技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃气涡轮发动机技术领域，特别地，涉及一种燃气涡轮发动机。
背景技术
[0002] 为适应未来
飞行器对燃气涡轮发动机的高功重比、低耗油率、高可靠性等要求，迫使
压气机需要在更少的级数和零件数量条件下实现更高的压比和效率。受材料的限制，在燃气涡轮发动机中广泛应用的单级离心压气机的压比已经接近设计极限，难以进一步提高。而采用多级离心压气机或组合压气机，因为压气机级数增加导致燃气涡轮发动机的尺寸和重量急剧增大，气体压缩流道行程更长且流道间存在大
曲率的转弯，在较小的尺寸限制条件下压气机的性能难以满足设计要求。压气机的低效直接导致现有的燃气涡轮发动机的功重比和耗油率无法满足未来飞行器的需求。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种燃气涡轮发动机，以解决现有的燃气涡轮发动机的功重比和耗油率无法满足未来飞行器的需求的问题。
[0004] 本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种燃气涡轮发动机，包括离心压气机、处于离心压气机的气流出口的回流
燃烧室、处于回流燃烧室的气流出口的涡轮导向器以及处于涡轮导向器的气流出口的涡轮
转子，离心压气机包括用于形成气流通道以使气流通过并利用离心
力对气流做功的前排离心
叶轮、处于前排离心叶轮的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并利用
离心力对气流做功的后排离心叶轮以及处于后排离心叶轮的气流出口用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向的轴向扩压器，涡轮转子的涡轮轴上设有减速器，减速器的内轴与前排离心叶轮连接，减速器的外轴与后排离心叶轮连接，减速器的内轴的旋转方向与减速器的外轴的旋转方向相反。
[0006] 进一步地，后排离心叶轮的转速小于前排离心叶轮的转速。
[0007] 进一步地，后排离心叶轮采用闭式叶轮。
[0008] 进一步地，前排离心叶轮的
叶片采用多重分流叶片。
[0009] 进一步地，前排离心叶轮的叶片后弯
角为-35度至-40度，后排离心叶轮的叶片后弯角为-25度至-35度。
[0010] 进一步地，离心压气机的设计方法包括以下步骤：a、零维参数分析：确定前排离心叶轮和后排离心叶轮的比转速、流量系数和负荷系数；b、一维参数计算：根据离心压气机基本原理得到前排离心叶轮和后排离心叶轮的
气动参数和几何参数；c、三维造型设计：根据零维参数分析和一维参数计算得到的前排离心叶轮和后排离心叶轮的气动参数和几何参数，进行三维造型设计。
[0011] 进一步地，步骤a中的零维参数分析具体包括以下步骤：根据常规离心压气机设计方法，尝试给出前排离心叶轮的压比和效率，由离心压气机的设计总压比和设计效率，得到后排离心叶轮的压比和效率；根据离心压气机的设计换算流量以及前排离心叶轮的效率，得到后排离心叶轮的换算流量；预估前排离心叶轮和后排离心叶轮的负荷系数，由前排离心叶轮和后排离心叶轮的换算流量和负荷系数得到前排离心叶轮和后排离心叶轮的流量系数；根据前排离心叶轮和后排离心叶轮的压比、换算流量以及负荷系数得到前排离心叶轮和后排离心叶轮的比转速；分析前排离心叶轮和后排离心叶轮的比转速、流量系数以及负荷系数是否合理，若不合理则重新给出前排离心叶轮和后排离心叶轮的压比和效率，直至前排离心叶轮和后排离心叶轮的比转速、流量系数以及负荷系数处于合理范围内。
[0012] 进一步地，前排离心叶轮的比转速为0.5～1.0；后排离心叶轮的比转速为0.4～0.65。
[0013] 进一步地，前排离心叶轮的流量系数为0.04～0.07；后排离心叶轮的流量系数为0.02～0.05。
[0014] 进一步地，前排离心叶轮的负荷系数为0.45～0.64；后排离心叶轮的负荷系数为0.45～0.64。
[0015] 本发明具有以下有益效果：
