一種涵道比可控的燃氣輪的制造方法
【專利摘要】一種涵道比可控的燃氣輪機，適用于飛機、地面裝甲車輛、艦船、移動電站等作為動力。該燃氣輪機除擁有常規(guī)的內(nèi)涵道外，還擁有獨立的外涵道、外涵道燃燒室、外涵道流通截面面積控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)涵道比可控；可獲得較常規(guī)渦扇發(fā)動機更大的推重比；在用于地面裝甲車輛、艦船、移動電站作為發(fā)動機時，可在部分負荷時獲得比常規(guī)單涵道燃氣輪機更低的燃油消耗率；可為飛行器提供推力矢量控制力矩。
【專利說明】一種涵道比可控的燃氣輪機
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明涉及一種能用于飛機、艦船、裝甲車輛、地面移動電站等作為動力，其涵道比可控的燃氣輪機。
[0002]【背景技術(shù)】眾所周知，用于航空領(lǐng)域的渦扇發(fā)動機是一種同時擁有內(nèi)涵道和外涵道的雙涵道燃氣輪機，其特點是比只有一個涵道的燃氣輪機例如渦噴發(fā)動機，有更大的推重比并在部分負荷時有更低的油耗，但現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)渦扇發(fā)動機仍有以下缺點。1、現(xiàn)有常規(guī)渦扇發(fā)動機內(nèi)外涵道流過的空氣的比例是固定的，不能在飛機等飛行器處于低速和高速等不同飛行狀態(tài)下時都獲得最佳性能；2、受限于其內(nèi)涵道外殼壁面被包裹于外涵道氣流通道內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點，當外涵道氣流的工作溫度和壓力升高時勢必要提高內(nèi)涵道外殼所承受的溫度和壓力，增加內(nèi)涵道外殼的重量與制造難度，故常規(guī)渦扇發(fā)動機外涵道氣流的工作溫度和壓力相對較低，且位于于發(fā)動機渦輪后面的加力燃燒室的直徑和長度也都因該結(jié)構(gòu)特點的限制而較大，限制了發(fā)動機推重比的進一步提高；3、常規(guī)渦扇發(fā)動機受限于內(nèi)外涵道不能相互獨立、且涵道比不可控的結(jié)構(gòu)，在尾部裝上動力渦輪后內(nèi)外涵道排放的燃氣在工作渦輪前、發(fā)動機渦輪后的加力燃燒室中與燃油混合燃燒時，會導(dǎo)致發(fā)動機渦輪后的壓力升高，引起發(fā)動機渦輪前后的壓力差減小以致其效率降低，故其難以在后部增加動力渦輪后仍保持雙涵道燃氣輪機在各種部分負荷狀態(tài)下油耗比單涵道燃氣輪機低的特點，不利于適應(yīng)經(jīng)常工作于各種負荷狀態(tài)下的地面裝甲車輛、艦船等的要求。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種涵道比可控的燃氣輪機，它除具有常規(guī)雙涵道燃氣輪機即渦扇發(fā)動機的特點外，還具有以下特點。1、其內(nèi)外涵道流過的空氣的比例可控，即其涵道比可控，故可在飛行器處于低速和高速等不同飛行狀態(tài)時都能獲得最佳性能；2、其內(nèi)外涵道相互獨立，故可大大提高外涵道氣流的工作溫度和壓力，且不在發(fā)動機渦輪后面設(shè)置加力燃燒室，從而得以進一步提高燃氣輪機的推重比；3、因采用內(nèi)外涵道相互獨立、且涵道比可控的結(jié)構(gòu)，故在后部增加動力渦輪后仍能保持雙涵道燃氣輪機部分負荷時油耗比單涵道燃氣輪機低的特點，以利于適應(yīng)經(jīng)常工作于多種負荷狀態(tài)下的地面裝甲車輛、艦船等的使用要求。
