阅读说明：本技术 新型桨扇发动机及具有其的推进装置 (Novel paddle fan engine and propulsion device with same ) 是由 黄兴 苏志敏 方权燊 葛严 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型桨扇发动机及具有其的推进装置,包括燃气发生器、行星齿轮减速器及对转桨扇部件。燃气发生器包括动力涡轮和驱动转轴,燃气发生器用于将来流空气压缩后导入燃烧室燃烧,以产生高温高压燃气进而驱动动力涡轮旋转做功,驱动转轴与动力涡轮固定,以在动力涡轮的带动下旋转,驱动转轴的外伸端由燃气发生器的喷气端伸出。行星齿轮减速器的输入端与驱动转轴的外伸端固定,对转桨扇部件的输入端分别与行星齿轮减速器的两路输出相连,行星齿轮减速器用于分别驱使对转桨扇部件的前排桨和后排桨呈反向旋转以产生推力,且使前排桨的转速和后排桨的转速分别与动力涡轮的转速匹配。(The invention discloses a novel paddle fan engine and a propelling device with the same. The gas generator comprises a power turbine and a driving rotating shaft, the gas generator is used for compressing incoming flow air and guiding the compressed incoming flow air into a combustion chamber for combustion so as to generate high-temperature and high-pressure gas and further drive the power turbine to rotate to do work, the driving rotating shaft is fixed with the power turbine so as to rotate under the driving of the power turbine, and the extending end of the driving rotating shaft extends out of the air injection end of the gas generator. The input end of the planetary gear reducer is fixed with the extending end of the driving rotating shaft, the input end of the contra-rotating propeller fan component is respectively connected with two paths of outputs of the planetary gear reducer, the planetary gear reducer is used for respectively driving the front-row propeller and the rear-row propeller of the contra-rotating propeller fan component to rotate in opposite directions so as to generate thrust, and the rotating speed of the front-row propeller and the rotating speed of the rear-row propeller are respectively matched with the rotating speed of the power turbine.)

新型桨扇发动机及具有其的推进装置

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种新型桨扇发动机。此外，本发明还涉及一种包括上述新型桨扇发动机的推进装置。

背景技术

涡轮发动机是当代航空器的主要动力，主要可以分为涡喷、涡扇、涡轴和涡桨发动机四类，多用于客机、运输机、战斗机、巡航导弹等。桨扇发动机是涡轮发动机的一个新的种类，具备涡扇发动机与涡桨发动机两者的特点，其显著特征是其桨扇部件，由同心对转的两排桨组成。该种发动机可以视作没有短舱的涡扇发动机，而其桨扇等部件与传统的涡桨发动机又有很大不同。桨扇发动机具备在高亚声速(Ma0.75～0.9)飞行的能力，相较于现有的民用涡扇发动机可以省油20～30％，是未来民用客机的一种重要动力类型。

桨扇发动机目前包括两类，一种是自由涡轮直驱式桨扇发动机，一种是齿轮驱动型桨扇发动机，其中两者的区别主要表现在驱动桨扇部件的直接动力传递装置的不同。涡轮直驱式桨扇发动机的代表是美国GE公司的GE36发动机，其通过对转的两套自由涡轮系统驱动对转的螺旋桨，但由于螺旋桨速度较慢，导致涡轮转速下降，做功能力下降，尺寸增加，需要配备十余级自由涡轮，因此，发动机质量大大提升。

齿轮驱动型桨扇发动机的代表是美国Allison公司的578DX发动机，该机的前后两排桨分别由由行星齿轮减速器的内齿圈和行星架驱动，从而实现对转，其好处在于破解了自由涡轮转速与螺旋桨转速的相等关系，使得两者均能在其高效转速内工作，但其仍然增加了齿轮减速器等部件，重量大幅上升，且发动机内排气只能从螺旋桨底部排出，不利于桨扇部件的工作。虽然这两种结构布局有本质区别，然而这两种布局均采用了仅用于驱动桨扇部件的自由涡轮部件，尤其是自由涡轮直驱式桨扇发动机含有十多级自由涡轮，使得发动机结构较为冗余，复杂。

