[发明专利]耦合压气机和涡轮一体化设计的倾斜燃烧室方案

说明书

本发明公开了一种耦合压气机和涡轮一体化设计的倾斜燃烧室方案，该燃烧室环形火焰筒内部主流气体采用以一定圆周切向角度旋转的流动形式，既增加了燃气的停留时间，火焰筒出口高速燃气又能直接推动第一级涡轮动叶做功，还能将压气机最后一级转子出口的余旋气流和燃烧室头部直接匹配设计，从而省略了压气机出口导向器和涡轮进口导向器结构。本发明由于分别省略了压气机出口导向器和涡轮进口导向器，同时缩短燃烧室的轴向长度，因此可大幅度缩短发动机的轴向长度，达到降低发动机整机重量的目的，从而提高发动机的推重比；同时可以大幅度降低涡轮冷却气量，降低涡轮设计难度。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种全新的发动机整机结构一体化设计方案，包括耦合压气机、燃烧室和涡轮三大部件的设计。

背景技术

目前，随着航空发动机技术的不断发展，对发动机燃烧室的燃烧性能要求也越来越高。航空发动机燃烧室正朝着高温升、低重量的高推重比方向发展，这就要求发动机自身的重量不能太重。传统的发动机中，空气经压力机增压后，进入燃烧室与燃油掺混燃烧，再通过涡轮将高温高压燃气热能转换为机械功。涡轮动叶通过机械传动轴与压气机转子连接，从而带动压气机转动。为了提高机械传动轴的使用寿命和能量传递效率，高转速设计时需保证机械传动轴长度越短越好。

由于燃烧室头部旋流器等结构的原因，传统发动机燃烧室中要求主流气流沿发动机轴向方向流动，以保证其燃烧效率；同时要求进入涡轮动叶的气流需带有较大的切向速度，以推动涡轮动叶做功，保证其轴功的高效输出。所以需要在压气机出口设置出口导向器和在涡轮进口设置进口导向器分别对空气和燃气进行整流，进而形成能匹配燃烧室的进/出口气流。这种设计导致发动机整体长度较长、发动机自身重量较重和流动损失大等问题，特别是涡轮进口导向器的冷却问题突出。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种耦合压气机和涡轮一体化设计的倾斜燃烧室。该倾斜燃烧室通过将传统的轴流式头部变革为带一定角度的倾斜旋流头部，将空气的轴向流动形式变更为在环形燃烧室中带一定切向速度的倾斜流动形式。这种设计方案可省略压气机出口导向器和涡轮进口导向器等结构，达到降低燃烧室自身重量、缩短压气机涡轮之间机械传动轴长度的目的，也可大幅度降低涡轮进口导向器冷却需求，提高发动机可靠性。

本发明是这样实现的：

一种耦合压气机和涡轮一体化设计的倾斜燃烧室，包括倾斜燃烧室机匣、倾斜燃烧室机匣两端设置的涡轮、压气机；倾斜燃烧室机匣中间为机械传动轴，通过机械传动轴连接压气机与涡轮；同时将压气机的压气机最后一级动叶转子出口的高压旋转气流经过扩压器后直接引入倾斜燃烧室火焰筒的火焰筒头部。

倾斜燃烧室机匣的后端直接连接涡轮，燃烧室机匣内部为环形的倾斜燃烧室火焰筒，由于燃烧室火焰筒内部的气流是周向流动的，可缩短了火焰筒长度，对应的机械传动轴和燃烧室机匣等轴向长度也相应缩短。

倾斜燃烧室火焰筒头部为带角度的倾斜旋流头部，所以经过倾斜旋流头部后在倾斜燃烧室火焰筒中形成的空气流向与燃烧室中轴线呈现夹角。本发明将传统燃烧室火焰筒中轴向流动的气流变成带切向速度流动的气流，主流气流倾斜流动后，可缩短燃烧室的轴向长度，对应的火焰筒长度与机械传动轴的长度也相应缩短，本发明可提高机械传动轴的使用寿命和机械能传递效率，降低该结构的加工难度。

进一步，其倾斜燃烧室火焰筒内部的主流气流沿环形燃烧室以倾斜燃烧室火焰筒内主流气流倾斜流动方向流动；所述的倾斜燃烧室火焰筒内主流气流倾斜流动方向与燃烧室中轴线夹角α范围为：10°～45°。该方案既可增加了燃油在火焰筒中的停留时间，从而提高燃烧效率；也可在保证燃油完全燃烧的同时大幅度能缩短火焰筒的长度。进口空气经过燃烧室头部后在火焰筒中形成带一定切向速度的倾斜流动空气，倾斜空气与燃油混合燃烧后形成倾斜流动的高温燃气。

进一步，所述的倾斜燃烧室火焰筒出口处的高温燃气余旋角动能与涡轮内部的第一级涡轮动叶匹配，直接推动第一级涡轮动叶做功。