[0004]本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機除包括發(fā)動機殼體、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴口等常規(guī)燃氣輪機所擁有的零部件外，它還包括中心線與發(fā)動機內(nèi)涵道中心線不重合的獨立外涵道、附屬于外涵道的外涵道燃燒室和外涵道流通截面面積控制裝置，可根據(jù)使用工況的需要通過外涵道流通截面面積控制裝置控制外涵道的局部流通截面面積增大或減小，從而達到控制流過內(nèi)外涵道空氣流量的比例、實現(xiàn)涵道比可控的目的；當外涵道燃燒室的噴油量為適應(yīng)發(fā)動機負荷的變化而增大或減小時，可通過外涵道流通截面面積控制裝置，控制外涵道局部流通截面面積也相應(yīng)增大或減小，將外涵道氣流的壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)、保證涵道比不隨外涵道燃燒室噴油量的變化而變化；外涵道位于內(nèi)涵道和發(fā)動機殼體的側(cè)面、壓縮空氣從位于壓氣機段的發(fā)動機殼體上的引氣口向外引出并進入外涵道；獨立外涵道的數(shù)量不少于2個，外涵道及附屬于其的外涵道燃燒室和外涵道流通截面面積控制裝置以內(nèi)涵道中心線為基準對稱設(shè)置，以避免因從引氣口引出的氣流不對稱導(dǎo)致壓氣機的效率下降；當在內(nèi)、外涵道尾部分別或者僅在外涵道尾部裝上工作渦輪并連以輸出軸后，則可用于地面裝甲車輛、艦船等作為動力。
[0005]由上述本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機，不僅擁有現(xiàn)有常規(guī)渦扇發(fā)動機的優(yōu)點，而且與之相比還有以下優(yōu)點。1、涵道比可控，故可在飛行器的各種工況下均獲得最佳性能。2、外涵道及其燃燒室與內(nèi)涵道及其燃燒室相互獨立，外涵道因此可以在采用相同的流通截面時承受比常規(guī)渦扇發(fā)動機外涵道更高的溫度和壓力以使外涵道氣流的噴射速度和噴氣流量增大，并取消常規(guī)渦扇發(fā)動機尺寸較大的加力燃燒室，從而達到提高發(fā)動機推力和推重比的目的。而常規(guī)渦扇發(fā)動機由于內(nèi)涵道外殼壁面被包裹在外涵道的氣流通道內(nèi)，在外涵道溫度和壓力升高時勢必要升高內(nèi)涵道外殼所承受的溫度和壓力，額外大幅增加內(nèi)涵道外殼的重量和制造難度，位于發(fā)動機渦輪后的加力燃燒室的直徑和長度也因該結(jié)構(gòu)特點的限制而較大，故常規(guī)渦扇發(fā)動機推力和推重比能夠增大的幅度大大低于本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機。3、因采用外涵道及其燃燒室與內(nèi)涵道及其燃燒室相互獨立、且涵道比可控的結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機的內(nèi)、外涵道尾部分別或者僅在外涵道尾部裝上工作渦輪并連以輸出軸后，流過外涵道的氣流在外涵道燃燒室中與燃油混合燃燒時，不會導(dǎo)致內(nèi)涵道發(fā)動機渦輪后壓力發(fā)生變化以及內(nèi)涵道發(fā)動機渦輪效率降低，故可使流過內(nèi)、外涵道的空氣總量保持與全負荷時相同，僅通過改變外涵道燃燒室的噴油量來改變外涵道氣流的溫度和流速，以達到改變輸出功率或者推力的目的。所以與單涵道燃氣輪機比，部分負荷時本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機，其內(nèi)外涵道的排氣總流量相對較大而平均排氣溫度相對較低，可在部分負荷時獲得比單涵道燃氣輪機更低的燃油消耗率而無論其內(nèi)外涵道的尾部是否裝有工作渦輪和輸出軸。而現(xiàn)有常規(guī)渦扇發(fā)動機受內(nèi)外涵道不能相互獨立、涵道比不可控的結(jié)構(gòu)限制，不能在尾部裝上工作渦輪和輸出軸用于地面裝甲車輛、艦船等后仍然保持其部分負荷時油耗比單涵道燃氣輪機低的特點。
[0006]【專利附圖】

