CN103216333B - 逆流切向式微型涡轮喷气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机包括转子系统、外壳、火焰筒、扩压器、涡轮导向器、燃料供给系统、润滑系统、启动气路及排气系统；就整个装置总体方向而言，扩压器所在位置定义为整个装置的左端方向，涡轮导向器所在位置定义为整个装置的右端方向；以转子系统为中心，扩压器固定于转子系统前端，涡轮导向器固定于转子系统右端，排气系统位于涡轮导向器右端；火焰筒与转子系统同心并包含转子系统，燃料供给系统及启动气路固定于火焰筒外侧壁面，润滑系统固定于转子系统外侧并位于火焰筒内侧与转子系统之间，通过扩压器及涡轮导向器与微型涡轮喷气发动机的外壳相固定。本发明降低污染物排放，可有效减少火焰筒积碳，提高发动机工作寿命。

Description

逆流切向式微型涡轮喷气发动机

技术领域

本发明属于飞行器动力系统领域，具体涉及一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机，特别是一种通过增加气态燃料旋流效果从而获得高燃烧效率的微型涡轮喷气发动机。

背景技术

目前，常用的微型涡轮喷气发动机主气流通道常使用T型或Γ型蒸发管作为燃料雾化及蒸发装置。其中，T型蒸发管与扰流盘喷出的空气掺混，Γ型蒸发管与其相配的空气杯小孔空气进行掺混，创造出适合燃烧的混气条件。这两种燃料供给方式都需要燃料在气体的作用下加以雾化，需要专用的空气供给系统或零部件。从燃料管道中喷出的燃料常常碰到火焰筒壁面，在火焰筒头部生成炭黑，影响微型涡轮喷气发动机的寿命以及燃料的燃烧效率。随着现代智能弹药对微型涡轮喷气发动机工作寿命要求的不断提高，迫切对微型涡轮喷气发动机的结构进行优化，从而适应长时间工作的需求。

为了解决这一问题，许多国家的科研人员做了相关研究，如US005782079A等专利。法国制造的JPX T240xing微型涡轮喷气发动机，该发动机使用丙烷（C₃H₈）作为燃料，不利于使用且较为危险。图2为US005782079A设计的微型涡轮喷气发动机，该发动机使用V型稳定器作为火焰稳定装置，但增加了发动机内流动阻力，而且使用向心式涡轮重量大，涡轮热负担重，影响发动机寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机，能够利用蒸发管进入燃烧的空气对液态燃料进行初步雾化，粒径较小的油珠在气动力的作用下进入主气流通道主燃区，粒径较大的油珠一方面在气动力的作用下进一步雾化，即使油珠接触到蒸发管壁面，亦可在蒸发管壁面上得到加热、蒸发并生成可燃燃气，从而有效提高微型涡轮喷气发动机主气流通道燃烧效率，降低污染物的排放。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机包括转子系统、外壳、火焰筒、扩压器、涡轮导向器、燃料供给系统、润滑系统、启动气路及排气系统；就整个装置总体方向而言，扩压器所在位置定义为整个装置的左端方向，涡轮导向器所在位置定义为整个装置的右端方向；以转子系统为中心，扩压器固定于转子系统前端，涡轮导向器固定于转子系统右端，排气系统位于涡轮导向器右端；火焰筒与转子系统同心并包含转子系统，燃料供给系统及启动气路固定于火焰筒外侧壁面，润滑系统固定于转子系统外侧并位于火焰筒内侧与转子系统之间，通过扩压器及涡轮导向器与微型涡轮喷气发动机的外壳相固定。

