CN106089799B - 基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子 - Google Patents

基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，包括：中空轴，与中空轴同步转动装配的轮盘组件和罩置于轮盘组件外部的外机匣；其中，轮盘组件的轮盘外缘外壁表面均匀分布有多个螺旋形隔板，且每一个螺旋形隔板的安装角度相同；每相邻两个螺旋形隔板之间的间隙形成一条进气流道，每条进气流道由入口端致出口端依次设置有气流压缩段、喉部隔离段和三角形出口延伸段；气流压缩段为径向间隙逐渐缩小的压缩气道；喉部隔离段为径向间隙保持不变的等面积通道；三角形出口延伸段为径向间隙保持不变，且周向柱面内为三角形的气道；采用上述技术方案的本发明，流体通过曲线激波系压缩，增压比高，且整体结构简单紧凑可靠性高。

Description

基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种应用于各种燃气轮机中的基于超燃冲压发动机进气流道压缩技术的冲压压缩转子。
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
本发明针对上述技术问题，提出一种基于超燃冲压发动机进气流道压缩技术的冲压压缩转子，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。
为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：
基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，包括：中空轴，与中空轴同步转动装配的轮盘组件和罩置于轮盘组件外部的外机匣；
其中，轮盘组件的轮盘外缘外壁表面均匀分布有多个螺旋形隔板，且每一个螺旋形隔板的安装角度相同；
每相邻两个螺旋形隔板之间的间隙形成一条进气流道，每条进气流道由入口端致出口端依次设置有气流压缩段、喉部隔离段和三角形出口延伸段；
其中，气流压缩段为径向间隙逐渐缩小的压缩气道；喉部隔离段为径向间隙保持不变的等面积通道；三角形出口延伸段为径向间隙保持不变，且周向柱面内为三角形的气道；
作为优选结构，气流压缩段和喉部隔离段位于相邻两个螺旋形隔板的重叠区域内。
作为优选结构，轮盘组件包括：套筒、腹板和轮毂；套筒与中空轴同步转动装配，轮毂通过腹板与套筒同步转动装配固定；其中，轮盘外缘为轮毂周向外壁。
作为优选结构，套筒和轮毂轴向两侧边缘为轴向转动密封位，且密封形式采用篦齿密封或刷式密封。
作为优选结构，气流压缩段上或喉部隔离段中设置有附面层泄除装置、附面层吹除或抽吸装置。
作为优选结构，气流压缩段和喉部隔离段的总长度小于等于相邻两个螺旋形隔板重叠的长度。
作为优选结构，螺旋形隔板与外机匣之间的间隙控制根据需要采用主动或被动间隙控制技术。
作为优选结构，外机匣的内壁涂上一层易磨涂层，在螺旋形隔板顶部附以耐磨材料来控制外机匣与螺旋形隔板顶部之间的泄漏损失，在螺旋形隔板的顶部设置叶冠以封闭压缩转子的进气流道，叶冠与外机匣之间根据需要留有间隙。
采用上述技术方案的本发明，通过如下技术方案和空气动力学理论来实现：
超燃冲压发动机工作时，其进气流道担负了使高速来流气体减速增压的作用，而该进气流道的主要工作原理是靠飞行器高速飞行时，空气与飞行器保持较高的相对速度，该速度往往几倍于声速，超声速气流进入进气流道后，经过气流压缩段，方向发生折转，从而产生多道斜激波或由等熵压缩使得高速气流减至低超声速，其压强和温度升高，通过喉部隔离段稳定流动后，从进气流道出口排出压缩后的超声速气体，由此气体动能转化为压力势能。通过合理设计进气流道气流压缩段的形状，就能使进气流道保持较好的性能。
本发明融合了超然冲压发动机进气流道的压缩技术与传统轴流式和离心式压气机的设计技术，其工作原理是：当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组件的进气流道中。由于压缩转子高速旋转，轮盘外缘的气流相对轮盘组件速度达到超声速条件，气流经过气流压缩段，方向发生折转，进气流道中出现曲线激波系，使得入口相对高速气流减至相对轮盘低超声速，其压强和温度升高；通过喉部隔离段稳定流动后，从压缩转子出口排出压缩后的相对轮盘超声速气体，由此气体动能转化为压力势能。通过合理控制压缩转子出口相对速度在一定的超声速范围内，与轮盘圆周速度合成之后，能使出口绝对速度为亚声速，同时增大出口气流与周向夹角。由于流体通过曲线激波系压缩，压缩转子具有较高单级压比(5～15)，且流道中不存在正激波及较强的激波附面层干扰，压缩转子流道中流动稳定，损失非常小，因而压缩转子又具有较高的效率。
综上，本发明的有益效果如下：采用超声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。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
本发明共4幅附图,其中：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的轮盘组件部分结构示意图。
图3为本发明的从超然冲压发动机进气道衍变成压缩转子的流道转变示意图。
图4为本发明的腹板结构采用轮辐式时结构示意图。
图中：11、中空轴，12、轴向转动密封位，13、轮盘外缘，14、螺旋形隔板，15、气流压缩段，16、喉部隔离段，17、角形出口延伸段，18、轮毂，19、套筒，20、外机匣，21、腹板。
具体实施方式
如图1和图2所示的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，包括：中空轴11，与中空轴11同步转动装配的轮盘组件和罩置于轮盘组件外部的外机匣20；
其中，轮盘组件的轮盘外缘13外壁表面均匀分布有多个螺旋形隔板14，且每一个螺旋形隔板14的安装角度相同；
每相邻两个螺旋形隔板14之间的间隙形成一条进气流道，每条进气流道由入口端致出口端依次设置有气流压缩段15、喉部隔离段16和三角形出口延伸段17；