公开号CN 105980248A的发明专利对桨扇发动机的桨扇部件提出了一种新的结构(如附图图1所示)，但其并没有改变桨扇发动机的整体结构布局，仅是对桨扇发动机既有部件的创新设计。公开号CN 106560606A的发明专利提出了一种新的桨扇发动机(如附图图2所示)，但其实际上与桨扇发动机的基本结构组成完全不相同，按照航空发动机的分类，从其结构上应归纳为对转压气机的涡桨发动机，该结构并没有利用桨扇发动机对转螺旋桨所带来的扭矩自平衡，推进效率高，功率吸收能力强的特点。公开号CN 109131832A的发明专利提出了一种新的桨扇发动机叶型及其布置方式(如附图图3所示)，但依然未对桨扇发动机的整体结构布局进行改变。

由于桨扇部件与自由涡轮部件的工作转速不协调导致现有的桨扇发动机均存在以下问题：(1)无论是齿轮驱动型桨扇发动机还是自由涡轮驱动型桨扇发动机均采用了自由涡轮部件，使得发动机结构较为复杂，且发动机质量较大，尺寸较长；(2)尺寸较长，质量较大也导致桨扇发动机在推进装置的安装上受到了较大限制。

发明内容

本发明提供了一种新型桨扇发动机及具有其的推进装置，以解决现有的桨扇发动机结构复杂、质量较重的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型桨扇发动机，包括燃气发生器、行星齿轮减速器及对转桨扇部件；燃气发生器包括动力涡轮和驱动转轴，燃气发生器用于将来流空气压缩后导入燃烧室燃烧，以产生高温高压燃气进而驱动动力涡轮旋转做功，驱动转轴与动力涡轮固定，以在动力涡轮的带动下旋转，驱动转轴的外伸端由燃气发生器的喷气端伸出；行星齿轮减速器的输入端与驱动转轴的外伸端固定，对转桨扇部件的输入端分别与行星齿轮减速器的两路输出相连，行星齿轮减速器用于分别驱使对转桨扇部件的前排桨和后排桨呈反向旋转以产生推力，且使前排桨的转速和后排桨的转速分别与动力涡轮的转速匹配。

进一步地，燃气发生器、行星齿轮减速器及对转桨扇部件沿气流流动方向依次布设且同轴连接。

进一步地，燃气发生器还包括外机匣、同轴布设于外机匣内的低压压气机、高压压气机、燃烧室及高压燃气涡轮；高压压气机和高压燃气涡轮分设于燃烧室的进气端和排气端，且高压压气机和高压燃气涡轮通过穿设燃烧室的高压转子轴相连；低压压气机和动力涡轮分设于燃烧室的进气端和排气端，且低压压气机和动力涡轮位于由高压压气机和高压燃气涡轮构成的连接体的外侧；驱动转轴沿高压转子轴的轴向布设于高压转子轴内，且驱动转轴的安装端伸出高压转子轴后与低压压气机固定，驱动转轴的外伸端伸出高压转子轴后穿过动力涡轮并由燃气发生器的喷气端伸出。

进一步地，燃气发生器还包括外机匣、同轴布设于外机匣内的低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压燃气涡轮及低压燃气涡轮；高压压气机和高压燃气涡轮分设于燃烧室的进气端和排气端，且高压压气机和高压燃气涡轮通过穿设燃烧室的高压转子轴相连；低压压气机和低压燃气涡轮分设于燃烧室的进气端和排气端，且低压压气机和低压燃气涡轮位于由高压压气机和高压燃气涡轮构成的连接体的外侧，并低压压气机和低压燃气涡轮通过穿设高压转子轴的低压转子轴相连；动力涡轮布设于低压燃气涡轮的下游，且驱动转轴的安装端与动力涡轮固定，驱动转轴的外伸端伸出燃气发生器的喷气端。

