燃烧室位于离心压气机与向心涡轮之间；外涵道的出气口和内涵道的出气口分别与混合器的进气端相通，混合器的出气端与喷气口的进气端相通。本发明的向心涡轮驱动的单轴混排微型涡轮风扇发动机的结构简单、成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：王立峰 延伟东
受保护的技术使用者：北方工业大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/6/28