转子系统由左旋螺母、离心式压气机、左调隙环、左侧角接触轴承、主轴、轴套、弹簧、右侧角接触轴承、右调隙环、轴向式涡轮转子、左旋螺母组成；在转子系统中，主轴位于轴套中心，轴套两端分别通过左侧角接触轴承和右侧角接触轴承固定，主轴左端台阶设置左侧角接触轴承，左侧角接触轴承的左侧设置左调隙环，离心式压气机位于左调隙环的左侧，离心式压气机被其左侧的左旋螺母固定，限制离心式压气机、左调隙环、左侧角接触轴承的轴向位移；主轴右端台阶设有弹簧，弹簧右侧设置右侧角接触轴承，右侧角接触轴承右侧设置右调隙环，右调隙环右侧采用过盈配合的方式装配轴向式涡轮转子，轴向式涡轮转子右侧使用左旋螺母夹紧，并限制弹簧、右侧角接触轴承、右调隙环、轴向式涡轮转子的轴向位移。

外壳由进气道、连接件、机匣、机匣后罩组成；其中，进气道与连接件连接，机匣与连接件连接，机匣后罩与机匣连接，进气道位于整个装置的左端。

火焰筒由内环壁面、外环壁面、火焰筒前罩、火焰筒后罩及逆流式蒸发管组成，内环壁面的左侧连接火焰筒前罩内边缘，外环壁面的左侧连接火焰筒前罩的外边缘，火焰筒后罩连接外环壁面的右侧边缘，内环壁面的侧面开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒，外环壁面与内环壁面的对应位置也开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒，环形的火焰筒后罩沿其周向均匀开12个孔，将逆流式蒸发管插入火焰筒后罩的轴向开孔并固定。

逆流式蒸发管与其轴线方向呈210度夹角，与逆流式蒸发管所在中心圆切线方向呈20度夹角。

左侧角接触轴承的内圈被压紧于主轴的左端台阶，右侧角接触轴承的内圈被压紧于主轴右侧台阶；左侧角接触轴承外圈与右侧角接触轴承外圈分别夹紧轴套，用以固定轴套；扩压器与轴套左侧固定，扩压器与进气道连接，微型涡轮喷气发动机的外壳与扩压器连接；涡轮导向器与机匣后罩连接，排气系统中的尾喷管外壁与涡轮导向器的右侧连接，尾火焰筒内环壁面与涡轮导向器左侧相连。

扩压器与机匣、机匣后罩、轴套以及火焰筒构成的空腔为主气流通道，燃料供给系统中的主油路供油管穿过扩压器的开孔进入主气流通道，并焊接于火焰筒后罩的燃油分油环上，在分油环上沿周向均布12根毛细不锈钢管，燃料一次通过主油路供油管、分油环及毛细不锈钢管，在油泵的压力下进入逆流式蒸发管。

启动气路穿过扩压器的开孔进入主气流通道，通过火焰筒后罩的开孔进入火焰筒，用于该型微型涡轮喷气发动机启动燃烧使用。

润滑系统的主油路通过扩压器的开孔进入主气流通道内，在其内经分油器36分成两股，一股经第一毛细钢管37进入轴套对主轴右侧的右侧角接触轴承进行润滑，另一股经第二毛细钢管38进入轴套对主轴左侧的左侧角接触轴承进行润滑。

排气系统由尾喷管外壁及中心锥组成，尾喷管外壁与中心锥使用长螺栓固定。将尾喷管外壁固定在涡轮导向器上，中心锥位于尾喷管外壁与涡轮导向器之间。

本发明与现有技术相比，其显著优点：采用逆流式蒸发管，初步雾化的大粒径燃料不会直接与火焰筒壁面接触可减少火焰筒壁面积碳现象；在逆流新鲜空气的作用下得到进一步雾化的液态燃料及得到蒸发的气态燃料，在蒸发管以较大的轴向速度沿发动机轴线方向成螺旋线运动，从而使得未蒸发燃料进一步蒸发并增加蒸发燃料在火焰筒的停留时间，增加燃料与新鲜空气的掺混程度，提高燃料燃烧效率。这样，不仅可以增加燃料利用效率，亦可降低污染物排放并产生较大的推力。这种燃料输运、雾化、蒸发及与新鲜空气掺混燃烧的方式适用于该微型涡轮喷气发动机在不同工作条件下的运转，均可提高发动机主气流通道效率，降低污染物排放，并可有效减少火焰筒积碳，提高发动机工作寿命。

