轴向叶片式混合涡轮发动机方案

轴向叶片式混合涡轮发动机方案

轴向叶片式混合涡轮发动机就是用轴向叶片式狄塞尔循环发动机代替大涵道比涡扇发动机中的轴流叶轮机械（如压气机和涡轮），而保留风扇部件的1种发动机，如图1所示。该混合发动机中的压缩机、膨胀机和风扇安装在1根轴上，能作为独立单元拆卸，便于更换和维修。

轴向叶片式狄塞尔循环发动机（Axial Vane Diesel Engine）如图2所示，就是在圆柱形转子（40）上有众多直叶片（48），这些直叶片沿轴向贯穿于转子，通过导向凸轮（38）的运动，平行于旋转轴移动，同时与转子一同旋转，这样就增大或缩小了叶片与叶片之间的体积，从而以往复式活塞机械的方式压缩和膨胀流体。其叶片平行于旋转轴移动而始终保持动态平衡，且活塞机械具有典型往复运动和加速度特性，使得这种机械具有最小的能量损失。轴向叶片式旋转狄塞尔循环发动机工作原理如图3所示。

先进技术有限公司（ATI）正与NASA合作，论证将这种轴向叶片式压缩机和膨胀机用于大涵道比涡扇发动机的可行性。研究了2种推力级别的发动机：海平面静止（SLS）推力44.45和111.13 kN级发动机。对于44.45 kN推力级发动机，论证了传统涡轮发动机燃烧室和在叶片构件内部燃烧2种形式；对于111.13 kN推力级发动机，只认证了传统涡轮发动机燃烧室。按照合同要求：（1）ATI开发了能进行发动机分析的轴向叶片式压缩机、膨胀机和轴向叶片内部燃烧系统的热力学分析模型和机械模型，并提供给NASA；（2）NASA利用自行开发的NPSS循环分析软件获得每一基准涡扇发动机数据提供给先进技术有限公司，并完成了标准海平面状态下的所有初始分析和发动机进口压力等于风扇下游压力时的最终分析；（3）ATI利用NPSS数据和自主开发的AV-设计程序分析了每个推力级的轴向叶片式涡轮混合发动机循环，并对不同工作状态下的一系列发动机结构进行了建模，产生了1个最优的、能与每种基准涡扇发动机海平面推力额定值匹配的发动机，并得到每种最优发动机的实体模型和质量。

可行性研究结果表明：利用轴向叶片式技术的狄塞尔循环混合发动机可显著降低耗油率。

图1 带有轴向叶片式压缩机和膨胀机的混合发动机

图2 典型的轴向叶片旋转装置

图3 轴向叶片旋转柴油发动机工作原理

（中航工业沈阳发动机设计研究所 刘红霞）