CN100478559C - 高超音速进气空气涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

一种高超音速进气空气涡轮发电机，属进气涡轮发电机。该高超音进气涡轮发电机包括两种技术方案。方案一：主要包括前锥盘(1)、弹簧(2)、绕流柱(3)、涡轮叶片(6)、转子轴(7)、发电机转子(9)、发电机定子(10)。方案二：除包括弹簧、绕流柱、涡轮叶片、发电机转子和定子外，还包括：静止前锥盘、静止后锥盘、静止轴。特点是超音速气流经涡轮叶片前缘产生激波，利用激波不对称性产生压差，形成涡轮转动力距，推动涡轮转动；随转速变化，绕流柱离心力使弹簧伸缩，改变涡轮力距，使发电机输出电压恒定，结构简单，能量转换率高，响应快，易于实现涡轮的恒速运转。方案一适用于安装在飞行器头部，方案二适用于安装在飞机机翼下。

Description

高超音速进气空气涡轮发电机

一、技术领域

本发明涉及一种高超音速进气空气涡轮发电装置，属进气涡轮发电机。

二、背景技术

现有技术中，冲压涡轮发电机，叶片安装在外部，来流直接冲击涡轮。通过改变叶片的桨距改变涡轮发出的功率或者达到在飞行状态改变时涡轮功率恒定。这种结构涡轮只适用于安装在中低速飞行的飞机上。飞行速度如达到高亚音速，叶片前来流相对马赫数会超音，这样在叶片前会产生激波，造成涡轮的阻力增加效率下降。

2001年美国专利(专利号：6270309B1)提出一种涵道式冲压空气涡轮发电和冷却系统。该项发明将动力涡轮置于涵道内，达到飞机在亚音和超音速飞行时，涡轮都能正常工作。同时由于采用流道进口截面面积可变实现流量的调节，使飞机在飞行包线范围内飞行涡轮输出功率恒定或按要求变化。流道面积改变采用涡轮进口中心锥体的相对运动。对于超音速飞行器，这种涡轮需要通过在其前面加装进气道进行减速扩压，保证涡轮导向器进口气流速度小于音速。对于高超音速飞行飞行器，进气道总压恢复系数小，流动损失大；并且涡轮导向器进口气流压力很高。受涡轮落压比限制，涡轮出口气流仍有很高压力，即气流压力能不能得到有效利用。因此这种涡轮不适用于高超音速飞行飞行器。

三、发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种可用于高超音速飞行器(如：高超音速飞机)涡轮发电装置。

本发明所提的高超音速进气空气涡轮发电装置，主要包括锥形盘、叶片、绕流柱、发电机，其特征在于：1)、涡轮叶片前锥形盘引导气流进入涡轮叶片流道，气流流经锥形盘产生钭激波；2)、沿环面分布若干个涡轮叶片，数量由高超音进气空气涡轮发电机输出功率的大小确定，叶片呈楔形，超音速气流经过叶片前缘产生激波，利用激波不对称性产生的压差，形成涡轮转动力矩，推动涡轮转动；3)、叶片前加装绕流柱，绕流柱由弹簧与绕流柱安装孔联结。随转速变化，离心力使绕流柱在孔内伸缩，改变涡轮力矩。保证随飞行器飞行状态改变和发电机功率要求变化涡轮转速近于不变，使发电机输出电压恒定；4)、转速调节机构简单。

本发明有两种技术方案，技术方案一：包括转动前锥盘、弹簧、绕流柱、涡轮叶片、转子轴、发电机转子、发电机定子。所述涡轮叶片沿转动前锥盘外圆环均匀分布安装，每个涡轮叶片前端的转动前锥盘安装孔内装有绕流柱、弹簧套装在绕流柱台阶上，该弹簧由压片压住，压片由平头螺钉固定在转动前锥盘上，绕流柱伸缩由弹簧控制，所述发电机转子固定在转子轴上，并通过转子轴与转动前锥盘底端相连，所述转子轴安装在冲压发动机中心锥体头部内，所述发电机定子置于发电机转子外侧，两端分别与锥形支撑架一端连接，该两个锥形支撑架另一端分别通过滚柱轴承和滚珠轴承固定在转子轴上，滚柱轴承承受径向力、滚珠轴承承受轴向和径向力。

技术方案二，包括静止前锥盘、静止轴、弹簧、绕流柱、涡轮叶片、发电机转子、发电机定子、静止后锥盘。所述静止前锥盘通过装于静止前锥盘内圆板与静止轴前端相连，所述静止后锥盘通过装于静止后锥盘内的另一圆板与静止轴后端相连。所述发电机定子置于静止前锥盘与静止后锥盘之间，固定在静止轴中段上，所述发电机转子套在发电机定子外侧，并与发电机定子一起装入圆筒壳体内与圆筒壳体左侧内壁面固定，该圆筒壳体两端分别与锥形支撑架一端连接，该两个锥形支撑架另一端分别通过滚柱轴承和滚珠轴承固定在静止轴上，所述涡轮叶片均匀分布安装在发电机转子外侧的圆筒壳体外壁上，在每个涡轮叶片前的圆筒壳体安装孔内装有绕流柱，该绕流柱台阶上放置弹簧，该弹簧由压片压住，压片由平头螺钉固定在圆筒壳体上，绕流柱伸缩由弹簧控制。