附图说明

图1为本发明的逆流切向式微型涡轮喷气发动机结构示意图。

图2为本发明的逆流切向式微型涡轮喷气发动机的逆流式蒸发管焊接示意图，其中图2（a）为逆流式蒸发管焊接立体示意图；图2（b）为逆流式蒸发管焊接左视图；图2（c）为逆流式蒸发管焊接主视图。

图3为本发明的逆流切向式微型涡轮喷气发动机的燃料供给系统、润滑系统、启动气路示意图。

具体实施方式  

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机，包括转子系统、外壳、火焰筒、扩压器7、涡轮导向器28、燃料供给系统、润滑系统、启动气路34及排气系统。就整个装置总体方向而言，扩压器7所在位置定义为整个装置的左端方向，涡轮导向器28所在位置定义为整个装置的右端方向。以转子系统为中心，扩压器7固定于转子系统前端，涡轮导向器28固定于转子系统右端，排气系统位于涡轮导向器28右端。火焰筒与转子系统同心并包含转子系统，燃料供给系统及启动气路34固定于火焰筒外侧壁面，润滑系统固定于转子系统外侧并位于火焰筒内侧与转子系统之间，通过扩压器7及涡轮导向器28与微型涡轮喷气发动机的外壳相固定。

其中，转子系统由左旋螺母10、离心式压气机5、左调隙环9、左侧角接触轴承11、主轴1、轴套2、弹簧4、右侧角接触轴承3、右调隙环26、轴向式涡轮转子6、左旋螺母27组成。在转子系统中，主轴1位于轴套2中心，轴套2两端分别通过左侧角接触轴承11和右侧角接触轴承3限位支撑，主轴1左端台阶设置左侧角接触轴承11，左侧角接触轴承11的左侧设置左调隙环9，离心式压气机5位于左调隙环9的左侧，离心式压气机5被其左侧的左旋螺母10固定，限制离心式压气机5、左调隙环9、左侧角接触轴承11的轴向位移。主轴1右端台阶设有弹簧4，弹簧4右侧设置右侧角接触轴承3，右侧角接触轴承3右侧设置右调隙环26，右调隙环26右侧采用过盈配合的方式装配轴向式涡轮转子6，轴向式涡轮转子6右侧使用左旋螺母27夹紧，并限制弹簧4、右侧角接触轴承3、右调隙环26、轴向式涡轮转子6的轴向位移。

外壳由进气道12、连接件14、机匣15、机匣后罩17组成。其中，进气道12与连接件14通过内六角螺丝固定，机匣15与连接件14通过内六角螺栓固定，机匣后罩17与机匣15焊接连接。进气道12位于整个装置的左端。

结合图1和图2，火焰筒由内环壁面20、外环壁面16、火焰筒前罩23、火焰筒后罩19及逆流式蒸发管18组成，内环壁面20的左侧焊接于火焰筒前罩23内边缘，外环壁面16的左侧焊接于火焰筒前罩23的外边缘，火焰筒后罩19焊接于外环壁面16的右侧边缘。内环壁面20的侧面开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒，外环壁面16与内环壁面20的对应位置也开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒。环形的火焰筒后罩19沿其周向均匀开12个孔，将逆流式蒸发管18焊接插入火焰筒后罩19的轴向开孔并焊接固定，逆流式蒸发管18与其轴线方向呈210度夹角，与蒸发管18所在中心圆切线方向呈20度夹角。

结合图3，扩压器7与机匣15、机匣后罩17、轴套2以及火焰筒构成的空腔为主气流通道，燃料供给系统中的主油路供油管31穿过扩压器7的开孔进入主气流通道，并焊接于火焰筒后罩19的燃油分油环32上，在分油环32上沿周向均布12根毛细不锈钢管33，燃料一次通过供油管31、分油环32及毛细不锈钢管33，在油泵的压力下进入逆流式蒸发管18。