[0016] 本发明的燃气涡轮发动机，包括离心压气机、回流燃烧室、涡轮导向器以及涡轮转子。气流经离心压气机压缩后进入回流燃烧室内与燃油混合燃烧形成高温高压燃气，高温高压燃气经涡轮导向器梳理后在涡轮转子处膨胀做功。离心压气机包括前排离心叶轮、后排离心叶轮以及轴向扩压器。前排离心叶轮和后排离心叶轮共同形成气流通道以便气流通过，前排离心叶轮旋转产生离心力对气流做功以提高气流的压力，后排离心叶轮旋转产生离心力对气流做功以进一步提高气流的压力。气流通过气流通道进入轴向扩压器后，轴向扩压器可以降低气流的流速，进一步提高气流的压力，同时使气流由径向转为轴向，以便气流进入回流燃烧室内。涡轮转子的涡轮轴上设有减速器，减速器的内轴与前排离心叶轮连接，减速器的外轴与后排离心叶轮连接，膨胀功驱动涡轮轴旋转，涡轮轴通过减速器带动前排离心叶轮和后排离心叶轮旋转，从而实现燃气涡轮发动机的连续工作。减速器的内轴的旋转方向与减速器的外轴的旋转方向相反，使后排离心叶轮的旋转方向与前排离心叶轮的旋转方向相反，使前排离心叶轮为后排离心叶轮提供反预旋。利用前排离心叶轮为后排离心叶轮提供足够的反预旋，增加做功能力，最后通过轴向扩压器对气流进一步扩压和整流，显著提高离心压气机的总压比。离心压气机在保持轴向尺寸基本不变的条件下，采用后排离心叶轮代替常规的径向扩压器，充分利用离心力及反预旋做功能力强的双重优势，实现在紧凑结构的条件下大幅提升离心压气机的总压比的目标。本发明的燃气涡轮发动机采用上述的离心压气机，通过增加后排离心叶轮和减速器，可以大幅提升燃气涡轮发动机的功重比，降低耗油率，从而解决现有的燃气涡轮发动机难以满足未来飞行器的需求的问题，其良好的结构继承性在燃气涡轮发动机的研制和改进中具有广阔的应用前景。
[0017] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照
附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0018] 构成本
申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0019] 图1是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机的示意图；
[0020] 图2是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之一；
[0021] 图3是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之二；
[0022] 图4是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之三；
[0023] 图5是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之四；
[0024] 图6是本发明优选实施例的前掠结构的示意图；
[0025] 图7是本发明优选实施例的减速器的示意图；
[0026] 图8是本发明优选实施例的后排离心叶轮出口速度三角形的示意图；
[0027] 图9是本发明优选实施例的后排离心叶轮进口速度三角形的示意图；
[0028] 图10是本发明优选实施例的前排离心叶轮出口速度三角形的示意图；
[0029] 图11是本发明优选实施例的离心压气机设计方法的流程示意图；
[0030] 图12是本发明优选实施例的离心压气机的流量压比曲线图；
[0031] 图13是本发明优选实施例的离心压气机的流量效率曲线图。
[0032] 附图标记说明：
[0033] 1、前排离心叶轮；2、后排离心叶轮；21、前掠结构；3、轴向扩压器；4、减速器；5、回流燃烧室；6、涡轮导向器；7、涡轮转子。
具体实施方式
[0034] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0035] 图1是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机的示意图；图2是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之一；图3是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之二；图4是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之三；图5是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之四；图6是本发明优选实施例的前掠结构的示意图；图7是本发明优选实施例的减速器的示意图；图8是本发明优选实施例的后排离心叶轮出口速度三角形的示意图；图9是本发明优选实施例的后排离心叶轮进口速度三角形的示意图；图10是本发明优选实施例的前排离心叶轮出口速度三角形的示意图；图11是本发明优选实施例的离心压气机设计方法的流程示意图；图12是本发明优选实施例的离心压气机的流量压比曲线图；图13是本发明优选实施例的离心压气机的流量效率曲线图。
