CN107605602A - 一种变结构涡轴发动机进气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轴发动机进气系统。该进气系统包括中心体组件、劈尖组件和机匣组件。通过在中心体组件中嵌入一柔性可变形的环形气室，同时设计一个可轴向移动的劈尖，根据发动机工作环境及工作状态对气室的型面以及劈尖的轴向位置进行调节。当直升机工作于尘砂等不洁净空气环境时，通过增加气室高度，劈尖位置前移，使该进气系统处于高尘砂分离效率模式；当直升机处于巡航状态时，降低气室高度，并将劈尖位置后移，使该进气系统工作于高气动效率模式。通过本发明有效解决了传统定几何进气系统无法兼顾低空高效排砂和巡航高气动性能的问题。
Description
本发明专利申请为分案申请。原申请的发明创造名称为：一种涡轴发动机进气装置及操作方法；申请日为：2016年11月09日；申请号为201610985841.1。
技术领域
本发明涉及航空发动机设计领域，尤其是涡轴发动机进气系统。
背景技术
我国是世界上沙漠面积最大的国家之一，沙漠呈一条弧形带绵亘于西北、华北和东北的土地上，这一弧形沙漠带南北宽600km，东西长4000km，再加上藏北高原的荒漠地区，沙漠面积达149万平方公里，占国土面积的15.5％。由于直升机起降便捷，对机场环境要求相对较低，而且可以空中悬停，特别适合上述环境中军民用救援、补给、灭火等工作，然而沙漠化地区的尘砂环境对直升机及其动力系统(涡轴发动机)的工作效率和使用寿命均带来了极大的危害。吸入的尘砂撞击高速旋转的发动机工作叶片，大颗粒的砂石甚至可以直接打坏叶片，小颗粒的尘砂则会对叶片的型面形成磨蚀，使压气机效率降低。更为严重的是，尘砂会堵塞涡轮工作叶片中细小的冷却通道，使涡轮叶片超温甚至烧毁。一部分尘砂还会在涡轮轴的内表面沉积，使发动机振动值突增。越战期间，美国CH-54直升机在发动机入口加装简易的过滤网之后，其发动机平均翻修寿命由原来的80h提升到800h。为此，改善发动机进气系统排除异物的能力对涡轴发动机的寿命有着极为显著的积极影响，必须在我国的新一代涡轴发动机上采用。
早期的工程实践中，广泛采用阻拦式过滤网作为进气系统中防砂防尘的手段，但是随着时间的推移，粘附在过滤网上的尘砂和外来物越积越多，发动机入口很容易被这些外来物堵塞，使得气流很难被吸入发动机，流动阻力也显著增加，因此过滤器需要经常进行清洗和维护，消耗的人力物力很大。后来，美国波音公司在其研制的T700发动机中创新性地设计了一种新型的进气装置，通过将流道弯曲，利用砂粒惯性大的原理将砂粒甩出流道。这种除砂的方法压力损失较小，可以连续排除尘砂，维护成本也很低。但由于其几何固定，目前仍只能在多种功能(进气、排砂)、不同工况(起飞、巡航)之间寻取折中，难以实现全工作包线的性能最优化。如果采用变结构进气装置，根据工作环境和发动机工况对进气系统的流道型面进行调节，切换至对应的工作模式，即可实现发动机的性能始终处于较优状态。波音公司提出了一种变结构涡轴发动机进气系统的设计概念，在中心体的鼓包处通过记忆合金和蜗杆来实现鼓包的变形，从而适应不同的工作环境。这种想法构思巧妙，但是实现的难度却很大，蜗杆装置的安装给系统结构增添了很大的复杂性，同时存在周向不均匀性和密封问题，而且目前记忆合金的研究仍然没有达到要求的水平，因此，这个设想的工程应用难度极大。
因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种涡轴发动机进气装置。能够兼顾排出尘砂能力及进气性能，使该进气系统始终处于高效运行状态。
为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种涡轴发动机进气装置，包括中心体组件、劈尖组件以及机匣组件；所述中心体组件包括环形气室、自环形气室向前延伸的中心体前段、自环形气室向后延伸的中心体后段；所述机匣组件包括围绕中心体组件的外筒及位于外筒前沿的唇口段；所述劈尖组件包括围绕中心体后段设置的劈尖内筒、围绕劈尖内筒的劈尖外筒、位于劈尖内筒及劈尖外筒之间的劈尖、驱动劈尖向环形气室方向前进或者后退远离环形气室的驱动装置；所述环形气室的直径大于中心体前段及中心体后段的直径；所述中心体组件与外筒之间形成第一流道；所述劈尖组件与中心体后段之间形成与第一流道连通的第二流道。
