CN107131522B - 一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置 - Google Patents

一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，属于燃气涡轮发动机技术领域。本过渡装置的设计考虑了内燃波转子的出口型面、涡轮的入口型面及它们的面积比例，以入口截面开始渐缩的模式确定沿程通道尺寸，采用螺旋基线蜗壳式方案布局，能使气流在流动通道内分布均匀，避免产生气流分离，减小流动损失，同时可以有效缩短内燃波转子发动机的轴向长度。本发明主要用在基于内燃波转子技术的燃气涡轮发动机的内燃波转子与涡轮之间的部件匹配，有效解决内燃波转子的出口型面与涡轮入口型面间过渡的问题，并且能够减少轴向距离，减轻发动机整体重量；同时还可以应用到其他同类的旋转机械过渡区域，实现类似的目的。

Description

一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，属于燃气涡轮发动机技术领域。
背景技术：
内燃波转子发动机是由压气机、内燃波转子和涡轮三大部件组成，内燃波转子取代了传统燃烧室，即波转子和燃烧室集合成一体，燃料的燃烧在波转子通道内完成。内燃波转子是由一系列围绕轴旋转的面积固定的通道组成，像一个圆柱形的鼓筒转子。当内燃波转子高速旋转时，单通道燃烧室周期性地暴露于两侧静止端板上的进排气端口中，于是在燃烧室内部产生了激波、压缩波、膨胀波以及接触间断相互作用形成的复杂波系，复杂波系的作用实现了能量快速交换，两侧端板上的端口控制燃烧室的进排气流动过程。内燃波转子作为一种基于非定常燃烧的增压燃烧装置，可以在没有增加涡轮前端温度的情况下，通过增加进口压力来提高涡轮的输出功率。由于内燃波转子具有优异的性能，吸引了许多的团队进行研究。专利"Constant Volume Combustor Having a Rotating Wave Rotor"，专利号：US8117828B2，提出了一种利用脉冲爆震原理和波转子技术的压力波装置，该装置主要包括进排气端口和具有多个通道的波转子，在进口处和出口处均具有一对端口，其中进排气口处均有一个端口用于缓冲气的进出，该装置的特点在于可以旋转波转子形成内燃波转子发动机，同时也可以固定波转子，而通过定位销将开有端口的端盖与转轴连接形成旋转阀式非定常燃烧装置。专利"Partitioned multi-channel combustor"，专利号：US6526936B2，将波转子进口端口同时沿周向和径向进行分割，可以更精确地控制波转子通道内的油气分布。
当内燃波转子在旋转时，通道将接连暴露在排气端口向涡轮排气，排出的气流并不够均匀，而在同时其余未排气的通道需要保持密封，这就需要根据出口型面重新设计过渡装置，对气流流场进行组织。对于合理组织的过渡装置，能够在不漏气的前提下，将在波转子排出的不均匀气流，通过通道内流动使气流在涡轮入口处均匀分布；同时过渡装置的轴向距离不应过长，这样可以有效的减小整机的体积，减轻整机质量。
为了解决上述问题，本发明提出了内燃波转子与涡轮部件连接的方案。该方案在兼顾内燃波转子出口形状同时，采用蜗壳型布局有效的减少了发动机的轴向距离，保持较低的气流损失。
发明内容：
基于应用内燃波转子的发动机与应用传统燃烧室的发动机相比所具有的特点，本发明提出一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，用于解决内燃波转子发动机部件连接的技术问题。
本发明所采用的技术方案有：一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，位于内燃波转子的出口与涡轮入口之间，包括过渡装置本体、过渡装置进口法兰、过渡装置进口直段、过渡装置出口法兰以及过渡装置出口直段，所述过渡装置本体的进口、出口为半圆环形，出口通过过渡装置出口直段变为圆环形，过渡装置前端与内燃波转子连接，后端与涡轮连接。
进一步地，内燃波转子出口处焊接有波转子出口法兰，涡轮入口处焊接有涡轮进口法兰，所述过渡装置进口直段焊接过渡装置进口法兰，过渡装置进口法兰与波转子出口法兰连接，所述过渡装置出口直段焊接过渡装置出口法兰，过渡装置出口法兰与涡轮进口法兰连接。