其中，气流压缩段15为径向间隙逐渐缩小的压缩气道；喉部隔离段16为径向间隙保持不变的等面积通道；三角形出口延伸段17为径向间隙保持不变，且周向柱面内为三角形的气道；
作为优选结构，气流压缩段15和喉部隔离段16位于相邻两个螺旋形隔板14的重叠区域内。
作为优选结构，轮盘组件包括：套筒19、腹板21和轮毂18；套筒19与中空轴11同步转动装配，轮毂18通过腹板21与套筒19同步转动装配固定；其中，轮盘外缘13为轮毂18周向外壁；其中，腹板21可采用轮辐式结构，如图4所示。
作为优选结构，套筒19和轮毂18轴向两侧边缘为轴向转动密封位12，且密封形式采用篦齿密封或刷式密封。
作为优选结构，气流压缩段15上或喉部隔离段16中设置有附面层泄除装置、附面层吹除或抽吸装置。
作为优选结构，气流压缩段15和喉部隔离段16的总长度小于等于相邻两个螺旋形隔板14重叠的长度。
作为优选结构，螺旋形隔板14与外机匣20之间的间隙控制根据需要采用主动或被动间隙控制技术。
作为优选结构，外机匣20的内壁涂上一层易磨涂层，在螺旋形隔板14顶部附以耐磨材料来控制外机匣20与螺旋形隔板14顶部之间的泄漏损失，在螺旋形隔板14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20之间根据需要留有间隙。
采用上述技术方案的本发明，空气动力学基础原理为，如图3(a)所示：
超燃冲压发动机工作时，其进气流道担负了使高速来流气体减速增压的作用，而该进气流道的主要工作原理是靠飞行器高速飞行时，空气与飞行器保持较高的相对速度，该速度往往几倍于声速，超声速气流进入进气流道后，经过气流压缩段，方向发生折转，从而产生多道斜激波或由等熵压缩使得高速气流减至低超声速，其压强和温度升高，通过喉部隔离段稳定流动后，从进气流道出口排出压缩后的超声速气体，由此气体动能转化为压力势能。通过合理设计进气流道气流压缩段的形状，就能使进气流道保持较好的性能。
如图3(b)所示，基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的中空轴冲压压缩转子的工作原理是：当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13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声速条件，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：
Figure BDA0001064282010000051
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声速条件，此时，当气流经过进气流道中设置的气流压缩段15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喉部隔离段16后，以相对于轮盘超声速流出压缩转子出口，通过合理控制压缩转子出口相对速度在一定的超声速范围内，与轮盘圆周速度合成之后，能使出口绝对速度为亚声速，同时增大出口气流与周向夹角。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：包括，中空轴(11)，与中空轴(11)同步转动装配的轮盘组件和罩置于轮盘组件外部的外机匣(20)；
其中，轮盘组件的轮盘外缘(13)外壁表面均匀分布有多个螺旋形隔板(14)，且每一个螺旋形隔板(14)的安装角度相同；
每相邻两个螺旋形隔板(14)之间的间隙形成一条进气流道，每条进气流道由入口端至出口端依次设置有气流压缩段(15)、喉部隔离段(16)和三角形出口延伸段(17)；
其中，气流压缩段(15)为径向间隙逐渐缩小的压缩气道；喉部隔离段(16)为径向间隙保持不变的等面积通道，以控制压缩转子出口相对速度在超声速范围内；三角形出口延伸段(17)为径向间隙保持不变，且周向柱面内为三角形的气道，以增大出口气流与轴向夹角；所述喉部隔离段(16)中设置有附面层泄除装置或附面层吹除装置。
2.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：所述气流压缩段(15)和喉部隔离段(16)位于相邻两个螺旋形隔板(14)的重叠区域内。
3.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：所述轮盘组件包括：套筒(19)、腹板(21)和轮毂(18)；所述套筒(19)与中空轴(11)同步转动装配，轮毂(18)通过腹板(21)与套筒(19)同步转动装配固定；其中，轮盘外缘(13)为轮毂(18)周向外壁。
4.根据权利要求3所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：套筒(19)和轮毂(18)轴向两侧边缘为轴向转动密封位，且密封形式采用篦齿密封或刷式密封。
5.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：气流压缩段(15)上设置有附面层泄除装置、附面层吹除或抽吸装置。
6.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：所述气流压缩段(15)和喉部隔离段(16)的总长度小于等于相邻两个螺旋形隔板(14)重叠的长度。
7.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：所述螺旋形隔板(14)与外机匣(20)之间的间隙控制根据需要采用主动或被动间隙控制技术。
8.根据权利要求1所述的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子，其特征在于：所述外机匣(20)的内壁涂上一层易磨涂层，在螺旋形隔板(14)顶部附以耐磨材料来控制外机匣(20)与螺旋形隔板(14)顶部之间的泄漏损失，在螺旋形隔板(14)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(20)之间根据需要留有间隙。
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