[0036] 如图1和图7所示，本实施例的燃气涡轮发动机，包括离心压气机、处于离心压气机的气流出口的回流燃烧室5、处于回流燃烧室5的气流出口的涡轮导向器6以及处于涡轮导向器6的气流出口的涡轮转子7，离心压气机包括用于形成气流通道以使气流通过并利用离心力对气流做功的前排离心叶轮1、处于前排离心叶轮1的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并对利用离心力对气流做功的后排离心叶轮2以及处于后排离心叶轮2的气流出口用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向的轴向扩压器3，涡轮转子7的涡轮轴上设有减速器4，减速器4的内轴与前排离心叶轮1连接，减速器4的外轴与后排离心叶轮2连接，减速器4的内轴的旋转方向与减速器4的外轴的旋转方向相反。本发明的燃气涡轮发动机，包括离心压气机、回流燃烧室5、涡轮导向器6以及涡轮转子7。气流经离心压气机压缩后进入回流燃烧室5内与燃油混合燃烧形成高温高压燃气，高温高压燃气经涡轮导向器6梳理后在涡轮转子7处膨胀做功。离心压气机包括前排离心叶轮1、后排离心叶轮2以及轴向扩压器3。前排离心叶轮1和后排离心叶轮2共同形成气流通道以便气流通过，前排离心叶轮1旋转产生离心力对气流做功以提高气流的压力，后排离心叶轮2旋转产生离心力对气流做功以进一步提高气流的压力。气流通过气流通道进入轴向扩压器3后，轴向扩压器3可以降低气流的流速，进一步提高气流的压力，同时使气流由径向转为轴向，以便气流进入回流燃烧室
5内。涡轮转子7的涡轮轴上设有减速器4，减速器4的内轴与前排离心叶轮1连接，减速器4的外轴与后排离心叶轮2连接，膨胀功驱动涡轮轴旋转，涡轮轴通过减速器4带动前排离心叶轮1和后排离心叶轮2旋转，从而实现燃气涡轮发动机的连续工作。减速器4的内轴的旋转方向与减速器4的外轴的旋转方向相反，使后排离心叶轮2的旋转方向与前排离心叶轮1的旋转方向相反，使前排离心叶轮1为后排离心叶轮2提供反预旋。利用前排离心叶轮1为后排离心叶轮2提供足够的反预旋，增加做功能力，最后通过轴向扩压器3对气流进一步扩压和整流，显著提高离心压气机的总压比。离心压气机在保持轴向尺寸基本不变的条件下，采用后排离心叶轮2代替常规的径向扩压器，充分利用离心力及反预旋做功能力强的双重优势，实现在紧凑结构的条件下大幅提升离心压气机总压比的目标。本发明的燃气涡轮发动机采用上述的离心压气机，通过增加后排离心叶轮2和减速器4，可以大幅提升燃气涡轮发动机的功重比，降低耗油率，从而解决现有的燃气涡轮发动机难以满足未来飞行器的需求的问题，其良好的结构继承性在燃气涡轮发动机的研制和改进中具有广阔的应用前景。
[0037] 如图8、图9和图10所示，对于后排离心叶轮2，轮缘功Lu＝U4C4u-U3C3u，U为叶轮旋转的切线速度，W为气流的相对速度，C为气流的绝对速度。由于后排离心叶轮2进口气流的绝对速度C3的切向分量对于后排离心叶轮2为反预旋(前排离心叶轮1出口气流的绝对速度C2通常很高，而后排离心叶轮2进口气流的绝对速度C3等于前排离心叶轮1出口气流的绝对速度C2)，加上反预旋引入的一部分功U3C3u，可以显著提高后排离心叶轮2的做功能力，进而在原有单级离心压气机的尺寸下实现高压比。
[0038] 根据燃气涡轮发动机原理可知，在压气机的效率保持不变的条件下，提高总压比或减轻压气机的重量可以大幅提升燃气涡轮发动机的性能。以某型燃气涡轮发动机为例，该燃气涡轮发动机的组合压气机采用三级轴流压气机加一级离心压气机，若采用上述的离心压气机替换原有的组合压气机，在保持原有效率、流量、压比基本持平的
基础上可使压气机的轴向尺寸缩短66％，大幅减轻重量，降低生产与维修成本，替换后可将燃气涡轮发动机的功重比提升15％。此外，若保留原有的轴流压气机，只将原有的离心压气机替换为上述的离心压气机，可将压气机的总压比提升30％，当涡轮前
温度合适时，可使燃气涡轮发动机的功率提升38％，耗油率降低16％。
[0039] 如图2、图3和图4所示，本实施例中，前排离心叶轮1的相邻叶片之间形成前排流动通道，后排离心叶轮2的相邻叶片之间形成后排流动通道，前排流动通道和后排流动通道组成气流通道。气流从前排流动通道通过并进入后排流动通道，叶片对气流通道内的气流做功。