有益效果：
相对于现有技术，本发明涡轴发动机进气装置加入了可变形的环形气室和可轴向移动的劈尖组件。通过对气室进行充放气调整柔性外壳的高度，通过作动机构调节可移动舌形劈尖的轴向位置，从而使此进气系统的流道匹配当地工作环境。当飞行器，如直升机工作于不洁净含尘砂的环境时，通过增加环形气室的高度，并驱动舌形劈尖前移，使第一流道、第二流道内的弯曲程度变大且弯曲的部分增多，利用砂粒惯性大的原理将砂粒甩出流道；当直升机在清洁跑道起降及高速巡航时，减小柔性外壳高度，并驱动舌形劈尖位置后移，使第一流道、第二流道内的弯曲程度变小、弯曲部分变少而形成通畅的流道环境，以提高该进气装置的气动效率。
本发明还提供了上述涡轴发动机进气装置的操作方法的技术方案，具体为：
包括尘砂分离效率模式及高气动效率模式；
当该涡轴发动机进气装置处于尘砂分离效率模式时，劈尖向环形气室方向前进使劈尖与环形气室之间的第二流道部分变窄；并且环形气室充气并向外膨胀，使环形气室与外壳之间的第一流道部分变窄；
当该涡轴发动机进气装置处于高气动效率模式时，劈尖后退远离环形气室使劈尖与环形气室之间的第二流道部分变宽；并且环形气室放气并向内收缩，使环形气室与外壳之间的第一流道部分变宽。
而进一步的，本发明提供的涡轴发动机进气装置还可采用以下技术方案：
一种变结构涡轴发动机进气系统，包括中心体组件、劈尖组件以及机匣组件；
所述中心体组件包括环形气室、自环形气室向前延伸的中心体前段、自环形气室向后延伸的中心体后段；所述机匣组件包括围绕中心体组件的外筒；所述劈尖组件包括劈尖、驱动劈尖向环形气室方向前进或者后退远离环形气室的驱动装置；所述环形气室的直径大于中心体前段及中心体后段的直径；所述中心体组件与外筒之间形成第一流道，该第一流道包括在中心体前段与外筒之间形成的第一流道前部分、环形气室与外筒之间形成的第一流道中部分；所述劈尖组件与中心体后段之间形成与第一流道连通的第二流道；所述第一流道前部分的与第一流道中部分之间形成弯曲段，且第一流道中部分同样是弯曲的并连通至第二流道；所述第二流道的前部分形成喇叭口形且第二流道后部分形成筒形。
该第二种技术方案的涡轴发动机进气系统解决的技术问题及实现的有益效果与第一中技术方案相同，同样是通过增加环形气室的高度，并驱动舌形劈尖前移，使第一流道、第二流道内的弯曲程度变大且弯曲的部分增多，利用砂粒惯性大的原理将砂粒甩出流道；当直升机在清洁跑道起降及高速巡航时，减小柔性外壳高度，并驱动舌形劈尖位置后移，使第一流道、第二流道内的弯曲程度变小、弯曲部分变少而形成通畅的流道环境，以提高该进气装置的气动效率。
附图说明
图1是本发明中涡轴发动机进气装置的剖视示意图。
图2是环形气室剖视以及充放气装置示意图。
图3是劈尖组件封严装置及工作原理剖视示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明公开了一种涡轴发动机进气装置，包括中心体组件、劈尖组件以及机匣组件。机匣组件作为整体进气装置的外壳，包括围绕中心体组件的外筒13及位于外筒13前沿的双纽线唇口段12。所述中心体组件包括前整流罩1、环形气室3、自环形气室向前延伸的中心体前段4、自环形气室向后延伸的中心体后段5、连接并固定外筒13与中心体前段4的前支撑段2、、连接并固定外筒13与中心体后段5的后支撑段6、压力监测器7。其中，环形气室3采用整体式构架，以金属结构为框架，利用中心体前段4和中心体后段5对环形气室3进行定心定位。所述劈尖组件包括劈尖内筒8、劈尖外筒9、可前后移动的劈尖10、驱动劈尖10向环形气室3方向前进或者后退远离环形气室3的驱动装置11。所述驱动装置11可采用液压传动装置或者直线步进电机等。所述驱动装置11中包括位置反馈装置、限位器等。所述位置反馈装置可以实时反馈劈尖10的轴向位置，所述限位器是限制劈尖10轴向最大位移的限位装置，以防劈尖10轴向位移过大导致发动机流量过小或过大。其中，再如图1中所示，所述环形气室3的直径大于中心体前段4及中心体后段5的直径。所述中心体组件与外筒之间形成第一流道31，该第一流道31包括在中心体前段4与外筒13之间形成的第一流道前部分、环形气室3与外筒13之间形成的第一流道中部分。所述劈尖组件与中心体后段5之间形成与第一流道31连通的第二流道32。由于所述环形气室3的直径大于中心体前段4，所述第一流道前部分的与第一流道中部分之间形成弯曲段，且再由于环形气室3的直径大于中心体后段5的直径，第一流道中部分同样是弯曲的并连通至第二流道32；所述第二流道32的前部分形成喇叭口形且第二流道32后部分形成筒形。