进一步地，所述过渡装置出口直段存在与过渡装置出口直段进口半圆环面成α角的斜坡，该斜坡后面的直段长度大于过渡装置出口法兰的厚度。
进一步地，所述过渡装置进口法兰与波转子出口法兰之间、过渡装置出口法兰与涡轮进口法兰之间设有垫片。
进一步地，取过渡装置本体进口处的半圆环中径与其对称轴的交点为半圆环中点，平行于进口的任一截面中点所处的空间位置由中点的特征函数f1确定，旋转角度θ由线性特征函数f2确定，该点的曲率半径r由特征函数f3确定，该点截面的面积S由特征函数f4确定
Figure BDA0001320277200000021
f2:θ＝360°*t
Figure BDA0001320277200000031
f4：S＝2πr2+πr{(R12-R11)-[(R12-R11)-(R22-R21)]*t}
上式中，t为自变量，其取值范围为(0，1)，定义为截面中心Z坐标除以过渡装置本体(3)在Z方向上长度得到的无量纲数；
上式中，p为所选取的螺旋线的螺距，n为选取的螺旋线的圈数，rin、rout为螺旋线入口与出口截面半径；
上式中，R为进口半圆环与出口半圆环的半径，R的下标第一个数字表示进出口，1代表进口，2代表出口，下标的第二个数字1表示内圆，2表示外圆；
坐标系为：Z方向与内燃波转子中心轴线重合，Z方向的0点位置在过渡装置本体半圆环形的进口截面位置，X方向为内燃波转子的径向方向，根据右手法则建立笛卡尔坐标系，确定Y方向。
进一步地，所述过渡装置本体在Z方向上总长度在80-200mm之间。
本发明具有如下有益效果：
1.解决了内燃波转子与传统燃烧室因为结构不相同而导致的传统过渡装置结构不适用于波转子的问题；
2.采用蜗壳式通道方案，能够在轴向上缩短波转子与涡轮之间的长度，并且保持气流损失在一定范围内。
附图说明：
图1为过渡装置整体结构示意图。
图2为完整波转子、过渡装置与涡轮连接示意图。
图3为过渡装置本体示意图。
图4为过渡装置进口法兰与过渡装置进口直段示意图。
图5为过渡装置出口法兰与过渡装置出口直段示意图。
图6为过渡装置参数示意图
图中：
1-过渡装置进口法兰，2-过渡装置进口直段，3-过渡装置本体，4-过渡装置出口法兰，5-过渡装置出口直段，6-涡轮转子，7-涡轮轴，8-涡轮静子，9-涡轮进口法兰，10-内燃波转子，11-波转子出口直段，12-波转子出口法兰，13-涡轮。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置位于内燃波转子10的出口与涡轮13入口之间。
本发明用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置包括过渡装置本体3、过渡装置进口法兰1、过渡装置进口直段2、过渡装置出口法兰4以及过渡装置出口直段5，过渡装置本体3的进口、出口为半圆环形，出口通过过渡装置出口直段5变为圆环形，过渡装置前端与内燃波转子10连接，后端与涡轮13连接。过渡装置进口直段2焊接过渡装置进口法兰1，过渡装置进口法兰1与波转子出口法兰12连接。过渡装置出口直段5焊接过渡装置出口法兰4，过渡装置出口法兰4与涡轮进口法兰9连接。
过渡装置出口直段5存在与过渡装置出口直段5进口半圆环面成α角的斜坡，该斜坡后面的直段长度满足大于过渡装置出口法兰4的厚度要求。
过渡装置本体3在涡轮13的入口处与内燃波转子10的出口处均采用焊接的方法固定过渡装置进口直段2、过渡装置出口直段5，并且焊接要均匀，防止漏气的情况出现。
过渡装置进口直段2、过渡装置出口直段5应与过渡装置围绕的中心轴线相平行，并且过渡装置进口直段2的末端应与过渡装置本体3半圆环形进口起始位置重合，过渡装置出口直段5的始端应与过渡装置本体3半圆环形出口末端位置重合。
过渡装置进口法兰1、过渡装置出口法兰4采用焊接方式焊接到过渡装置进口直段2、过渡装置出口直段5上，过渡装置进口法兰1、过渡装置出口法兰4安装方向矢量应与该处直段的轴线方向相重合，并且过渡装置进口法兰1、过渡装置出口法兰4应沿着过渡装置进口直段2、过渡装置出口直段5的方向套进直段，与过渡装置进口直段2、过渡装置出口直段5焊接在一起，要避免焊接存在缝隙从而导致漏气。
安装过渡装置时，应将过渡装置进口法兰1与波转子出口法兰12以孔对孔的方式对齐，以螺栓连接。连接完成后将涡轮13的涡轮轴7从过渡装置中间穿过，与内燃波转子10的轴联在一起(图2中未完全画出)，随后用螺栓连接涡轮进口法兰9与过渡装置出口法兰4。为了防止漏气问题出现，还可以在过渡装置进口法兰1与波转子出口法兰12、过渡装置出口法兰4与涡轮进口法兰9之间添加垫片。