进一步地，行星齿轮减速器包括与驱动转轴的外伸端固定的太阳轮、套装于太阳轮外的内齿圈、均匀间隔布设于内齿圈和太阳轮之间的多个行星轮、及与多个行星轮分别相连的行星架；多个行星轮分别与太阳轮外啮合，以在太阳轮的驱动下绕太阳轮公转同时绕自身轴线自转；行星架用于在多个行星轮的驱动下绕太阳轮的轴线转动，且行星架的旋转方向和行星轮的公转方向均与太阳轮的旋转方向相同；内齿圈分别与多个行星轮内啮合，以在多个行星轮的驱动下绕太阳轮的轴线转动，且内齿圈的旋转方向与太阳轮的旋转方向相反；对转桨扇部件分别与行星架和内齿圈相连，以在行星架和内齿圈的驱动下使前排桨和后排桨呈反向旋转。

进一步地，行星架包括连接板和多根支柱；支柱与行星轮一一对应设置，且各支柱的一端分别与连接板朝向太阳轮的第一固定面固定，支柱的另一端转动安装于对应设置的行星轮上。

进一步地，对转桨扇部件还包括与行星架同轴布设且固定连接的安装轴、及套装于安装轴外圆上的前桨安装筒，前桨安装筒与内齿圈固定连接；前排桨的多片前排桨叶沿前桨安装筒的周向均匀间隔布设，且前排桨叶分别与前桨安装筒的外周壁固定连接；后排桨位于前排桨的下游，且后排桨的多片后排桨叶沿安装轴的周向均匀间隔布设，并后排桨叶分别与安装轴的外周壁固定连接。

进一步地，安装轴呈空心轴筒状，且安装轴上靠近行星架的第一端与连接板上背向太阳轮的第二固定面固定，并安装轴的外圆上设有朝外凸出且呈环状的限位凸缘；前桨安装筒和后排桨分设于限位凸缘的两侧，且前桨安装筒的端面与内齿圈上远离燃气发生器的后端面固定。

进一步地，对转桨扇部件还包括呈圆锥状的整流锥，整流锥的大端固定装设于安装轴第二端的外圆上，且后排桨位于限位凸缘与整流锥之间。

根据本发明的另一方面，还提供了一种推进装置，推进装置包括如上述中任一项的新型桨扇发动机。

本发明具有以下有益效果：

本发明的新型桨扇发动机的结构布局，与齿轮驱动型桨扇发动机和自由涡轮驱动型桨扇发动机不同，本发明的结构布局中去除了只用于驱动桨扇部件的自由涡轮结构或者多级对转自由涡轮结构及其附属结构，通过对动力涡轮的合理布局设计，将动力涡轮与对转桨扇部件通过行星齿轮减速器相连接，从而减少了桨扇发动机中的部件，省去了自由涡轮或多级对转自由涡轮的死重，降低了桨扇发动机的结构复杂性，提高了桨扇发动机在推进装置上的安装适应性，同时也保证了发动机涡轮部件与桨扇部件的协调工作，进而保证了桨扇发动机的优异性能；

本发明的推进装置相比现有的推进装置，减少了桨扇发动机中的部件，省去了自由涡轮或多级对转自由涡轮的死重，降低了桨扇发动机的结构复杂性，提高了桨扇发动机在推进装置上的安装适应性，同时也保证了发动机涡轮部件与桨扇部件的协调工作，进而保证了推进装置的优异性能。

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。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