[0040] 本实施例中，后排离心叶轮2的转速小于前排离心叶轮1的转速。如果后排离心叶轮2的转速与前排离心叶轮1相同或更高，后排离心叶轮2的相对来流
马赫数会超过2.5以上，此时激波带来的损失急剧增大，导致离心压气机的效率非常低。可选地，通过减速器4降低后排离心叶轮2的转速，可以大幅提高离心压气机的效率。
[0041] 本实施例中，后排离心叶轮2采用闭式叶轮。比转速的定义为： 其中N为叶轮的转速，V1为叶轮进口的体积流量，Δh为叶轮的负荷因子。后排离心叶轮2的转速小于前排离心叶轮1的转速。而经过前排离心叶轮1压缩后，气流到达后排离心叶轮2的进口时，体积流量会变小。此外，负荷因子的定义为：叶轮的
焓升/叶轮的切线速度的平方，因为后排离心叶轮2的进口存在强激波使得后排离心叶轮2的焓升很高，而后排离心叶轮2的低转速使得后排离心叶轮2的切线速度低，进而使得后排离心叶轮2的负荷因子高。因此，后排离心叶轮2的比转速小，后排离心叶轮2的比转速小意味着在同样的流量条件下，
增压能力大，增压比高，气流的出口
密度大，离心压气机出口的宽度小。当后排离心叶轮2采用闭式叶轮时，其漏气量小，性能好，效率高，考虑到后排离心叶轮2的转速低，且流道直不存在转弯结构，闭式叶轮可以符合强度的要求。
[0042] 如图2、图3和图4所示，本实施例中，前排离心叶轮1的叶片采用多重分流叶片。前排离心叶轮1的叶片设置为多个，多个叶片形成多个前排流动通道，使气流分流，叶片对分流的气流做工，可以提高前排离心叶轮1的做功能力。多个不同尺寸的叶片组成一组，同一组内叶片进口的布设
位置相互错开，防止气流在叶片进口处产生激波。
[0043] 本实施例中，前排离心叶轮1的叶片后弯角为-35度至-40度，后排离心叶轮2的叶片后弯角为-25度至-35度。叶片后弯角过大，叶片的做功能力差，离心压气机的压比小；叶片后弯角过小，离心压气机的效率低。
[0044] 如图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例中，后排离心叶轮2的叶片的气流进口部位设为前掠结构21。前掠结构21能够在叶片的吸力面形成两端压力高中间压力低的“C”型压力分布，且叶片前缘的内凹型弯曲结构能够进一步加强“C”型压力分布的趋势，在此压力梯度的作用下，端部的低能
流体被吸入主流区，减少了附
面层低能流体在端壁区的堆积，改善了轴向扩压器3通道内部的流通状况。此外，由于前掠结构21的存在，不同展向位置的流体将在不同的流向位置进入轴向扩压器3通道，避免了所有流体在相同的叶片前缘进行急剧的压缩，能够有效地降低叶片前缘附近的压力梯度，进而减小损失，提高效率。前掠结构21能够很好地适应不均匀、高马赫数来流，同时对气流进行梳理，可有效改善前排离心叶轮
1出口气流不均匀对后排离心叶轮2的不利进气条件，大幅提高后排离心叶轮2的性能，有效解决后排离心叶轮2相对马赫数过高导致效率偏低以及后排离心叶轮2进气条件恶劣导致设计难度高的问题。
[0045] 如图11所示，本实施例中，离心压气机的设计方法包括以下步骤：a、零维参数分析：确定前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的比转速、流量系数和负荷系数；b、一维参数计算：根据离心压气机基本原理得到前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的气动参数和几何参数；c、三维造型设计：根据零维参数分析和一维参数计算得到的前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的气动参数和几何参数，进行三维造型设计。可选地，一维参数计算和三维造型设计采用常规离心压气机设计方法即可。
[0046] 本实施例中，步骤a中的零维参数分析具体包括以下步骤：根据常规离心压气机设计方法，尝试给出前排离心叶轮1的压比和效率，由离心压气机的设计总压比和设计效率，得到后排离心叶轮2的压比和效率；根据离心压气机的设计换算流量以及前排离心叶轮1的效率，得到后排离心叶轮2的换算流量；预估前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的负荷系数，由前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的换算流量和负荷系数得到前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的流量系数；根据前