CN103673371A - 一种四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，该涡轮冷却器采用空气动压轴承支撑，轴系采用四个叶轮共轴设计，排布顺序为二级涡轮叶轮—一级涡轮叶轮—压气机叶轮—风扇叶轮（T-T-C-F）。与常用的三轮涡轮冷却器相比，涡轮级从原来的一个涡轮叶轮的膨胀制冷流程转变为两个涡轮叶轮的双级膨胀制冷模式，从而可以有效解决飞机环控系统冷凝器结冰冻堵的技术难题，同时也提升了环控系统的制冷效率。

Description

一种四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器

技术领域

本发明涉及一种涡轮冷却器，采用四个工作轮共轴排布，涡轮级可以实现两级膨胀制冷，产品采用空气动压轴承支撑。

背景技术

涡轮冷却器作为飞机环控系统的核心制冷部件，可以将从发动机引来的高温高压空气转变为低温空气供飞机座舱和设备舱使用，降低座舱和设备舱的温度。涡轮冷却器的发展经历了两轮简单、两轮升压式到三轮升压式的变化。在环控系统中，需在涡轮出口设置冷凝器，冷凝空气中的水蒸气，通过水分离器除水后进入涡轮入口进行膨胀制冷。

在传统的两轮或三轮系统中，由于涡轮出口空气温度一般在0℃度以下，所以无法避免的在冷凝器中会出现冻堵现象。一般的做法是引一股热空气供冷凝器防冰，这样不仅增加了引气损失，还抬升了系统出口温度，从而降低了环控系统的制冷效率。

发明内容

本发明目的：提供一种全新的涡轮冷却器，采用四轮共轴排布形式，可以将一个涡轮叶轮的膨胀制冷流程转变为两个涡轮叶轮的双级膨胀制冷模式，为飞机环控系统避免冷凝器冻堵提供了全新的解决方案，同时也提升了环控系统的制冷效率。

本发明采取的技术方案为：

一种四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，其特征在于，具有二级涡轮叶轮[3]、一级涡轮叶轮[9]、压气机叶轮[13]、风扇叶轮[16]四个工作叶轮，还包括自锁螺母[1]、二级涡轮蜗壳[2]、二级喷嘴环[4]、止推轴承[5]、径向轴承[6]、涡端轴[7]、一级涡轮蜗壳[8]、一级喷嘴环[10]、扩压器[11]、连接轴[12]、压气机-风扇壳体[14]、风扇轴[15]、拉杆[17]，其中，二级涡轮叶轮[3]、二级喷嘴环[4]与二级涡轮蜗壳[2]组成二级涡轮单元；一级涡轮叶轮[9]、一级喷嘴环[10]与一级涡轮蜗壳[8]组成一级涡轮单元；压气机叶轮[13]、扩压器[11]、风扇叶轮[16]与压气机-风扇壳体[14]共同组成压气机-风扇单元，各单元之间通过上述蜗壳、壳体与轴进行连接，组成涡轮冷却器整体。

所述的二级涡轮叶轮[3]、一级涡轮叶轮[9]、压气机叶轮[13]、风扇叶轮[16]四个工作叶轮共轴设计，排布顺序为二级涡轮叶轮[2]，一级涡轮叶轮[9]，压气机叶轮[13]，风扇叶轮[16]，其中二级涡轮叶轮[2]通过涡端轴[7]与一级涡轮叶轮[9]连接；一级涡轮叶轮[9]通过连接轴[12]与压气机叶轮[13]连接；一级涡轮叶轮[9]与压气机叶轮[13]采用背对背的形式放置；压气机叶轮[13]通过风扇轴[15]与风扇叶轮[16]连接，所有轴与叶轮均采用过盈连接，拉杆[17]穿过轴与叶轮内部，通过拉伸拉杆使并用自锁螺母[1]在两端锁紧，确保叶轮与轴之间不发生相对位移。

此外，转子采用空气动压轴承支撑，两组止推轴承[5]放置在涡端轴[7]的止推盘两侧；一组径向轴承[6]放置在二级涡轮叶轮[2]与一级涡轮叶轮[9]之间的涡端轴[7]的外圈；另一组则放置在压气机叶轮[13]与风扇叶轮[16]之间的风扇轴[15]的外圈，两组径向轴承[6]形成径向支撑。压气机壳体和风扇壳体进行了整合设计，形成了一体化的压气机-风扇壳体[14]。

有益技术效果：在该涡轮冷却器工作时，将传统的一个涡轮膨胀制冷流程转变为两个涡轮的双级膨胀制冷模式，通过设计将一级涡轮出口的温度控制在略高于0℃的范围。在飞机环控系统中将冷凝器设置在一级涡轮出口，再由水分离器进行除水，可以有效的避免冷凝器发生冻堵。一级涡轮出口的空气进入二级涡轮继续膨胀降温，由于不用担心二级涡轮出口低温导致冻堵的问题，可以将二级涡轮出口温度设计的很低，也不需要引热气进行防冰，从而提升了环控系统的制冷效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1：自锁螺母，2：二级涡轮蜗壳，3：二级涡轮叶轮，4：二级喷嘴环，5：止推轴承，6：径向轴承，7：涡端轴，8：一级涡轮蜗壳，9：一级涡轮叶轮，10：一级喷嘴环，11：扩压器，12：连接轴，13：压气机叶轮，14：压气机-风扇壳体，15：风扇轴，16：风扇叶轮，17：拉杆。