【附圖說明】圖1是本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機的一種結(jié)構(gòu)示意圖，I為發(fā)動機內(nèi)涵道中心線，2為壓氣機，2a為低壓壓氣機，2b為高壓壓氣機，3為外涵道流通截面面積控制裝置，4為外涵道燃燒室,5為外涵道,6為內(nèi)涵道燃燒室,7為發(fā)動機渦輪,7a為高壓渦輪，7b為低壓渦輪，8為發(fā)動機殼體，8a為引氣口，9為尾噴口、其排氣方向朝后，3a為位于外涵道燃燒室4前面的外涵道流通截面面積控制裝置，3b為位于外涵道燃燒室4后面的外涵道流通截面面積控制裝置。
[0007]圖2是本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，其上各序號的意義與圖1完全相同，不同之處在于尾噴口 9后移、排氣方向由朝后改為朝上，并增加了新的零件和相應(yīng)序號。新增序號的意義是:10為內(nèi)涵道工作渦輪，11為外涵道工作渦輪，12為輸出軸，13為發(fā)動機殼體和外涵道工作渦輪殼體的局部剖視圖分界線，14為外涵道尾噴口、其排氣方向朝上，15為外涵道工作渦輪殼體，16為外涵道工作渦輪殼體進氣口。
[0008]【具體實施方式】圖1是本發(fā)明的一個最佳實施例，其原理如下。(一)氣流在以I為中心線的內(nèi)涵道內(nèi)，由低壓壓氣機2a、高壓壓氣機2b、內(nèi)涵道燃燒室6、高壓渦輪7a、低壓渦輪7b、尾噴口 9順序流過，并在內(nèi)涵道燃燒室6中與燃油混合燃燒，尾噴口 9的流通截面面積可根據(jù)需要增大或減小以保持低壓渦輪后的壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)、其工作原理和結(jié)構(gòu)與普通渦扇發(fā)動機的尾噴口相同，簡而言之氣流流過內(nèi)涵道的工作過程和原理與常規(guī)渦扇發(fā)動機類似。(二)兩個獨立的外涵道5及附屬于其的外涵道燃燒室4和外涵道流通截面面積控制裝置3以內(nèi)涵道中心線I為基準對稱設(shè)置、位于內(nèi)涵道中心線I和發(fā)動機殼體8的兩側(cè)，壓縮空氣由發(fā)動機殼體8上的兩個引氣口 8a向外引出并進入外涵道5。引氣口 8a選在低壓壓氣機2a與高壓壓氣機2b之間的發(fā)動機殼體上，以便獲得的壓縮空氣的壓力大大高于常規(guī)渦扇發(fā)動機從風(fēng)扇后引入外涵道的空氣的壓力，減小外涵道的尺寸，相對增加流過外涵道空氣的比例。位于外涵道燃燒室4前面的外涵道流通截面面積控制裝置3a，按飛行器的飛行速度和高度等飛行狀態(tài)控制進入外涵道的空氣流量即控制涵道比；位于外涵道燃燒室4后面的外涵道流通截面面積控制裝置3b，按外涵道燃燒室4噴油量的增大或減小相應(yīng)增大或減小局部流通截面面積，以使外涵道氣流壓力始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，從而使涵道比不會隨外涵道燃燒室4的燃油噴射量的變化而變化，其工作原理與普通渦扇發(fā)動機尾噴口的工作原理類似，故也可采用類似結(jié)構(gòu)的尾噴口作為該流通截面面積控制裝置。外涵道燃燒室4在內(nèi)涵道燃燒室6噴油量達到額定值、即發(fā)動機總進氣量達到額定值后才進入工作狀態(tài)，通過外涵道燃燒室4噴油量的增減相應(yīng)增減發(fā)動機的推力；兩個獨立的外涵道5及附屬于其的外涵道燃燒室4和外涵道流通截面面積控制裝置3，以發(fā)動機內(nèi)涵道中心線I為基準對稱設(shè)置，以避免因從引氣口 8a引出的氣流不對稱導(dǎo)致壓氣機2的效率下降。