次级涡涵电驱发动机的制作方法

1.本发明涉及喷气式发动机领域，尤其涉及一种以电力驱动的次级涡扇涵道加压喷气式动力设备。


背景技术：

2.目前中小型飞机市场正在孕育大发展的初期，在前期进行“共转垂直起降膜翼飞机”(公开号cn113306714a)项目的电驱动力配备时发现以下问题：
3.1)电动扇叶发动机存在能量转换为推力的功效很低，发动机后方散流严重，需要配置的发动机数量较多且发动机所占的空间体量也很大。
4.2)带简单整流罩的电动扇叶发动机能量转换为推力的功效有所增加(约增加30％左右)，发动机后方散流大幅改善；但需要配置的发动机数量依然较多，且发动机增加整流罩后所占的空间体量甚至更大一些。
5.3)电动扇叶涵道加压喷气发动机(简称“电涵发动机”)能量转换为推力的功效很高，需要配置的发动机数量大幅减少，发动机所占的空间体量约为电动扇叶发动机的40％左右。
6.由以上对比可知，配备“电涵发动机”是首选，但在市场上很难找到。而且经过对现有“电涵发动机”的深入研究，发现微小改进对“电涵发动机”性能提升极为有限。同时发现“电涵发动机”的涡旋能量被导风板对冲白白损耗掉，不仅噪音大，而且能量转换效率不够高。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种次级涡涵电驱发动机，实现了对涡旋能量的高效回收利用，同时大幅降低涡旋力对导风板支架的冲击，而且更节能，噪音更低、稳定性更好，使用寿命更长。
8.为实现上述目的，本发明提供一种次级涡涵电驱发动机，包括发动机壳罩，发动机壳罩内设有沿气流方向依次布置的涡流压气道和尾喷压气道，尾喷压气道末端设有喷气口；发动机壳罩内设有相联动的电机和核心轴，核心轴上沿气流方向依次设有转动扇叶和用于整流和回收涡旋能量的次级涡轮，次级涡轮位于涡流压气道的末端。
9.作为本发明的进一步改进，所述涡流压气道的横截面尺寸沿气流方向逐渐缩小。
10.作为本发明的更进一步改进，所述涡流压气道中设有与发动机壳罩连接的固定导风扇叶；固定导风扇叶与所述核心轴转动配合。
11.作为本发明的更进一步改进，所述转动扇叶包括至少两级转动扇叶模块，所述固定导风扇叶位于相邻的转动扇叶模块之间。
12.作为本发明的更进一步改进，所述转动扇叶、次级涡轮和固定导风扇叶三者的中部均包括内圈导风筒；前后相邻的内圈导风筒平滑过渡，核心轴穿过各内圈导风筒的中部，核心轴的前端连接有整流罩；所述转动扇叶和次级涡轮两者均设有外圈稳定叶筒。
13.作为本发明的更进一步改进，所述发动机壳罩连接有位于尾喷压气道内的喷口导风压气支架；喷口导风压气支架的数量为至少两个且绕核心轴的轴线布置；喷口导风压气支架的横截面尺寸沿气流方向逐渐增大。
14.有益效果
15.与现有技术相比，本发明的次级涡涵电驱发动机的优点为：
16.1、通过前端扇叶的气流是被扇叶驱动向后压缩，压缩气流按螺旋向后运动轨迹冲击次级涡轮。同时在特定压气道作用下，当气流到达次级涡轮时，其向后的线性速度将达到其离开前端扇叶时的两倍左右，在经过次级涡轮时气流的涡旋力冲击次级涡轮，不仅将气流的涡旋动能通过次级涡轮和中心轴的传递回收为前方转动扇叶的动能，实现能量回收利用。而且次级涡轮的扇叶使涡旋气流转变为基本平行于尾喷压气道的线性气流，大幅减少了气流对尾喷压气道内壁的冲击，减少乱流，同时以更高的速度射出。该方案实现了对涡旋能量的高效回收利用，同时大幅降低涡旋力对导风板支架的冲击。体现在性能效果上，“次级涡涵电驱发动机”比“电涵发动机”节能约15％，噪音更低，稳定性更好，使用寿命更长。
17.2、空气在两级以上转动扇叶和固定导风扇叶的驱动下压缩流过截面积不断缩小的压气涵道，最后在涵道尾部高速喷出，从而形成发动机向前的推力。
18.通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
19.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为次级涡涵电驱发动机的俯视剖视图；
21.图2为次级涡涵电驱发动机的右视局部剖视图；
22.图3为次级涡轮的主视图；
23.图4为次级涡轮的侧视图；
24.图5为气流方向剖面图；
25.图6为涵道截面积变化图；
26.图7为气流工作状态沿半径r圆剖面展开图；
27.图8为图7中气流各段流速示意图。
具体实施方式
28.现在参考附图描述本发明的实施例。
29.实施例
30.本发明的具体实施方式如图1至图8所示，一种次级涡涵电驱发动机，包括发动机壳罩1，发动机壳罩1内设有沿气流方向依次布置的涡流压气道11和尾喷压气道12，尾喷压气道12末端设有喷气口16。涡流压气道11和尾喷压气道12共同构成涵道。发动机壳罩1内设有相联动的电机6和核心轴2，核心轴2上沿气流方向依次设有转动扇叶4和用于整流和回收
涡旋能量的次级涡轮5，次级涡轮5位于涡流压气道11的末端。
31.涡流压气道11的横截面尺寸沿气流方向逐渐缩小。尾喷压气道12的整体横截面尺寸基本一致。