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：

图1是专利(CN105980248A)中公开的桨扇发动机的结构附图；

图2是专利(CN 106560606A)中公开的桨扇发动机的结构附图；

图3是专利(109131832A)中公开的桨扇发动机的结构附图；

图4是本发明优选实施例的新型桨扇发动机的结构示意简图；

图5是图4中燃气发生器的结构示意图；

图6是图4中行星齿轮减速器和对转桨扇部件安装示意图。

图例说明

10、燃气发生器；11、驱动转轴；12、动力涡轮；13、外机匣；14、低压压气机；15、高压压气机；16、燃烧室；17、高压燃气涡轮；18、高压转子轴；20、行星齿轮减速器；21、太阳轮；22、内齿圈；23、行星轮；24、行星架；241、连接板；242、支柱；30、对转桨扇部件；31、前排桨；32、后排桨；33、安装轴；330、限位凸缘；34、前桨安装筒；35、整流锥。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图4-图6所示，本发明的优选实施例提供了一种新型桨扇发动机，包括燃气发生器10、行星齿轮减速器20及对转桨扇部件30。燃气发生器10包括动力涡轮12和驱动转轴11，燃气发生器10用于将来流空气压缩后导入燃烧室16燃烧，以产生高温高压燃气进而驱动动力涡轮12旋转做功，驱动转轴11与动力涡轮12固定，以在动力涡轮12的带动下旋转，驱动转轴11的外伸端由燃气发生器10的喷气端伸出。行星齿轮减速器20的输入端与驱动转轴11的外伸端固定，对转桨扇部件30的输入端分别与行星齿轮减速器20的两路输出相连，行星齿轮减速器20用于分别驱使对转桨扇部件30的前排桨31和后排桨32呈反向旋转以产生推力，且使前排桨31的转速和后排桨32的转速分别与动力涡轮12的转速匹配。

本发明的新型桨扇发动机工作时，首先，燃气发生器10将来流空气压缩并导入燃烧室16内与燃油燃烧以产生高温高压燃气，高温高压燃气再驱动动力涡轮12旋转做功，动力涡轮12再带动驱动转轴11旋转，而行星齿轮减速器20的输入端与驱动转轴11的外伸端固定，进而驱动转轴11带动行星齿轮减速器20动作，而对转桨扇部件30的前排桨31和后排桨32分别与行星齿轮减速器20的两路输出相连，进而在行星齿轮减速器20的作用下，前排桨31和后排桨32呈反向旋转以产生推力，且前排桨31的转速和后排桨32的转速在行星齿轮减速器20的作用下分别与动力涡轮12的转速匹配，进而使得燃气发生器10与对转桨扇部件30两者均能在其高效转速区工作。

本发明的新型桨扇发动机的结构布局，与齿轮驱动型桨扇发动机和自由涡轮驱动型桨扇发动机不同，本发明的结构布局中去除了只用于驱动桨扇部件的自由涡轮结构或者多级对转自由涡轮结构及其附属结构，通过对动力涡轮12的合理布局设计，将动力涡轮12与对转桨扇部件30通过行星齿轮减速器20相连接，从而减少了桨扇发动机中的部件，省去了自由涡轮或多级对转自由涡轮的死重，降低了桨扇发动机的结构复杂性，提高了桨扇发动机在推进装置上的安装适应性，同时也保证了发动机涡轮部件与桨扇部件的协调工作，进而保证了桨扇发动机的优异性能。

优选地，如图4所示，燃气发生器10、行星齿轮减速器20及对转桨扇部件30沿气流流动方向依次布设且同轴连接。本发明新型桨扇发动机的该种结构布局，同时还缩短了桨扇发动机沿轴向的长度，并使桨扇发动机的结构紧凑，同时也保证了发动机涡轮部件与桨扇部件的协调工作。