本项发明所提出的高超音速进气空气涡轮发电装置，可直接用于高超音速飞行器从气流中提取能量转化成电功率。该装置可安装在飞行器头部或安装在冲压发动机中心锥体头部，也可作为可收放结构安装在飞机的机翼下。

本项发明与传统的亚音速进气涡轮比较有以下优点，1)、涡轮结构简单；2)、充分利用高超音速气流高动量，总体能量转换率高；3)由于超音进气利用激波产生压差形成叶片切向力数值大，因而相同功率输出涡轮尺寸小；4)、当转速变化时，涡轮叶片前相对气流角变化使激波强度变化大，涡轮输出功率变化大。因此负载功率变化时涡轮响应快，并且易于实现涡轮的恒速运行(保证发电机输出电压不变)；5)转速调节机构简单。

四、附图说明

图1为安装于飞行器头部的高超音速进气空气涡轮发电机示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为作为收放结构安装在飞机机翼下的高超音速进气空气涡轮发电机示意图。

图4为图3的局部放大图。

图5(a)为图1中的涡轮叶片安装示意图；图5(b)为图5(a)的A向局部视图；图5(c)为图5(a)的B向剖视图。

图6为涡轮叶片平面叶栅激波形成示意图。

图1与图2、图5(a)、(b)、(c)中标号名称：1、转动前锥盘；2、弹簧；3、绕流柱；4、压片；5、平头螺钉；6、涡轮叶片；7、转子轴；8、滚柱轴承；9、发电机转子；10、发电机定子；11、滚珠轴承；12、中心锥体头部。

图3与图4中标号名称：13、静止前锥盘；14、静止轴；15、滚柱轴承；16、弹簧；17、绕流柱；18、压片；19、平头螺钉；20、涡轮叶片；21、发电机转子；22、发电机定子；23、滚珠轴承；24、静止后锥盘；25和27、圆板；26、圆筒壳体。

图6中标号名称：28、进气速度三角形；29、钭激波；30、涡轮叶片型面。

五、具体实施方法

图1与图2、图5(a)、(b)、(c)为适用于安装在飞行器头部或冲压发动机中心锥体头部高超音进气涡轮发电装置示意图，主要由转动前锥盘1、弹簧2、绕流柱3、压片4、平头螺钉5、涡轮叶片6、转子轴7、滚柱轴承8、发电机转子9、发电机定子8、滚珠轴承11、中心锥体头部12组成。

图3及图4为适用于作为收放结构安装在飞机机翼下的高超音进气空气涡轮发电装置示意图。主要由：静止前锥盘13、静止轴14、滚柱轴承15、弹簧16、绕流柱17、压片18、平头螺钉19、涡轮叶片20、发电机转子21、发电机定子22、滚珠轴承23、静止后锥盘24组成。

根据以上附图叙述各零部件功能如下：

转动前锥盘1和静止前锥盘13：超音速来流在锥顶点产生钭激波减速增压，并引导气流进入涡轮叶片通道。弹簧2、16：与绕流柱3、17构成一整体，当涡轮转速变化时，绕流柱离心力变化带动弹簧伸缩，改变涡轮叶片所受气体力，维持涡轮转速基本不变。涡轮叶片6、20：如图6，利用来流方向与叶片型面30前缘不对称性(见速度三角形28)，超音速气流在叶片两个表面产生不同强度的钭激波29或膨胀波，产生压力差形成涡轮推动力。前支点滚柱轴承8、15：用于承受转子径向力。后支点滚珠轴承11、23：用于承受转子径向力和整个转子的轴向力。转子9、21和定子10、22：组成发电机，将涡轮的动力转化成电功率输出。静止后锥盘24：引导涡轮出口气流排向环境大气。平头螺钉5、19：分别用于叶片、环形压片固定；环形压片4、28：绕流柱装入安装孔后安装弹簧，再用此压片压紧弹簧。

主要零部件固定方式。对于图1及图2所示的涡轮发电装置，绕流柱3与弹簧2通过压片4固定。即先将绕流柱装入安装孔再装入弹簧，然后用环形压片4压紧弹簧，环形压片由平头螺钉5固定。涡轮叶片6可采用图5方法固定。涡轮叶片采用燕尾形榫头与转子盘上的燕尾形榫槽配合，再由平头销钉5固定。发电机定子10前后轴承安装座采用数根幅条连接或采用锥形面连接。对于图3所示的涡轮发电装置，主要零部件固定方式可采用与图1及图2所示涡轮发电装置相同的方法。