32.涡流压气道11中设有与发动机壳罩1连接的固定导风扇叶9。固定导风扇叶9中部通过轴承与核心轴2转动配合。核心轴2通过轴承与发动机壳罩1转动配合。电机6安装在核心轴2的后端。电机6外壁与发动机壳罩1之间设有多个减震支座61，减震支座61可采用弹性件，起到减震作用。
33.转动扇叶4包括至少两级转动扇叶模块，固定导风扇叶9位于相邻的转动扇叶模块之间。本实施例中，转动扇叶4包括两级转动扇叶模块，分别为首级扇叶41和二级扇叶10，固定导风扇叶9为一个。首级扇叶41、固定导风扇叶9、二级扇叶10和次级涡轮5三者沿气流方向依次设置。其中，二级扇叶10与次级涡轮5之间留有一定间距，让气流经过二级扇叶10后，还能在横截面逐渐缩小的涡流压气道11作用下有距离作进一步加速。
34.转动扇叶4、次级涡轮5和固定导风扇叶9三者的中部均包括内圈导风筒7。前后相邻的内圈导风筒7平滑过渡，核心轴2穿过各内圈导风筒7的中部，核心轴2的前端连接有整流罩14。整流罩14和首级扇叶41的内圈导风筒7两者外表面平滑过渡。转动扇叶4和次级涡轮5两者均设有外圈稳定叶筒8。外圈稳定叶筒8与涡流压气道11的内壁之间留有间隙。
35.发动机壳罩1连接有位于尾喷压气道12内的喷口导风压气支架15。喷口导风压气支架15的数量为至少两个且绕核心轴2的轴线布置。本实施例中，喷口导风压气支架15为六个。喷口导风压气支架15的横截面尺寸沿气流方向逐渐增大，如图7所示。
36.如图6所示，涵道过风截面积遵循s0》s1》s2》s3》s4。如图8所示，气流速度遵循v0《v1《v2《v3《v4《v5,其中v4一般比v3大一倍左右。
37.如图7、图8所示，气流以v0(一般相当于飞机的飞行速度)平行于“气流推力方向”进入发动机。气流被首级扇叶41的第一叶片411击打加速变成与“气流推力方向”有一定夹角且速度为v1的涡流。涡流冲击固定导风扇叶3的第二叶片31后调整方向变为与“气流推力方向”基本一致的v2气流。v2气流被二级扇叶42的第三叶片421再次击打加速变成v3涡流。v3涡流经涡流压气道11加速到v4。更高速的v4气流冲击次级涡轮5的第四叶片51，回收涡旋能量的同时将v4气流的方向导回与“气流推力方向”基本一致。气流再经尾喷压气道12加速至v5喷出。
38.涡旋能量回收量与叶片斜角、v3与v4的速度差、轮叶数量等多重因素相关，一般来说，总的能量回收率在15％左右。
39.在同轴的作用下，两级以上扇叶和次级涡轮的转向和转速n完全一致。
40.相关公式如下：
41.(1)电驱喷气发动机推力计算公式：
42.f＝a*(v5-v0)+s4*(pe-pa)
43.其中：f——推力(n)
44.a——质量流量(n/s),a＝s0*ma*v0＝s4*me*v5,ma为发动机入口的空气密度(n/m3),me为发动机喷口的空气密度(n/m3),s0、s4见图。
45.v0——发动机入口的空气速度(m/s)
46.v5——发动机喷口的空气速度(m/s)
47.s4——发动机涵道喷口截面积(m2)
48.pe——发动机喷口压强(n/m2)
49.pa——发动机外空气压强(n/m2)
50.(2)气流v3：
51.v3＝n*b*d
52.其中：v3——被最后扇叶(在3级以内)驱动后流速(m/s)
53.n——转速(转/s)
54.b——所有扇叶总数
55.d——扇叶垂向平均宽度(m)
56.(3)发动机内部压强pe：
57.发动机内部压强pe受涵道收缩造成压力上升、同时由于气体在涵道内速度不断增加造成压力下降等多重因素影响。综合考虑，近似取发动机内部压强与喷口压强相等均为pe：
58.(pe-pa)*s＝a*v3＝s*ma*v
32
59.pe-pa＝ma*v
32
60.pe＝ma*v
32
+pa
61.其中：pe——发动机内部压强(n/m2)
62.pa——发动机外空气压强(n/m2)
63.ma——为发动机入口的空气密度(n/m3)
[0064]v3
——被最后扇叶(在3级以内)驱动后流速(m/s)
[0065]
(4)次级涡轮回馈推力fh：
[0066]fh
＝a*(v4-v3)
[0067]
其中：fh——次级涡轮回馈推力(n)
[0068]
a——质量流量(n/s),a＝s0*ma*v0＝s4*me*v5,ma为发动机入口的空气密度(n/m3),me为发动机喷口的空气密度(n/m3),s0、s4见图。
[0069]
v3——被最后扇叶(在3级以内)驱动后流速(m/s)
[0070]
v4——冲击次级涡轮的气流速度(m/s)
[0071]
比较案例如下:
[0072]
同扇叶同转速电驱发动机性能计算对比表1
[0073][0074][0075]
设计推力12kn飞机电驱发动机配置计算对比表2
[0076][0077][0078]
由表1对比可以看出:在扇叶尺寸及数量相同情况下,带加压的涵道发动机的推力
将大幅增加,同时“次级涡涵发动机”比“电涵发动机”推力增加15.04％。
[0079]
由表2对比可以看出:在设计推力确定的情况下,配置带加压的涵道发动机的外型尺寸可大幅缩小、数量也大幅减少,同时“次级涡涵发动机”比“电涵发动机”外型尺寸可进一步缩小且更节能，震动噪音更低。
[0080]
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