启动气路34穿过扩压器7的开孔进入主气流通道，通过火焰筒后罩19的开孔进入火焰筒，用于该型微型涡轮喷气发动机启动燃烧使用。

润滑系统的主油路35通过扩压器7的开孔进入主气流通道内，在其内经分油器36分成两股，一股经第一毛细钢管37进入轴套2对主轴1右侧的右侧角接触轴承3进行润滑，另一股经第二毛细钢管38进入轴套2对主轴1左侧的左侧角接触轴承11进行润滑。

排气系统由尾喷管外壁25及中心锥24组成，尾喷管外壁25与中心锥24使用长螺栓固定。将尾喷管外壁25固定在涡轮导向器28上，中心锥24位于尾喷管外壁25与涡轮导向器28之间。

左侧角接触轴承11的内圈被压紧于主轴1的左端台阶，右侧角接触轴承3的内圈被压紧于主轴1右侧台阶。左侧角接触轴承11外圈与右侧角接触轴承3外圈分别夹紧轴套2，用以固定轴套2。扩压器7与轴套2左侧通过沉头内六角螺丝固定，扩压器7与进气道12使用螺栓连接，微型涡轮喷气发动机的外壳与扩压器7通过内六角螺丝连接。涡轮导向器28与机匣后罩17通过内六角螺栓连接，排气系统中的尾喷管外壁25与涡轮导向器28的右侧焊接连接，尾火焰筒内环壁面20与涡轮导向器28左侧焊接相连。

在发动机机匣15上焊接有螺纹安装座21，热火头22安装于螺纹安装座21，热火头穿过火焰筒外环壁面16深入火焰筒内。起动过程中，首先使用电池启动热火头，高温的热火头22点燃了通过启动气路34进入火焰筒的易燃气体。易燃气体对发动机蒸发管进行预热，产生的高温气体驱动涡轮转子6旋转，涡轮转子带动主轴1旋转，主轴1带动离心式压气机5旋转并吸入新鲜空气。新鲜空气通过扩压器7进入主气流通道，并沿着火焰筒内外壁面上的开孔进入火焰筒内以供燃烧使用。待蒸发管18预热完成后，燃料通过主油路供油管31进入主油路并最终进入蒸发管18雾化与蒸发，与通过离心机7吸入的新鲜空气混合并在火焰筒内燃烧，产生的高温燃气通过中心锥24及尾喷管外壁25组成的通道内喷出，而将燃料的化学能转化为推力，推动飞行器的飞行。

Claims (7)

1.一种逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：包括转子系统、外壳、火焰筒、扩压器（7）、涡轮导向器（28）、燃料供给系统、润滑系统、启动气路（34）及排气系统；就整个装置总体方向而言，扩压器（7）所在位置定义为整个装置的左端方向，涡轮导向器（28）所在位置定义为整个装置的右端方向；以转子系统为中心，扩压器（7）固定于转子系统前端，涡轮导向器（28）固定于转子系统右端，排气系统位于涡轮导向器（28）右端；火焰筒与转子系统同心并包含转子系统，燃料供给系统及启动气路（34）固定于火焰筒外侧壁面，润滑系统固定于转子系统外侧并位于火焰筒内侧与转子系统之间，通过扩压器（7）及涡轮导向器（28）与微型涡轮喷气发动机的外壳相固定；

转子系统由第一左旋螺母（10）、离心式压气机（5）、左调隙环（9）、左侧角接触轴承（11）、主轴（1）、轴套（2）、弹簧（4）、右侧角接触轴承（3）、右调隙环（26）、轴向式涡轮转子（6）、第二左旋螺母（27）组成；在转子系统中，主轴（1）位于轴套（2）中心，轴套（2）两端分别通过左侧角接触轴承（11）和右侧角接触轴承（3）固定，主轴（1）左端台阶设置左侧角接触轴承（11），左侧角接触轴承（11）的左侧设置左调隙环（9），离心式压气机（5）位于左调隙环（9）的左侧，离心式压气机（5）被其左侧的第一左旋螺母（10）固定，限制离心式压气机（5）、左调隙环（9）、左侧角接触轴承（11）的轴向位移；主轴（1）右端台阶设有弹簧（4），弹簧（4）右侧设置右侧角接触轴承（3），右侧角接触轴承（3）右侧设置右调隙环（26），右调隙环（26）右侧采用过盈配合的方式装配轴向式涡轮转子（6），轴向式涡轮转子（6）右侧使用第二左旋螺母（27）夹紧，并限制弹簧（4）、右侧角接触轴承（3）、右调隙环（26）、轴向式涡轮转子（6）的轴向位移；

