CN108825380A - 一种高效率涡轴发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率涡轴发动机，属于航空动力系统技术领域，它包括传动轴和在传动轴上沿其轴向依次设置的离心压气机、向心涡轮、排气段以及安装在排气段内的高效回热器；还包括径向扩压器、回型引气导管、回流燃烧室、可调涡轮导向器、空气轴承；其中回型引气导管包围着整个回流燃烧室，通过热交换冷却回流燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁；同时燃烧室机匣内壁辐射的热量被回型引气导管内空气吸收，再者回型引气导管与高效回热器进行热交换，使回型引气导管内部的高压空气被进一步加热。本发明通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，以解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高的技术问题。

Description

一种高效率涡轴发动机
技术领域
本发明属于航空动力系统技术领域，更具体地，涉及一种高效率涡轴发动机。
背景技术
在航空飞行器领域，小型涡轴发动机广泛用于倾转旋翼无人机和垂直起降无人直升机等机型。图1是一个典型的单轴涡轴发动机结构示意图，该图可广泛见于教科书中，如由上海交通大学出版社、朱之丽等主编的《航空燃气涡轮发动机工作原理及性能》一书的第157页就列出了该结构示意图。
传统的涡轴发动机涡轮部件主要由涡轮转子和涡轮静子组成，涡轮转子又由涡轮工作叶片、涡轮盘、涡轮轴及连接零件等组成；涡轮静子由涡轮机匣、导向叶片等零件组成，这就使得涡轮结构极其复杂。涡轴发动机的涡轮部件在高温、高压、高负荷下工作，不仅承受离心力、气动力、热应力及振动载荷，而且还受到燃气严重腐蚀，因此工作条件十分恶劣。受制于涡轮工作条件和涡轮结构，涡轮部件的研制对材料、加工工艺及安装精度要求较高，制造难度较大，从而导致涡轴发动机的加工周期较长，生产成本较高。同时涡轮端的排气温度较高，热能随空气排入大气中，能量利用率不高，致使燃油消耗量大，循环效率偏低。
再者，小型涡轴发动机在工作过程中通常转速较高，其转速可以达到每分钟5万转以上，而传统的涡轴发动机其轴承系统多采用滚子/滚棒轴承，在高转速工作条件下，轴承磨损较为严重，轴承的耐久性较差，导致涡轴发动机的寿命大幅度降低；同时轴承摩擦消耗功较大，进一步降低了整机效率。
在发明专利CN105508081A中公开了一种共轴涡轴发动机结构，该发动机结构通过分别将压气机和燃烧室的排气口与进气口偏转预设角度，使得燃烧室的进气口和压气机的排气口连通形成S形的气流通道。从整体改变了发动机的布局结构以解决发动机整机长度和重量较大的技术问题。但仍未解决轴承寿命短以及涡轮结构复杂等问题，发动机的生产成本仍然较高、循环效率及可靠性较低。
针对传统涡轴发动机存在的以上问题，亟需研发一种新型的高效率涡轴发动机，解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效率涡轴发动机，其目的在于，通过回型引气导管将压气机出口的高压空气引入燃烧室进口，高压空气在流经回型引气导管过程中，不仅冷却燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁，以提高回流燃烧室和向心涡轮的寿命和回型引气导管内的气体温度，同时吸收回流燃烧室机匣内壁辐射的热量，也提高了回型引气导管内的气体温度；再者，回型引气导管与回热器进行热交换时，高压空气被进一步加热，提高了能量利用率，降低了发动机的耗油率；通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，以解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效率涡轴发动机，包括传动轴和在所述传动轴上沿其轴向依次设置的离心压气机、向心涡轮、排气段,其特征在于，还包括安装在所述排气段内的高效回热器，以及沿所述传动轴轴向分别设置在所述离心压气机前方和后方、用于支撑所述传动轴的两个空气轴承；
