CN101139995A - 基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子 - Google Patents

Abstract

本发明基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子属于燃气轮机领域，其包括中空轴、密封装置、轮盘和轮盘外缘上的进气流道，轮盘与中空轴做成一体或者通过连接键或轴承与中空轴相连接；轮盘外缘上布置有一定数量的进气流道，进气流道由轮盘外缘、轮盘外缘上安装的隔板、气流压缩面、亚音扩压器和外机匣组成；该压缩转子进气端与排气端的轮盘和中空轴上设有密封装置。该压缩转子以足够高的速度旋转时，气流被吸入进气流道中并经气流压缩面所产生的激波系和亚音扩压器增压后排出。本发明的有益效果是：具有增压比高、压缩效率高、结构简单紧凑、体积小、重量轻、制造成本低、拆装方便、易于维护、可靠性高等优点。

Description

基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种应用于各种燃气轮机中的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子。

背景技术

压缩系统即压气机是燃气轮机的三大部件之一，其作用是对进入发动机的气流进行压缩，以获得合适温度和压力的空气。压气机压比的大小和压缩效率的高低将直接决定着燃气轮机的循环效率和功率，而其体积和重量又在很大程度上影响燃气轮机的功率重量比。目前，燃气轮机中常用的气流压缩方式主要有轴流式压缩、离心式压缩和混合压缩。轴流式压缩单级压缩效率高、应用广泛、技术成熟，但是其单级压比低、达到高压比需要多级压缩、压缩系统体积和重量大、总压缩效率降低；离心式压缩单级压比较高、性能比较稳定，但是它的效率较低。上述两种气流压缩方式也可以混合进行使用，但对提高燃气轮机的功率重量比没有本质影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其具有增压比高、压缩效率高、结构简单紧凑、体积小、重量轻、制造成本低、拆装方便、易于维护、可靠性高等优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，主要由中空轴1、密封装置2、轮盘和进气流道组成，密封装置2设置在轮毂8的两侧边缘上和套筒9或中空轴1上；轮盘可以与中空轴1做成一体，或者通过连接键或轴承与中空轴相连接；进气流道位于轮盘外缘6上，由隔板3、亚音扩压器4、气流压缩面5、轮盘外缘6和外机匣10组成，螺旋形隔板3以一定的角度均匀安装在轮盘外缘6上，隔板3的安装角度可根据燃气轮机的流量需求和压缩转子轴向尺寸的限制来确定，亚音扩压器4和气流压缩面5设置在两个相邻隔板3互相重叠的区域，并且亚音扩压器4和气流压缩面5的长度不超过两相邻隔板3重叠的长度，在气流压缩面5上或进气流道喉部区域可以根据需要设有附面层泄除装置、附面层吹除或抽吸装置，在亚音扩压器4中也可以设置旋涡发生器，亚音扩压器4和气流压缩面5之间可以一体化设计或单独设计与加工，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮盘相连接，隔板3、亚音扩压器4、气流压缩面5可以与轮盘一体化设计、加工，也可以分别单独加工，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮盘相连接，外机匣10是压缩转子进气流道的顶壁，它是静止的，不随压缩转子旋转。

上述隔板3与外机匣10之间的间隙控制可以根据需要采用主动或被动间隙控制技术，也可以在外机匣10的内壁涂上一层易磨涂层，在隔板3顶部复以耐磨材料来控制外机匣与隔板顶部之间的泄漏损失，还可以在隔板3的顶部设计叶冠以封闭压缩转子的进气流道，叶冠与外机匣10之间根据需要保留一定大小的间隙，以此来减少泄露损失。

上述的气流压缩面5和亚音扩压器4也可以设置在组成进气流道的隔板3上或同时设置在轮盘外缘6上和隔板3上。

上述轮盘由叶片式辐板7、轮毂8和套筒9组成，叶片式辐板7、轮毂8和套筒9可以一体化设计、加工，也可以单独设计、加工，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

上述轮盘由实心盘11、轮毂8和套筒9组成，实心盘11、轮毂8和套筒9可以一体化设计、加工，也可以单独设计、加工，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

上述轮盘由腹板12、轮毂8和套筒9组成，腹板12、轮毂8和套筒9可以一体化设计、加工，也可以单独设计、加工，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

压缩转子的密封主要包括以下三个方面：轮毂密封、轴部密封以及隔板3的顶部与静止的外机匣10之间的间隙大小的控制，轮毂密封和轴部密封结合在一起称为级间密封，即密封装置2。

密封装置2采用篦齿封严装置或刷式密封，篦齿封严装置主要由多排篦齿组成，而刷式密封有一个由许多细钢丝制成的刷组成的静子环，静子环主要有前环、背环和夹于两者之间的细丝组成。轮毂上的密封装置设计在轮毂8的两侧边缘上，密封装置可以与轮毂8采用一体化设计或单独设计，然后通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮毂8相连接；套筒或中空轴上的密封装置设计在轮盘两侧的套筒9上或中空轴1上，也可以与轮盘一体化设计或单独设计，再通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮盘相连接。隔板3的顶部与静止的外机匣10之间的间隙控制，可以根据设计需要采用主动间隙控制或被动间隙控制，还可以在外机匣的内壁涂上一层易磨涂层，在隔板顶部复以耐磨材料来控制外机匣与隔板顶部之间的泄漏损失。