火焰筒由内环壁面（20）、外环壁面（16）、火焰筒前罩（23）、火焰筒后罩（19）及逆流式蒸发管（18）组成，内环壁面（20）的左侧连接火焰筒前罩（23）内边缘，外环壁面（16）的左侧连接火焰筒前罩（23）的外边缘，火焰筒后罩（19）连接外环壁面（16）的右侧边缘，内环壁面（20）的侧面开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒，外环壁面（16）与内环壁面（20）的对应位置也开有小孔供燃烧及冷却气体进入火焰筒，环形的火焰筒后罩（19）沿其周向均匀开12个孔，将逆流式蒸发管（18）插入火焰筒后罩（19）的轴向开孔并固定；

逆流式蒸发管（18）与其轴线方向呈210度夹角，与逆流式蒸发管（18）所在中心圆切线方向呈20度夹角。

2.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：外壳由进气道（12）、连接件（14）、机匣（15）、机匣后罩（17）组成；其中，进气道（12）与连接件（14）连接，机匣（15）与连接件（14）连接，机匣后罩（17）与机匣（15）连接，进气道（12）位于整个装置的左端。

3.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：左侧角接触轴承（11）的内圈被压紧于主轴（1）的左端台阶，右侧角接触轴承（3）的内圈被压紧于主轴（1）右侧台阶；左侧角接触轴承（11）外圈与右侧角接触轴承（3）外圈分别夹紧轴套（2），用以固定轴套（2）；扩压器（7）与轴套（2）左侧固定，扩压器（7）与进气道（12）连接，微型涡轮喷气发动机的外壳与扩压器（7）连接；涡轮导向器（28）与机匣后罩（17）连接，排气系统中的尾喷管外壁（25）与涡轮导向器（28）的右侧连接，尾火焰筒内环壁面（20）与涡轮导向器（28）左侧相连。

4.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：扩压器（7）与机匣（15）、机匣后罩（17）、轴套（2）以及火焰筒构成的空腔为主气流通道，燃料供给系统中的主油路供油管（31）穿过扩压器（7）的开孔进入主气流通道，并焊接于火焰筒后罩（19）的燃油分油环（32）上，在分油环（32）上沿周向均布12根毛细不锈钢管（33），燃料依次通过主油路供油管（31）、分油环（32）及毛细不锈钢管（33），在油泵的压力下进入逆流式蒸发管（18）。

5.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：启动气路（34）穿过扩压器（7）的开孔进入主气流通道，通过火焰筒后罩（19）的开孔进入火焰筒，用于型微型涡轮喷气发动机启动燃烧使用。

6.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：润滑系统的主油路（35）通过扩压器（7）的开孔进入主气流通道内，在其内经分油器（36）分成两股，一股经第一毛细钢管（37）进入轴套（2）对主轴（1）右侧的右侧角接触轴承（3）进行润滑，另一股经第二毛细钢管（38）进入轴套（2）对主轴（1）左侧的左侧角接触轴承（11）进行润滑。

7.根据权利要求1所述的逆流切向式微型涡轮喷气发动机，其特征在于：排气系统由尾喷管外壁（25）及中心锥（24）组成，尾喷管外壁（25）与中心锥（24）使用长螺栓固定；将尾喷管外壁（25）固定在涡轮导向器（28）上，中心锥（24）位于尾喷管外壁（25）与涡轮导向器（28）之间。