由于為了在發(fā)動機壓氣機2與引氣口 8a之間保持一定的壓力以便內(nèi)外涵道氣流保持設(shè)定的涵道比，需要外涵道流通截面面積控制裝置3來產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的局部阻力使外涵道總的局部阻力之和為設(shè)定值，且該可調(diào)節(jié)的局部阻力遠大于外涵道其他地方產(chǎn)生的局部阻力之和，故外涵道其他地方局部阻力對發(fā)動機性能產(chǎn)生的影響，可通過流量截面面積控制裝置3對外涵道總的局部阻力之和的調(diào)節(jié)來減小到最低程度。(三)由前述可知，在本發(fā)明中涉及的流通截面面積控制裝置3有兩個作用，其一為根據(jù)飛行器的飛行速度和高度等飛行狀態(tài)改變涵道比，其二為在外涵道燃燒室噴油量增減時使外涵道的壓力維持在設(shè)定的范圍內(nèi)以保持涵道比不變，這第二個作用在許多情況下其實更為重要。本實施例采用3a和3b兩個流通截面面積控制裝置來應(yīng)對兩個變量、完成兩項任務(wù)，但為了簡潔也可以只采用其中的一個，而以計算機控制等技術(shù)來適應(yīng)復(fù)雜的雙變量控制規(guī)律，并按外涵道流通截面面積控制裝置3是位于外涵道燃燒室的前面還是后面分別構(gòu)成另外兩個實施例。(四)在原理示意圖圖1上，外涵道流通截面面積控制裝置3a上的節(jié)流板繞該板的中心線轉(zhuǎn)動以增減外涵道局部流通截面面積、外涵道流通截面面積控制裝置3b上的節(jié)流板繞該板的一端轉(zhuǎn)動以增減外涵道局部流通截面面積，但這只是為了便于說明原理的示意圖，實際實施時可以根據(jù)具體情況采用各種結(jié)構(gòu)的流通截面面積控制裝置，例如位于外涵道燃燒室4后面的流通截面面積控制裝置3b就可采用與常規(guī)渦扇發(fā)動機尾噴口類似的原理和結(jié)構(gòu)來控制外涵道局部流通截面面積。(五)在圖1的實施例中，外涵道5的數(shù)量為兩個，事實上外涵道的數(shù)量是可以根據(jù)具體情況變化的。例如為了采用較大的涵道比使盡可能多的氣流由無渦輪、阻力較低的外涵道流過，也可以采用三個對稱的外涵道以減小單個外涵道橫截面的尺寸，構(gòu)成與圖1略有區(qū)別的另外一個實施例。(六)由圖1所示的實施例可見，因外涵道在長度方向與內(nèi)涵道相同，且不在低壓渦輪7b后面設(shè)置加力燃燒室，故本發(fā)明涉及的涵道比可控的燃氣輪機的長度，小于帶加力燃燒室的常規(guī)渦扇發(fā)動機的長度。(七)可通過對外涵道燃燒室4噴油量的控制使兩個外涵道的推力產(chǎn)生差異，從而為飛行器提供推力矢量控制力矩。(八)可在外涵道流通截面面積控制裝置3a和外涵道燃燒室4之間的那段外涵道上設(shè)置能夠從外部直接進氣、平時關(guān)閉的超音速進氣口，該超音速進氣口在飛行器速度超過音速時可根據(jù)需要打開，同時關(guān)閉外涵道流通截面面積控制裝置3a、阻止內(nèi)涵道氣流流入外涵道，事實上使內(nèi)涵道成為一臺渦噴發(fā)動機、兩個外涵道5則成為兩臺沖壓發(fā)動機。
[0009]圖2是本發(fā)明的另一個實施例。該方案與圖1的方案相比，不同之處在于:(一)尾噴口 9排氣方向由圖1的朝后改為朝上，在其與低壓渦輪7b之間增加了內(nèi)涵道工作渦輪10。(二)兩個獨立外涵道(5)內(nèi)的氣流在尾噴口 9后面新增加的外涵道工作渦輪殼體15內(nèi)匯合后，流過新增加的外涵道工作渦輪11再由朝上的外涵道尾噴口 14排出。(三)新增加的輸出軸12由外涵道工作渦輪11和內(nèi)涵道工作渦輪10共同推動向外輸出功率，以便該燃氣輪機用于地面裝甲車輛、艦船、移動電站等作為動力。(四)盡量增大流過外涵道(5)的空氣流量的比例和在工作過程中保持內(nèi)外涵道總進氣流量不變，主要通過增減外涵道燃燒室4的噴油量來改變輸出軸12的輸出功率，故可以在部分負荷時降低平均排氣溫度、獲得比單涵道燃氣輪機更低的燃油消耗率。(五)當涵道比較大、內(nèi)涵道工作渦輪10做功價值很低時，也可將內(nèi)涵道工作渦輪10取消只保留外涵道工作渦輪11這一個工作渦輪，此時就構(gòu)成了與圖2略有區(qū)別的另外一個實施例。