通过传动轴和空气轴承支撑离心压气机的离心叶轮和向心涡轮高速旋转，空气轴承的摩擦损耗非常小，寿命较长，且无需润滑系统，在提高效率的同时，降低了发动机系统的复杂度。
所述离心压气机的外部安装有离心压气机罩，其与所述离心压气机组合形成密封的流道。
本发明的高效率涡轴发动机还包括：径向扩压器，其进口与所述离心压气机的流道出口连通；回型引气导管，其进口与所述径向扩压器的出口密封连通；回流燃烧室，其进口与所述回型引气导管的出口密封连通；可调涡轮导向器，其进口与所述回流燃烧室的出口密封连通；安装在向心涡轮上部的涡轮罩，二者组合形成密封的流道，该流道进口连通所述可调涡轮导向器的出口，该流道出口连通所述排气段；
所述支撑盘用于隔离所述离心压气机与所述向心涡轮，并固定所述回流燃烧室；
所述回型引气导管开有两个通孔，用于供燃油导管从中穿过，给所述回流燃烧室供油；所述回流燃烧室被所述回型引气导管所包围；所述回型引气导管是一种内壁光滑的流管，其气流通道呈形状，用于将来自所述离心压气机出口的高压空气引入所述回流燃烧室，在此过程中，通过壁面之间的热交换冷却所述回流燃烧室机匣的外壁和所述涡轮罩的外壁，以提高所述回流燃烧室和所述向心涡轮的寿命和所述回型引气导管内的气体温度；同时，所述回流燃烧室机匣内壁辐射的热量被所述回型引气导管吸收，也提高了所述回型引气导管内的气体温度；再者，所述回型引气导管与所述高效回热器进行热交换，利用涡轮排气中的热量对所述回型引气导管内部的高压空气进一步加热；通过上述方式，提高了能量利用率，从而降低了耗油率。
优选地，所述离心压气机通过套齿固定在所述空气轴承的一端，用于将空气压缩，产生高压气体。
优选地，所述离心压气机罩与所述离心压气机之间有运转间隙，离心压气机的叶轮工作时高速旋转，通过该运转间隙防止叶轮旋转时与所述离心压气机罩碰撞或摩擦。
优选地，所述径向扩压器用于形成扩压通道，将所述离心压气机出口空气的动能转换成静压。
优选地，所述回流燃烧室用于将高压空气与燃油混合燃烧，形成高温燃气。
优选地，所述回流燃烧室的进口与出口为共轴结构。
优选地，所述可调涡轮导向器包括叶片，根据不同的运行工况，可以改变所述叶片的角度，以调节气流的进口攻角以及涡轮的做功能力。
优选地，所述向心涡轮由高温合金整体精铸而成，用于将高温高压燃气的能量转换成压气机功和输出轴功。
优选地，所述涡轮罩与所述向心涡轮之间有运行间隙，以防止涡轮旋转时与所述涡轮罩碰撞或摩擦。
本发明提出了一种基于空气轴承的转子支撑系统、离心压气机、回型引气导管、回流燃烧室、向心涡轮以及回热器的新型涡轴发动机，其中回型引气导管包围着回流燃烧室。通过回型引气导管将压气机出口的高压空气引入燃烧室进口，高压空气在流经回型引气导管过程中，不仅冷却燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁，吸收燃烧室机匣内壁辐射的热量，同时通过与回热器进行热交换，使得高压空气被加热，提高了能量利用率，降低了耗油率。通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，以解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高等问题，实现涡轴发动机寿命长、效率高以及成本低等目的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的小型涡轴发动机结构紧凑简单、重量轻、寿命长、效率高以及成本低；采用空气轴承，与滚子轴承和滚珠轴承相比，轴承系统的寿命大幅度延长，同时轴承耗损功减小，有利于提高发动机效率；并且无需润滑系统，减轻了重量和发动机系统的复杂度；采用了回热结构，有效利用了发动机涡轮出口尾气中的热量，大幅降低了耗油率；采用了向心涡轮，简化了涡轮结构，降低了制造成本，缩短了加工周期，从而提高了涡轮部件的维修性和可靠性；