图2为转子结构示意图；

其中，17：拉杆；1：自锁螺母，3：二级涡轮叶轮，7：涡端轴，9：一级涡轮叶轮，12：连接轴，13：压气机叶轮，15：风扇轴，16：风扇叶轮。

具体实施方式

一种四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，如图1。包括由自锁螺母1、二级涡轮蜗壳2、二级涡轮叶轮3、二级喷嘴环4、止推轴承5、径向轴承6、涡端轴7、一级涡轮蜗壳8、一级涡轮叶轮9、一级喷嘴环10、扩压器11、连接轴12、压气机叶轮13、压气机-风扇壳体14、风扇轴15、风扇叶轮16、拉杆17等组成。与其他涡轮冷却器不同的是，该产品具有四个工作叶轮，其中二级涡轮叶轮3、二级喷嘴环4与二级涡轮蜗壳2组成二级涡轮单元；一级涡轮叶轮9、一级喷嘴环10与一级涡轮蜗壳8组成一级涡轮单元；压气机叶轮13、扩压器11、风扇叶轮16与压气机-风扇壳体14共同组成压气机-风扇单元。

如图2所示，其中四个叶轮为共轴设计，排布顺序为二级涡轮叶轮3—一级涡轮叶轮9—压气机叶轮13—风扇叶轮16。其中二级涡轮叶轮3通过涡端轴7与一级涡轮叶轮9连接；一级涡轮叶轮9通过连接轴12与压气机叶轮13连接；为使结构紧凑，一级涡轮叶轮9与压气机叶轮13采用背对背的形式放置；压气机叶轮13通过风扇轴15与风扇叶轮16连接。所有轴与叶轮均采用过盈连接，拉杆17穿过轴与叶轮内部，通过拉伸拉杆使并用自锁螺母1在两端锁紧，确保叶轮与轴之间不发生相对位移。

为提升产品运转可靠性，采用空气动压轴承支撑。如图1，两组止推轴承5放置在涡端轴7的止推盘两侧；一组径向轴承6放置在二级涡轮叶轮2与一级涡轮叶轮9之间的涡端轴7的外圈；另一组则放置在压气机叶轮13与风扇叶轮16之间的风扇轴15的外圈，两组径向轴承6形成径向支撑。

为使产品整体结构紧凑，如图1，压气机壳体和风扇壳体进行了整合设计，形成了一体化的压气机-风扇壳体14。

本发明的涡轮冷却器工作时，将传统的一个涡轮膨胀制冷流程转变为两个涡轮的双级膨胀制冷模式，通过设计将一级涡轮出口的温度控制在略高于0℃的范围。在飞机环控系统中将冷凝器设置在一级涡轮出口，再由水分离器进行除水，可以有效的避免冷凝器发生冻堵。一级涡轮出口的空气进入二级涡轮继续膨胀降温，由于不用担心二级涡轮出口低温导致冻堵的问题，可以将二级涡轮出口温度设计的很低，也不需要引热气进行防冰，从而提升了环控系统的制冷效率。

Claims (4)

1.一种四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，其特征在于，具有二级涡轮叶轮[3]、一级涡轮叶轮[9]、压气机叶轮[13]、风扇叶轮[16]四个工作叶轮，还包括自锁螺母[1]、二级涡轮蜗壳[2]、二级喷嘴环[4]、止推轴承[5]、径向轴承[6]、涡端轴[7]、一级涡轮蜗壳[8]、一级喷嘴环[10]、扩压器[11]、连接轴[12]、压气机-风扇壳体[14]、风扇轴[15]、拉杆[17]，其中，二级涡轮叶轮[3]、二级喷嘴环[4]与二级涡轮蜗壳[2]组成二级涡轮单元；一级涡轮叶轮[9]、一级喷嘴环[10]与一级涡轮蜗壳[8]组成一级涡轮单元；压气机叶轮[13]、扩压器[11]、风扇叶轮[16]与压气机-风扇壳体[14]共同组成压气机-风扇单元，各单元之间通过上述蜗壳、壳体与轴进行连接，组成涡轮冷却器整体。

2.根据权利要求1所述的四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，其特征在于：所述的二级涡轮叶轮[3]、一级涡轮叶轮[9]、压气机叶轮[13]、风扇叶轮[16]四个工作叶轮共轴设计，排布顺序为二级涡轮叶轮[2]，一级涡轮叶轮[9]，压气机叶轮[13]，风扇叶轮[16]，其中二级涡轮叶轮[2]通过涡端轴[7]与一级涡轮叶轮[9]连接；一级涡轮叶轮[9]通过连接轴[12]与压气机叶轮[13]连接；一级涡轮叶轮[9]与压气机叶轮[13]采用背对背的形式放置；压气机叶轮[13]通过风扇轴[15]与风扇叶轮[16]连接，所有轴与叶轮均采用过盈连接，拉杆[17]穿过轴与叶轮内部，通过拉伸拉杆使并用自锁螺母[1]在两端锁紧，确保叶轮与轴之间不发生相对位移。

3.根据权利要求1所述的四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，其特征在于：转子采用空气动压轴承支撑，两组止推轴承[5]放置在涡端轴[7]的止推盘两侧；一组径向轴承[6]放置在二级涡轮叶轮[2]与一级涡轮叶轮[9]之间的涡端轴[7]的外圈；另一组则放置在压气机叶轮[13]与风扇叶轮[16]之间的风扇轴[15]的外圈，两组径向轴承[6]形成径向支撑。

4.根据权利要求1所述的四轮共轴两级膨胀的涡轮冷却器，其特征在于，压气机壳体和风扇壳体进行了整合设计，形成了一体化的压气机-风扇壳体[14]。

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