(六)也可以像某些渦輪軸發(fā)動機那樣，讓輸出軸12向前穿過內(nèi)涵道中心由低壓壓氣機2a的前面向外輸出功率，從而構(gòu)成與圖2略有不同的另外一個實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種涵道比可控的燃氣輪機，包括發(fā)動機殼體(8)、壓氣機(2)、燃燒室(6)、渦輪(7)、尾噴口(9)，其特征是:它還包括中心線與內(nèi)涵道中心線(I)不重合的獨立外涵道(5)、外涵道燃燒室(4)和外涵道流通截面面積控制裝置(3)，可根據(jù)需要通過外涵道流通截面面積控制裝置(3)控制外涵道(5)的局部流通截面面積增大或減小，從而達到控制內(nèi)外涵道空氣流量的比例、實現(xiàn)涵道比可控的目的；當外涵道燃燒室(4)的噴油量為適應(yīng)發(fā)動機負荷的變化而增大或減小時，可通過外涵道流通截面面積控制裝置(3)，控制外涵道(5)的局部流通截面面積也相應(yīng)增大或減小，將外涵道(5)內(nèi)氣流壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)、保證涵道比不隨外涵 道燃燒室(4)噴油量的變化而變化；外涵道(5)位于內(nèi)涵道中心線(I)和發(fā)動機殼體(8)的側(cè)面,壓縮空氣從位于壓氣機(2)那一段的發(fā)動機殼體(8)上的引氣口(8a)向外引出并進入外涵道(5);外涵道(5)的數(shù)量不少于兩個，外涵道(5)及附屬于其的外涵道燃燒室(4)和外涵道流通截面面積控制裝置(3)以內(nèi)涵道中心線(I)為基準對稱設(shè)置，以避免因從引氣口(8a)引出的氣流不對稱導(dǎo)致壓氣機(2)的效率下降。
2.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:外涵道流通截面面積控制裝置(3)位于外涵道燃燒室的前面。
3.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:外涵道流通截面面積控制裝置(3)位于外涵道燃燒室(4)的后面。
4.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:在外涵道燃燒室(4)的前面和后面均設(shè)置有外涵道流通截面面積控制裝置(3)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:在外涵道尾部設(shè)有工作渦輪(11)通過與其相連的輸出軸(12)向外輸出功率。
6.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:不僅在外涵道尾部設(shè)有工作渦輪(11)，而且在內(nèi)涵道的尾部還同時設(shè)有工作渦輪(10)，兩者通過與其相連的輸出軸(12)向外輸出功率。
7.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:外涵道(5)的數(shù)量為兩個。
8.如權(quán)利要求1所述的一種涵道比可控的燃氣輪機，其特征是:外涵道(5)的數(shù)量為兩個，在外涵道流通截面面積控制裝置(3a)和外涵道燃燒室(4)之間的那段外涵道上，設(shè)置有能夠從外部直接進氣、平時關(guān)閉的超音速進氣口，該超音速進氣口在飛行器速度超過音速時可根據(jù)需要打開，同時關(guān)閉外涵道流通截面面積控制裝置(3a)、阻止內(nèi)涵道氣流流入外涵道，事實上使內(nèi)涵道成為一臺渦噴發(fā)動機、兩個外涵道(5)則成為兩臺沖壓發(fā)動機。
【文檔編號】F02K3/075GK103835836SQ201410083778
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】金劍 申請人:金劍