所述劈尖10的前端始终伸出于劈尖内筒8，并在第一位置及第二位置之间往复运动，当劈尖10位于第一位置时，劈尖位于原位，即收容在劈尖内筒8及劈尖外筒9之间且无法再向后移动的位置；劈尖10位于第二位置时，劈尖10在驱动装置11向前的推动下向前移动至靠近环形气室3的位置。而进一步的结构细节为，劈尖10的下表面为向外凸出的弧面，且劈尖内筒8的内表面也为弧面，而当劈尖10位于第一位置时，劈尖的下表面与劈尖内筒的内表面形成连贯的弧面；这样的设计使得当需要提高该进气装置的气动效率而使劈尖10位于第一位置时，劈尖的下表面与劈尖内筒的内表面形成连贯的弧面使整个第二流道中的型面连贯简单阻碍小，有利于实现更加流畅的流道型面而提高气动效率。该劈尖10的移动及环形气室的膨胀或收缩对整体流道变化产生的影响是，劈尖10向环形气室3方向前进使劈尖10与环形气室3之间的第二流道部分变窄；并且环形气室3充气并向外膨胀，使环形气室3与外壳13之间的第一流道部分变窄；劈尖10后退远离环形气室3使劈尖10与环形气室3之间的第二流道部分变宽；并且环形气室3放气并向内收缩，使环形气室3与外壳13之间的第一流道部分变宽。
请再结合图2所示，所述环形气室包括环形金属框架14、包裹在金属框架14外侧的可变形柔性外壳15及连接可变形柔性外壳15并对可变形柔性外壳15充放气的充放气装置18。所述可变形柔性外壳15以特种橡胶作为基体，内部嵌入芳纶纤维或金属丝材料，通过调节气压，可改变可变形柔性外壳15的变形量。其中，未充气时，可变形柔性外壳15紧紧包裹在环形金属框架14上。所述外筒在可变形柔性外壳15外侧的部分向外凸起，外筒与外筒可变形柔性外壳15之间的第一流道部分为弯曲的，这样在可变形柔性外壳15充气膨胀后在该弯曲的部分能够明显改变流道形状。所述环形金属框架14上每90°方向开有一通气孔16，在相对应的位置上，可变形柔性外壳15都开有一充气嘴，通过五通导管17与充放气系统18相连，五通导管17上设置一阀门19对充气量进行控制。当充(放)气系统18进行工作时，打开阀门19，四个气嘴同时对可变形柔性外壳15进行充(放)气，使充放气过程快速有效地进行，并能最大限度地保证周向均匀变形。所述充放气系统18采用三通导管20分别连接抽气机与压气机，在三通导管上分别设置压气机阀门21和抽气机阀门22。充气时，关闭抽气机阀门22，打开压气机阀门21和五通导管阀门19；放气时，关闭压气机阀门21，打开抽气机阀门22和五通导管阀门19。为了避免流道中气动载荷变化对柔性外壳变形特性的干扰，所采用的气室充气压强较高，一般应在3个大气压以上。
而进一步的，所述可变形柔性外壳5上设有与气压对应的标定，不同的标定分别对应不同的可变形柔性外壳的气压值。在发动机空中实际工作时，通过测量压力监测点7的压力，和上述标定的数据进行比对，能够得到可变形柔性外壳5的实际变形量。
请参阅图3所示，为劈尖组件封严装置及工作原理的剖视示意图。所述劈尖10在与劈尖内筒8和劈尖外筒9的接触面上开有一环形沟槽，沟槽内镶嵌密封气圈23，密封气圈23通过导管24与充放气装置26相连，充放气装置26结构与充放气装置18相同。为了对气圈内的压力进行控制，在导管24上设置一阀门25。当驱动装置驱动劈尖10运动时，打开阀门25，利用充放气系统26对密封气圈23放气；当劈尖10运动到指定位置之后，利用充放气系统26对密封气圈23充气，使密封气圈膨胀到最大形变状态，从而起到密封效果，此时，关闭阀门25，即可完成密封。
本实施方式的涡轴发动机进气装置适用于飞行器，尤其是直升机中。当具体使用在飞行器中时，可以提供的一种操作方法为：
包括尘砂分离效率模式及高气动效率模式；当直升机工作于不洁净含尘砂的环境时需要采用尘砂分离效率模式；当直升机在清洁跑道起降及高速巡航时需要采用高气动效率模式。
当该涡轴发动机进气装置处于尘砂分离效率模式时，劈尖10向环形气室3方向前进使劈尖10与环形气室3之间的第二流道32部分变窄；并且环形气室3充气并向外膨胀，使环形气室3与外壳13之间的第一流道31部分变窄。这样可以使第一流道31、第二流道32内的弯曲程度变大且弯曲的部分增多，利用砂粒惯性大的原理将砂粒甩出流道。