本发明的有益效果如下：采用超音速进气道中的激波压缩技术，增压比高、压缩效率高；采用中空轴设计，可在中空轴内安装其它设备，使压缩转子整体结构简单紧凑、体积小、重量轻；轮盘与中空轴做成一体，或者通过连接键或轴承与中空轴相连接，拆装方便、易于维护、可靠性高。

附图说明

图1是本发明基于激波压缩技术的中空轴轮辐式旋转冲压压缩转子结构示意图。

图2是本发明基于激波压缩技术的中空轴实心盘式旋转冲压压缩转子结构示意图。

图3是本发明基于激波压缩技术的中空轴腹板式旋转冲压压缩转子结构示意图。

图中：1、中空轴，2、密封装置，3、隔板，4、亚音扩压器，5、气流压缩面，6、轮盘外缘，7、叶片式辐板，8、轮毂，9、套筒，10、外机匣，11、实心盘，12、腹板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

本发明基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子借鉴超音速进气道中的激波压缩技术，并融合传统轴流压气机和离心压气机设计技术的基础上设计而成，基于激波压缩技术的旋转冲压压缩转子采用中空轴设计，可以大大减轻压缩转子的结构重量，并能够腾出一定的空间在中空轴中安装其它设备，从而使压缩转子结构紧凑。

如图1至图3所示，图3中的腹板12是在图2中的实心盘11上开有一定数目的孔，这样做的目的是为了进一步减轻压缩转子的重量，所开的孔可以为圆孔或者其它形状的孔。

本发明的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子的工作原理是：当旋转冲压压缩转子开始旋转时，进气端外部的气流随之被吸入压缩转子轮盘外缘6的进气流道中。在开始阶段，由于压缩转子的转速较低，压缩转子轮盘外缘的气流相对速度达不到超音速条件，进气流道中没有激波系出现，压缩转子对气流的压缩效果不明显；随着压缩转子旋转速度的不断提高，进气流道中的气流相对速度也随之提高。当压缩转子旋转速度满足以下关系式时：

$n>\frac{60\sqrt{k\·R\·T}}{2\mathrm{\π}\·r}$

式中：n-压缩转子的转速；k-气体的绝热指数；R-气体常数；T-静温；r-轮盘半径

进入进气流道中的气流相对速度就会达到超音速条件，此时，当气流经过进气流道中设置的压缩面时就会产生一系列激波及反射波，气流通过这些激波及反射波时，其压强和温度升高，速度降低。气流在通过进气流道的喉部进入亚音扩压器4后，在正激波或激波串的作用下，其压强和温度将会进一步增加，速度进一步降低，从而达到了气流压缩的目的。随后，气流从旋转冲压压缩转子的排气端排出。

Claims (10)

1.基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，主要由中空轴(1)、密封装置(2)、轮盘和进气流道组成，密封装置(2)设置在轮毂(8)的两侧边缘上和套筒(9)或中空轴(1)上；轮盘与中空轴(1)为一体形成或者通过连接键或轴承与中空轴(1)连接；进气流道位于轮盘外缘(6)上，由隔板(3)、亚音扩压器(4)、气流压缩面(5)、轮盘外缘(6)和外机匣(10)组成，隔板(3)安装在轮盘外缘(6)上，亚音扩压器(4)和气流压缩面(5)设置在两个相邻隔板(3)互相重叠的区域，隔板(3)、亚音扩压器(4)、气流压缩面(5)与轮盘一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮盘相连接。

2.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述密封装置(2)采用篦齿封严装置或刷式密封；篦齿封严装置主要由多排篦齿组成，刷式密封主要由一个由许多细钢丝制成的刷构成的静子环组成，静子环主要由前环、背环和夹于两者之间的细丝组成。

3.如权利要求1或2所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述轮毂(8)两侧边缘上的密封装置(2)与轮毂(8)为一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮毂(8)相连接；套筒(9)或中空轴(1)上的密封装置(2)与轮盘为一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉与轮盘相连接。

4.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述轮盘由叶片式辐板(7)、轮毂(8)和套筒(9)组成，叶片式辐板(7)、轮毂(8)和套筒(9)为一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

5.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述轮盘由实心盘(11)、轮毂(8)和套筒(9)组成，实心盘(11)、轮毂(8)和套筒(9)为一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

6.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述轮盘由腹板(12)、轮毂(8)和套筒(9)组成，腹板(12)上开有圆形或其它形状的孔，腹板(12)、轮毂(8)和套筒(9)为一体形成或者通过铆接或焊接或螺栓或销钉或螺钉相连接。

7.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述亚音扩压器(4)和气流压缩面(5)的长度小于或等于两相邻隔板(3)重叠的长度。

8.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述气流压缩面(5)上或进气流道喉部区域设有附面层泄除装置、附面层吹除或抽吸装置，在亚音扩压器(4)中设有旋涡发生器。

9.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述隔板(3)与外机匣(10)之间的间隙控制根据需要采用主动或被动间隙控制技术，或者，在外机匣(10)的内壁涂上一层易磨涂层，在隔板(3)顶部复以耐磨材料来控制外机匣与隔板顶部之间的泄漏损失，在隔板(3)的顶部设置叶冠以封闭压缩转子的进气流道，叶冠与外机匣(10)之间根据需要留有间隙。

10.如权利要求1所述的基于激波压缩技术的中空轴旋转冲压压缩转子，其特征在于，所述的气流压缩面(5)和亚音扩压器(4)设置在组成进气流道的隔板(3)上或者同时设置在轮盘外缘(6)和隔板(3)上。