2、通过回型引气导管将回流燃烧室包围，高压空气在流经回型引气导管过程中，通过壁面之间的热交换，在冷却燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁的同时提高了回型引气导管内的气体温度；通过吸收回流燃烧室机匣内壁辐射的热量，也提高了回型引气导管内的气体温度；再者回型引气导管与回热器进行热交换时，高压空气被进一步加热，提高了能量利用率，降低了耗油率；通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，解决了涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高等问题。
附图说明
图1是传统单轴涡轴发动机示意图；
图2是本发明较佳实施例中带回热器的高效率涡轴发动机示意图。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、离心压气机 2、离心压气机罩 3、径向扩压器
4、回型引气导管 5、回流燃烧室 6、可调涡轮导向器
7、向心涡轮 8、高效回热器 9、传动轴
10、空气轴承 11、排气段 12、燃油导管
13、涡轮罩 14、支撑盘
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种高效率涡轴发动机，它包括离心压气机1、离心压气机罩2、径向扩压器3、回型引气导管4、回流燃烧室5、可调涡轮导向器6、向心涡轮7、高效回热器8、传动轴9、两个空气轴承10、排气段11、燃油导管12、涡轮罩13、支撑盘14，其中，
离心压气机1、支撑盘14、向心涡轮7、排气段11沿传动轴9的轴向依次设置，高效回热器8沿传动轴9的轴向设置在排气段11内，其中离心压气机1通过套齿固定在传动轴9的一端，用于将空气压缩，产生高压气体。
两个空气轴承10沿传动轴9轴向分别设置在离心压气机1前方和后方，用于支撑传动轴9。传动轴9和空气轴承10，用于支撑离心压气机1的叶轮和向心涡轮7高速旋转。
在离心压气机1的外部安装离心压气机罩2，离心压气机罩2与离心压气机组合形成封闭的流道。由于离心压气机1的叶轮在工作时高速旋转，为防止叶轮在旋转时与离心压气机罩2碰摩，离心压气机罩2与叶轮之间存在运转间隙。
径向扩压器3由叶片盘和安装盘焊接连接，形成扩压通道，径向扩压器3的进口与离心压气机1的出口相接，用于将离心压气机1出口空气的动能转换成静压。
回型引气导管4是一种内壁光滑的流管，其气流通道呈形状，该形状具体参照图2，它的进口与径向扩压器3的出口密封连接，它的出口与回流燃烧室5的进口密封连接。回流燃烧室5被回型引气导管4所包围，回型引气导管4用于将离心压气机1出口的高压空气引入回流燃烧室5的进口，在此过程中，冷却回流燃烧室5机匣外壁和涡轮罩13外壁，以提高回流燃烧室和向心涡轮的寿命和回型引气导管内气体的温度；同时，回流燃烧室5机匣内壁辐射的热量被回型引气导管4吸收，提高了回型引气导管4内的气体温度；再者，回型引气导管4与高效回热器8进行热交换，利用涡轮排气中的热量对回型引气导管4内部的高压空气进一步加热；通过上述方式，提高了能量利用率，降低了耗油率。回型引气导管4上还开有2个通孔，用于安装燃油导管12，通过燃油导管12给回流燃烧室5供油。
回流燃烧室5由燃烧室机匣、火焰筒、以及燃油油路组成，布置在向心涡轮7的右上方，并且被回型引气导管4所包围。其进口与回型引气导管4的出口密封连接，出口与可调涡轮导向器6的进口密封连接，用于将来自回型引气导管4的高压空气与燃油混合燃烧，形成高温燃气，并输送到可调涡轮导向器6。
可调涡轮导向器6由内环、外环及叶片组成，安装在向心涡轮7的进口。根据不同的运行工况，可以改变导向器叶片的角度，调节气流的进口攻角以及涡轮的做功能力。
向心涡轮7安装在空气轴承10的另一端，它优选地由高温合金整体精铸而成，用于将高温高压燃气的能量转换成压气机功和输出轴功。
向心涡轮7的外部安装涡轮罩13，涡轮罩13与向心涡轮组合形成密封的流道。由于涡轮工作时高速旋转，为防止涡轮在工作过程中与涡轮罩碰摩，涡轮罩13与向心涡轮7之间存在运转间隙。
排气段11沿传动轴9轴向安装在向心涡轮7的右端出口处，用于向心涡轮尾气的排放以及安装回热器8；高效回热器8沿传动轴9轴向安装在排气段11内。