以下结合图1到图6说明本发明超音空气涡轮发电装置的工作方法：

涡轮起动过程。当冲压发动机打开或收放结构的发电涡轮放入大气中时，高超音来流在前锥盘顶点产生钭激波，激波后气流仍为超音速。这时涡轮静止，轮缘速度为0(速度三角形28中的U＝0)。气流在涡轮叶片一侧产生激波另一侧产生膨胀波，形成较大的压力差推动涡轮转动。涡轮转速增加轮缘速度增加，相对气流角(与轴向夹角)增大，压力差不断减小；并且由于离心力作用绕流柱伸出长度增加。因此涡轮叶片气体力随转速增加而减小。当达到设计转速并且发电机功率也为设计值时，涡轮产生功率与发电机所需功率平衡，转子转速维持不变。

飞行状态变化或发电机功率要求变化时，涡轮转速自动调整。在设计飞行高度、马赫数和电机输出功率时，绕流柱处于某一位置。当涡轮转速变大时(如发电机功率要求变小)，绕流柱离心力增加，柱体外伸长度增加，减少流过涡轮叶片气体量，减小叶片力，使转速下降。上述过程实质是当电机功率要求下降时绕流柱外伸高度增加，减小涡轮输出功率。涡轮在工作过程中，能否恢复到原转速取决于弹簧的弹性系数。实际上不可能在所有工作状态下都能严格保持转速不变，但只要转速变化范围不大，电机通过自身调节即可实现输出电压不变。

实施例。设计一安装于冲压发动机中心锥体前部(如图1，锥角为20°)的发电涡轮。要求在飞行高度为25kmm、飞行马赫数为4.0时：涡轮发出功率为10kw。在不考虑流动粘性的情况下进行近似计算。首先计算锥体顶点产生的锥面钭激波，得到钭激波下游亦即叶片进气流参数；然后按叶片平均半径处平面叶栅流动计算叶片所受压力，再分解成轴向和切向分量。由此可得初步设计结果如下。叶片前缘楔角(图5(b))：10°；叶片数：8；叶片所处平均半径(距中心锥体轴线垂直距离)：50mm叶片高度：30mm；叶片宽度：20mm。转子转速50000rpm。叶片前缘钭激波总压恢复系数：0.95。实例表明：通过涡轮气流损失小；最大气流偏转角小(小于10°)，涡轮结构尺寸小。

Claims (3)

1.一种高超音速进气空气涡轮发电机，其特征在于：包括转动前锥盘(1)、弹簧(2)、绕流柱(3)、涡轮叶片(6)、转子轴(7)、发电机转子(9)、发电机定子(10)，所述涡轮叶片(6)沿转动前锥盘(1)外圆环均匀分布安装，每个涡轮叶片(6)前端的转动前锥盘(1)安装孔内装有绕流柱(3)、弹簧(2)套装在绕流柱台阶上，该弹簧(2)由压片(4)压住，压片(4)由平头螺钉(5)固定在转动前锥盘(1)上，绕流柱(3)伸缩由弹簧(2)控制，所述发电机转子(9)固定在转子轴(7)上，并通过转子轴(7)与转动前锥盘(1)底端相连，所述转子轴(7)安装在冲压发动机中心锥体头部(12)内，所述发电机定子(10)置于发电机转子(9)外侧，两端分别与锥形支撑架一端连接，该两个锥形支撑架另一端分别通过滚柱轴承(8)和滚珠轴承(11)固定在转子轴(7)上，滚柱轴承(8)承受径向力、滚珠轴承(11)承受轴向和径向力。

2.一种高超音速进气空气涡轮发电机，其特征在于：包括静止前锥盘(13)、静止轴(14)、弹簧(16)、绕流柱(17)、涡轮叶片(20)、发电机转子(21)、发电机定子(22)、静止后锥盘(24)，所述静止前锥盘(13)通过装于静止前锥盘(13)内圆板(27)与静止轴(14)前端相连，所述静止后锥盘(24)通过装于静止后锥盘(24)内的另一圆板(25)与静止轴(14)后端相连，所述发电机定子(22)置于静止前锥盘(13)与静止后锥盘(24)之间，固定在静止轴(14)中段上，所述发电机转子(21)套在发电机定子(22)外侧，并与发电机定子(22)一起装入圆筒壳体(26)内与圆筒壳体左侧内壁面固定，该圆筒壳体(26)两端分别与锥形支撑架一端连接，该两个锥形支撑架另一端分别通过滚柱轴承(15)和滚珠轴承(23)固定在静止轴(14)上，所述涡轮叶片(20)均匀分布安装在发电机转子(21)外侧的圆筒壳体(26)外壁上，在每个涡轮叶片(20)前的圆筒壳体(26)安装孔内装有绕流柱(17)，该绕流柱台阶上放置弹簧(16)，该弹簧由压片(18)压住，压片(18)由平头螺钉(19)固定在圆筒壳体(26)上，绕流柱(17)伸缩由弹簧(16)控制。

3.根据权利要求1或2所述的高超音速进气空气涡轮发电机，其特征在于涡轮叶片呈楔形，数量由高超音速进气空气涡轮发电机输出功率的大小确定。

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