技术特征：
1.一种次级涡涵电驱发动机，包括发动机壳罩(1)，其特征在于，发动机壳罩(1)内设有沿气流方向依次布置的涡流压气道(11)和尾喷压气道(12)，尾喷压气道(12)末端设有喷气口(16)；发动机壳罩(1)内设有相联动的电机(6)和核心轴(2)，核心轴(2)上沿气流方向依次设有转动扇叶(4)和用于整流和回收涡旋能量的次级涡轮(5)，次级涡轮(5)位于涡流压气道(11)的末端。2.根据权利要求1所述的一种次级涡涵电驱发动机，其特征在于，所述涡流压气道(11)的横截面尺寸沿气流方向逐渐缩小。3.根据权利要求1或2所述的一种次级涡涵电驱发动机，其特征在于，所述涡流压气道(11)中设有与发动机壳罩(1)连接的固定导风扇叶(9)；固定导风扇叶(9)与所述核心轴(2)转动配合。4.根据权利要求3所述的一种次级涡涵电驱发动机，其特征在于，所述转动扇叶(4)包括至少两级转动扇叶模块，所述固定导风扇叶(9)位于相邻的转动扇叶模块之间。5.根据权利要求3所述的一种次级涡涵电驱发动机，其特征在于，所述转动扇叶(4)、次级涡轮(5)和固定导风扇叶(9)三者的中部均包括内圈导风筒(7)；前后相邻的内圈导风筒(7)平滑过渡，核心轴(2)穿过各内圈导风筒(7)的中部，核心轴(2)的前端连接有整流罩(14)；所述转动扇叶(4)和次级涡轮(5)两者均设有外圈稳定叶筒(8)。6.根据权利要求3所述的一种次级涡涵电驱发动机，其特征在于，所述发动机壳罩(1)连接有位于尾喷压气道(12)内的喷口导风压气支架(15)；喷口导风压气支架(15)的数量为至少两个且绕核心轴(2)的轴线布置；喷口导风压气支架(15)的横截面尺寸沿气流方向逐渐增大。

技术总结
本发明公开了一种次级涡涵电驱发动机，包括发动机壳罩，发动机壳罩内设有沿气流方向依次布置的涡流压气道和尾喷压气道，尾喷压气道末端设有喷气口；发动机壳罩内设有相联动的电机和核心轴，核心轴上沿气流方向依次设有转动扇叶和用于整流和回收涡旋能量的次级涡轮，次级涡轮位于涡流压气道的末端。本发明提供的次级涡涵电驱发动机，实现了对涡旋能量的高效回收利用，同时大幅降低涡旋力对导风板支架的冲击，而且更节能，噪音更低、稳定性更好，使用寿命更长。命更长。命更长。


技术研发人员：曾昭达 王浩 万瑜 曾宪越
受保护的技术使用者：广东信稳能控技术研究有限公司
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/4/25