当该涡轴发动机进气装置处于高气动效率模式时，劈尖10后退远离环形气室3使劈尖10与环形气室3之间的第二流道32部分变宽；并且环形气室3放气并向内收缩，使环形气室3与外壳13之间的第一流道31部分变宽。这样可以使第一流道31、第二流道32内的弯曲程度变小、弯曲部分变少而形成通畅的流道环境，以提高该进气装置的气动效率。
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种变结构涡轴发动机进气系统，其特征在于：包括中心体组件、劈尖组件以及机匣组件；
所述中心体组件包括环形气室(3)、自环形气室(3)向前延伸的中心体前段(4)、自环形气室(3)向后延伸的中心体后段(5)；
所述机匣组件包括围绕中心体组件的外筒(13)；
所述劈尖组件包括劈尖(10)、驱动劈尖(10)向环形气室(3)方向前进或者后退远离环形气室的驱动装置(11)；
所述环形气室(3)的直径大于中心体前段(4)及中心体后段(5)的直径；所述中心体组件与外筒(13)之间形成第一流道(31)，该第一流道(31)包括在中心体前段(4)与外筒(13)之间形成的第一流道前部分、环形气室(3)与外筒(13)之间形成的第一流道中部分；所述劈尖组件与中心体后段(5)之间形成与第一流道连通的第二流道(32)；所述第一流道前部分的与第一流道中部分之间形成弯曲段，且第一流道中部分同样是弯曲的并连通至第二流道(32)；所述第二流道的前部分形成喇叭口形且第二流道后部分形成筒形。
2.根据权利要求1所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：劈尖(10)向环形气室(3)方向前进使劈尖(10)与环形气室(3)之间的第二流道部分变窄；并且环形气室(3)充气并向外膨胀，使环形气室(3)与外壳(13)之间的第一流道部分变窄；劈尖(10)后退远离环形气室(3)使劈尖(10)与环形气室(3)之间的第二流道部分变宽；并且环形气室(3)放气并向内收缩，使环形气室(3)与外壳(13)之间的第一流道部分变宽。
3.根据权利要求2所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：所述劈尖(10)的前端始终伸出于劈尖内筒(8)，并在第一位置及第二位置之间往复运动，当劈尖(10)位于第一位置时，劈尖(10)位于原位；劈尖(10)位于第二位置时，劈尖(10)在驱动装置(11)向前的推动下向前移动至靠近环形气室(3)的位置；劈尖(10)的下表面为向外凸出的弧面，且劈尖内筒(8)的内表面也为弧面，而当劈尖位(10)于第一位置时，劈尖(10)的下表面与劈尖内筒(8)的内表面形成连贯的弧面。
4.根据权利要求3所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：所述劈尖组件还包括围绕在劈尖(10)外围的密封气圈(23)、连接密封气圈(23)的导管(24)以及连接导管(24)的充放气装置(26)；所述密封气圈(23)的上端抵靠劈尖外筒(9)，密封气圈(23)的下端抵靠劈尖内筒(8)；密封气圈(23)充气后同时与劈尖内筒(8)、劈尖外筒(9)形成密封。
5.根据权利要求4所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：所述环形气室包括环形金属框架(14)、包裹在金属框架(14)外侧的可变形柔性外壳(15)及连接可变形柔性外壳(15)并对可变形柔性外壳充放气的充放气装置(18)。
6.根据权利要求5所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：所述环形金属框架(14)上每90°方向开有一通气孔(16)，在每一个气孔的位置上可变形柔性外壳(15)对应开有一充气嘴，通过五通导管(17)与充放气装置(18)相连。
7.根据权利要求6所述的涡轴发动机进气系统，其特征在于：所述外筒(13)在可变形柔性外壳(15)外侧的部分向外凸起，外筒(13)与可变形柔性外壳(15)之间的第一流道部分为弯曲的。
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