取过渡装置本体3进口处的半圆环中径与其对称轴的交点为半圆环中点，平行于进口的任一截面中点所处的空间位置由中点的特征函数f1确定，旋转角度θ由线性特征函数f2确定，该点的曲率半径r由特征函数f3确定，该点截面的面积S由特征函数f4确定。
Figure BDA0001320277200000051
f2:θ＝360°*t
Figure BDA0001320277200000052
f4：S＝2πr2+πr{(R12-R11)-[(R12-R11)-(R22-R21)]*t}
上式中，t为自变量，其取值范围为(0，1)，定义为截面中心Z坐标除以过渡装置本体3在Z方向上长度得到的无量纲数。
上式中，p为所选取的螺旋线的螺距，n为选取的螺旋线的圈数，rin、rout为螺旋线入口与出口截面半径。
上式中，R为进口半圆环与出口半圆环的半径，R的下标第一个数字表示进出口，1代表进口，2代表出口；下标的第二个数字1表示内圆，2表示外圆。
坐标系为：Z方向与内燃波转子10中心轴线重合，Z方向的0点位置在过渡装置3半圆环形的进口截面位置，X方向为内燃波转子10的径向方向，根据右手法则建立笛卡尔坐标系，确定Y方向。
其中过渡装置本体3在Z方向上总长度在80-200mm之间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，位于内燃波转子(10)的出口与涡轮(13)入口之间，其特征在于：包括过渡装置本体(3)、过渡装置进口法兰(1)、过渡装置进口直段(2)、过渡装置出口法兰(4)以及过渡装置出口直段(5)，所述过渡装置本体(3)的进口、出口为半圆环形，出口通过过渡装置出口直段(5)变为圆环形，过渡装置前端与内燃波转子(10)连接，后端与涡轮(13)连接，
取过渡装置本体(3)进口处的半圆环中径与其对称轴的交点为半圆环中点，平行于进口的任一截面中点所处的空间位置由中点的特征函数f1确定，旋转角度θ由线性特征函数f2确定，该点的曲率半径r由特征函数f3确定，该点截面的面积S由特征函数f4确定
f1:
Figure FDA0004181130730000011
f2:θ＝360°*t
f3：
Figure FDA0004181130730000012
f4：S＝2πr2+πr{(R12-R11)-[(R12-R11)-(R22-R21)]*t}
上式中，t为自变量，其取值范围为(0，1)，定义为截面中心Z坐标除以过渡装置本体(3)在Z方向上长度得到的无量纲数；
上式中，p为所选取的螺旋线的螺距，n为选取的螺旋线的圈数，rin、rout为螺旋线入口与出口截面半径；
上式中，R为进口半圆环与出口半圆环的半径，R的下标第一个数字表示进出口，1代表进口，2代表出口，下标的第二个数字1表示内圆，2表示外圆；
坐标系为：Z方向与内燃波转子(10)中心轴线重合，Z方向的0点位置在过渡装置本体(3)半圆环形的进口截面位置，X方向为内燃波转子(10)的径向方向，根据右手法则建立笛卡尔坐标系，确定Y方向；
所述过渡装置出口直段(5)存在与过渡装置出口直段(5)进口半圆环面成α角的斜坡，该斜坡后面的直段长度大于过渡装置出口法兰(4)的厚度。
2.如权利要求1所述的用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，其特征在于：内燃波转子(10)出口处焊接有波转子出口法兰(12)，涡轮(13)入口处焊接有涡轮进口法兰(9)，所述过渡装置进口直段(2)焊接过渡装置进口法兰(1)，过渡装置进口法兰(1)与波转子出口法兰(12)连接，所述过渡装置出口直段(5)焊接过渡装置出口法兰(4)，过渡装置出口法兰(4)与涡轮进口法兰(9)连接。
3.如权利要求2所述的用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，其特征在于：所述过渡装置进口法兰(1)与波转子出口法兰(12)之间、过渡装置出口法兰(4)与涡轮进口法兰(9)之间设有垫片。
4.如权利要求1所述的用于内燃波转子和涡轮间的蜗壳式短距过渡装置，其特征在于：所述过渡装置本体(3)在Z方向上总长度在80-200mm之间。
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