可选地，燃气发生器10的第一实施例，如图5所示，燃气发生器10还包括外机匣13、同轴布设于外机匣13内的低压压气机14、高压压气机15、燃烧室16、高压燃气涡轮17及动力涡轮12。高压压气机15和高压燃气涡轮17分设于燃烧室16的进气端和排气端，且高压压气机15和高压燃气涡轮17通过穿设燃烧室16的高压转子轴18相连。低压压气机14和动力涡轮12分设于燃烧室16的进气端和排气端，且低压压气机14和动力涡轮12位于由高压压气机15和高压燃气涡轮17构成的连接体的外侧。驱动转轴11沿高压转子轴18的轴向布设于高压转子轴18内，且驱动转轴11的安装端伸出高压转子轴18后与低压压气机14固定，驱动转轴11的外伸端伸出高压转子轴18后穿过动力涡轮12并由燃气发生器10的喷气端伸出。本发明的燃气发生器10的工作原理为：来流空气首先由燃气发生器10的进气端进入，然后在低压压气机14和高压压气机15的作用下，来流空气被压缩并进入燃烧室16，燃烧室16内被压缩的来流空气和燃气混合后燃烧以产生高温高压燃气，高温高压燃气由燃气发生器10的排气端喷出时，驱动高压燃气涡轮17和动力涡轮12旋转做功，高压燃气涡轮17旋转做功时通过高压转子轴18带动高压压气机15动作以压缩来流空气，动力涡轮12旋转做功时通过驱动转轴11带动低压压气机14动作以压缩来流空气，同时通过驱动转轴11驱动行星齿轮减速器20动作。

可选地，燃气发生器10的第二实施例，图未示，燃气发生器10还包括外机匣13、同轴布设于外机匣13内的低压压气机14、高压压气机15、燃烧室16、高压燃气涡轮17、低压燃气涡轮及动力涡轮12。高压压气机15和高压燃气涡轮17分设于燃烧室16的进气端和排气端，且高压压气机15和高压燃气涡轮17通过穿设燃烧室16的高压转子轴18相连。低压压气机14和低压燃气涡轮分设于燃烧室16的进气端和排气端，且低压压气机14和低压燃气涡轮位于由高压压气机15和高压燃气涡轮17构成的连接体的外侧，并低压压气机14和低压燃气涡轮通过穿设高压转子轴18的低压转子轴相连。动力涡轮12布设于低压燃气涡轮的下游，且驱动转轴11的安装端与动力涡轮12固定，驱动转轴11的外伸端伸出燃气发生器10的喷气端。本发明的燃气发生器10的工作原理为：来流空气首先由燃气发生器10的进气端进入，然后在低压压气机14和高压压气机15的作用下，来流空气被压缩并进入燃烧室16，燃烧室16内被压缩的来流空气和燃气混合后燃烧以产生高温高压燃气，高温高压燃气由燃气发生器10的排气端喷出时，驱动高压燃气涡轮17、低压燃气涡轮及动力涡轮12分别旋转做功，高压燃气涡轮17旋转做功时通过高压转子轴18带动高压压气机15动作以压缩来流空气，低压燃气涡轮旋转做功时通过低压转子轴带动低压压气机14动作以压缩来流空气，动力涡轮12旋转做功时通过驱动转轴11驱动行星齿轮减速器20动作。

可选地，如图6所示，行星齿轮减速器20包括与驱动转轴11的外伸端固定的太阳轮21、套装于太阳轮21外的内齿圈22、均匀间隔布设于内齿圈22和太阳轮21之间的多个行星轮23、及与多个行星轮23分别相连的行星架24。多个行星轮23分别与太阳轮21外啮合，以在太阳轮21的驱动下绕太阳轮21公转同时绕自身轴线自转。行星架24用于在多个行星轮23的驱动下绕太阳轮21的轴线转动，且行星架24的旋转方向和行星轮23的公转方向均与太阳轮21的旋转方向相同。内齿圈22分别与多个行星轮23内啮合，以在多个行星轮23的驱动下绕太阳轮21的轴线转动，且内齿圈22的旋转方向与太阳轮21的旋转方向相反。对转桨扇部件30分别与行星架24和内齿圈22相连，以在行星架24和内齿圈22的驱动下使前排桨31和后排桨32呈反向旋转。本发明的行星齿轮减速器20的工作原理为：驱动转轴11驱动太阳轮21旋转，太阳轮21带动多个行星轮23同步绕太阳轮21公转同时绕自身轴线自转，多个行星轮23再带动行星架24绕太阳轮21的轴线旋转，且行星架24和行星轮23的公转方向均与太阳轮21的旋转方向相同，多个行星轮23再带动内齿圈22旋转，且内齿圈22的旋转方向与太阳轮21的旋转方向相反，进而通过内齿圈22和行星架24的作用带动对转桨扇部件30动作，以使前排桨31和后排桨32分别在内齿圈22和行星架24的作用下呈反向旋转。