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的压比、换算流量以及负荷系数得到前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的比转速；分析前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的比转速、流量系数以及负荷系数是否合理，若不合理则重新给出前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的压比和效率，直至前排离心叶轮1和后排离心叶轮2的比转速、流量系数以及负荷系数处于合理范围内。前排离心叶轮1和后排离心叶轮2可以看作两个进口条件不同的独立叶轮，现有的常规离心压气机设计方法可以为上述的离心压气机的设计提供参考。
[0047] 本实施例中，前排离心叶轮1的比转速为0.5～1.0。后排离心叶轮2的比转速为0.4～0.65。比转速过大或过小都会影响离心压气机的压比、效率以及
喘振裕度，进而影响离心压气机的性能。
[0048] 本实施例中，前排离心叶轮1的流量系数为0.04～0.07。后排离心叶轮2的流量系数为0.02～0.05。流量系数过大或过小都会影响离心压气机的压比、效率以及喘振裕度，进而影响离心压气机的性能。
[0049] 本实施例中，前排离心叶轮1的负荷系数为0.45～0.64。后排离心叶轮2的负荷系数为0.45～0.64。负荷系数过大或过小都会影响离心压气机的压比、效率以及喘振裕度，进而影响离心压气机的性能。
[0050] 具体实施时，离心压气机的设计指标如表1所示：
[0051] 表1离心压气机设计指标
[0052]
[0053]
[0054] 离心压气机尝试压比13.5的前排离心叶轮1，后排离心叶轮2的压比只需要1.15即可，具有一定的可行性。
[0055] 离心压气机的级间参数分配如表2所示。
[0056] 表2离心压气机级间参数分配
[0057]参数 前排离心叶轮 后排离心叶轮
换算流量 3.55 0.401
压比 13.5 1.15
绝热效率 0.84 0.602
喘振裕度 ≮13％ ≮13％
[0058] 离心压气机的一维主要参数计算结果如表3所示。
[0059] 表3离心压气机一维主要参数计算结果
[0060]符号 名称 单位 前排离心叶轮 后排离心叶轮
W0 换算流量 kg/s 3.55 0.401
N0 换算转速 rpm 44100 -7640
Pt0 进口总压 Pa 101325 101325
Tt0 进口总温 K 288.15 288.15
αp 进口平均预旋角度 ° 0 -77.3
Ns 比转速 - 0.591 0.406
Φ 流量系数 - 0.065 0.024
Ψ 负荷系数 - 0.691 0.595
D1hub 叶轮进口根部直径 mm 40*2 154.1*2
D1tip 叶轮进口尖部直径 mm 88*2 154.1*2
Z1 叶片数(采用多重分流叶片) - 10+10+10 29
D2 出口直径 mm 147.5*2 175*2
Bet2a 叶片后弯角 ° -37.5 -30
B2 出口宽度 mm 8.22 7.1
MW1 进口尖部相对马赫数 - 1.344 1.6
MC2 出口绝对马赫数 - 1.2 0.129
π12 压比 - 13.5 1.15
ηis12 绝热效率 - 0.820[预估] 0.677[预估]
[0061] 采用CFD
软件对设计方案进行数值模拟，得到的离心压气机的性能曲线如图12和图13所示。可以得到，离心压气机的总压比为15.5时，离心压气机的换算流量为3.548kg/s，绝热效率为0.704，喘振裕度为13.4％，除效率略低于设计指标外，其余指标均达到了设计要求，验证了设计方案的可行性。
[0062] 本发明的离心压气机不仅适用于单级离心压气机，同样可以扩展到如轴流离心、斜流离心以及双级离心等包含离心压气机的组合压气机中，使本发明的适用范围大幅拓宽。另一方面，本发明对于组合压气机中离心压气机比转速普遍偏低的情形尤为适用。
[0063] 本发明可直接应用于采用单级离心压气机的燃气涡轮发动机的研制和改进，以实现显著提升燃气涡轮发动机的功率和功重比以及降低耗油率的目的。此外，本发明还可应用于采用轴流离心、斜流离心以及双级离心等组合压气机的燃气涡轮发动机的研制和改进，具有广阔的应用前景。
[0064] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