支撑盘14沿传动轴9轴向安装在离心压气机1和向心涡轮7之间，用于隔离离心压气机1和向心涡轮7，并固定回流燃烧室5。
本发明的涡轴发动机，通过离心压气机1、回型引气导管4、回流燃烧室5、向心涡轮7、传动轴9以及空气轴承10等的配合，为直升机以及小型无人机提供动力，具有结构简单、效率高、成本低、结构紧凑的优点，使用和维护方便，并且全寿命周期成本费用低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效率涡轴发动机，包括传动轴(9)和在所述传动轴(9)上沿其轴向从左到右依次设置的离心压气机(1)、支撑盘(14)、向心涡轮(7)、排气段(11)，其特征在于，还包括安装在所述排气段(11)内的高效回热器(8)，以及沿所述传动轴(9)轴向分别设置在所述离心压气机(1)前方和后方、用于支撑所述传动轴(9)的两个空气轴承(10)；
所述离心压气机(1)的外部安装有离心压气机罩(2)，其与所述离心压气机(1)组合形成密封的流道；
还包括：径向扩压器(3)，其进口与所述离心压气机(1)的流道出口连通；回型引气导管(4)，其进口与所述径向扩压器(3)的出口密封连通；回流燃烧室(5)，其进口与所述回型引气导管(4)的出口密封连通；可调涡轮导向器(6)，其进口与所述回流燃烧室(5)的出口密封连通；安装在向心涡轮(7)右部的涡轮罩(13)，二者组合形成密封的流道，该流道进口连通所述可调涡轮导向器(6)的出口，该流道出口连通所述排气段(11)；
所述支撑盘(14)用于隔离所述离心压气机(1)与所述向心涡轮(7)，并固定支撑所述回流燃烧室(5)；
所述回型引气导管(4)开有两个通孔，用于供燃油导管(12)从中穿过，给所述回流燃烧室(5)供油；所述回流燃烧室(5)被所述回型引气导管(4)所包围；所述回型引气导管(4)用于将来自所述离心压气机(1)出口的高压空气引入所述回流燃烧室(5)，在此过程中，通过壁面之间的热交换冷却所述回流燃烧室(5)机匣的外壁和所述涡轮罩(13)的外壁，以提高所述回流燃烧室(5)和所述向心涡轮(7)的寿命，并且提高了所述回型引气导管(4)内的气体温度；同时，所述回流燃烧室(5)机匣内壁辐射的热量被所述回型引气导管(4)吸收，提高了所述回型引气导管(4)内的气体温度；再者，所述回型引气导管(4)与所述高效回热器(8)进行热交换，所述回型引气导管(4)内部的高压空气被进一步加热。
2.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述离心压气机(1)通过套齿固定在所述传动轴(9)的一端，用于将空气压缩，产生高压气体。
3.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述离心压气机罩(2)与所述离心压气机(1)之间有运转间隙，以防止所述离心压气机(1)的叶轮旋转时与所述离心压气机罩(2)碰撞或摩擦。
4.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述径向扩压器(3)用于形成扩压通道，将所述离心压气机(1)出口空气的动能转换成静压。
5.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述回流燃烧室(5)用于将高压空气与燃油混合燃烧，形成高温燃气。
6.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述可调涡轮导向器(6)包括叶片，用于根据不同的运行工况，改变所述叶片的角度，以调节气流的进口攻角以及涡轮的做功能力。
7.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述向心涡轮(7)由高温合金整体精铸而成，用于将高温高压燃气的能量转换成压气机功和输出轴功。
8.如权利要求1所述的一种高效率涡轴发动机，其特征在于，所述涡轮罩(13)与所述向心涡轮(7)之间有运行间隙，以防止涡轮旋转时与所述涡轮罩(13)碰撞或摩擦。
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