本可选方案中，太阳轮21与行星轮23均为圆柱形齿轮，且行星轮23可以有多个，一般为3～4个。

进一步地，如图6所示，行星架24包括连接板241和多根支柱242。多根支柱242分别与多个行星轮23一一对应设置，且各支柱242的一端分别与连接板241朝向太阳轮21的第一固定面固定，支柱242的另一端转动安装于对应设置的行星轮23上，进而实现行星轮23绕太阳轮21公转同时绕自身轴线自转，并行星轮23动作时带动行星架24绕太阳轮21的轴线旋转。

可选地，如图6所示，对转桨扇部件30还包括与行星架24同轴布设且固定连接的安装轴33、及套装于安装轴33外圆上的前桨安装筒34，前桨安装筒34与内齿圈22固定连接。前排桨31包括多片前排桨叶，前排桨31的多片前排桨叶沿前桨安装筒34的周向均匀间隔布设，且前排桨叶分别与前桨安装筒34的外周壁固定连接。后排桨32包括多片后排桨叶，后排桨32位于前排桨31的下游，且后排桨32的多片后排桨叶沿安装轴33的周向均匀间隔布设，并后排桨叶分别与安装轴33的外周壁固定连接。

进一步地，如图6所示，安装轴33呈空心轴筒状，降低发动机的重量，且安装轴33上靠近行星架24的第一端与连接板241上背向太阳轮21的第二固定面固定，并安装轴33的外圆上设有朝外凸出且呈环状的限位凸缘330。前桨安装筒34和后排桨32分设于限位凸缘330的两侧，且前桨安装筒34的端面与内齿圈22上远离燃气发生器10的后端面固定。限位凸缘330用于对后排桨32和前桨安装筒34沿安装轴33的轴向进行限位。本发明的对转桨扇部件30的工作原理为：太阳轮21的端面与驱动转轴11同心固连，从而将燃气发生器10与行星齿轮减速器20固连起来，内齿圈22远离燃气发生器10的环型端面与前桨安装筒34的前端面相固连，从而前桨安装筒34可跟随内齿圈22转动，安装轴33靠近前排桨31的环形端面与行星架24的连接板241的第一固定面同心固连，从而后排桨32可以跟随行星架24转动，从而实现行星齿轮减速器20与对转桨扇部件30的连接。

可选地，如图6所示，对转桨扇部件30还包括呈圆锥状的整流锥35，整流锥35的大端固定装设于安装轴33第二端的外圆上，且后排桨32位于限位凸缘330与整流锥35之间。具体地，如图6所示，整流锥35的大端设有内凹的凹槽，整流锥35通过凹槽安装在安装轴33第二端的外圆上，且位于后排桨32后面，整流锥35用于对排出气流进行整流，且前排桨31、限位凸缘330、后排桨32及整流锥35构成了较为流畅光滑的气体流道。

可选地，本发明的优选实施例提供了一种推进装置，推进装置包括如上述中任一项的新型桨扇发动机。由于推进装置包括如上述中任一项的新型桨扇发动机，故而本发明的推进装置相比现有的推进装置，减少了桨扇发动机中的部件，省去了自由涡轮或多级对转自由涡轮的死重，降低了桨扇发动机的结构复杂性，提高了桨扇发动机在推进装置上的安装适应性，同时也保证了发动机涡轮部件与桨扇部件的协调工作，进而保证了推进装置的优异性能。

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。