CN108894833B - 一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器，该压气机包括：机匣，呈筒状，内壁与外壁之间具有冷却通道；轮毂，位于机匣内部；多个静叶片，位于机匣与轮毂之间，每个静叶片均沿机匣与轮毂的径向截面分布，多个静叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，静叶片的根部与机匣连接，端部靠近轮毂并与轮毂之间具有间隙；每个静叶片内部具有与冷却通道连通的冷却空间；多个动叶片，位于机匣与轮毂之间，每个动叶片均沿机匣与轮毂的径向截面分布，多个动叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，动叶片的根部与轮毂连接，端部靠近机匣并与机匣之间具有间隙，动叶片与静叶片交叠布置。该方案解决了冷却结构复杂、压力损失较大的问题，在压气过程中降温，互不影响。

Description

一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器技术领域，尤其是一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器。

背景技术

高超声速飞行器对推进系统的性能要求很高，因此动力装置是发展高超声速飞行器的关键。由发动机原理的可知，发动机的单位推力随压气机压比的提高而增大，较高的单位推力易于实现更高的飞行速度。在飞行马赫数小于3的条件下，压气机压缩空气导致的气流温度上升在合理的范围内，压气机能保证在此条件下正常工作；当飞行马赫数>3时，由于压气机进出口温度的急速上升，如当飞行马赫数为5 时，压气机进口空气滞止温度达到1200 K左右，这造成了发动机性能急剧恶化，可靠性降低，成为了限制飞行器速度提高的瓶颈。由此可见，传统类型的涡轮发动机已难以满足高超声速飞行的动力需求。

为弥补这一缺陷，一种带预冷概念的发动机在近年来被广泛研究。它是在传统发动机前增添预冷装置，预先冷却压气机进口空气，从而提高进气密度以增大进气质量流量，进而增大推力，提高发动机输出功率和效率，扩展飞行包线，满足高超声速飞行的动力要求。国外研制了一系列带预冷装置的组合动力系统，如日本研制的吸气式涡轮冲压膨胀循环(ATREX)发动机，美国的射流冷却发动机(MIPCC)，及英国的吸气火箭发动机(SABRE)等。由于预冷器结构相对复杂且技术成熟度较低，目前各国都在对轻质、高效的紧凑型预冷器进行大量研究。但是，还没有研究单位或者机构提出一种能同时进行空气压缩与换热冷却耦合的压气机。

由前述所知，现有的冷却方案是在传统的发动机前增添冷却装置，这种方案主要有以下问题：一方面是预冷器结构相对复杂且成熟度较低，各国都在进行轻质、高效紧凑型预冷器进行研究，研制周期漫长；另一方面预冷器的添加会导致发动机比冲降低、发动机结构复杂化、发动机轴线长度增加、发动机进气畸变及压力损失等一系列问题。

发明内容

本发明提供一种耦合换热式压气机及高超声速飞行器，用于克服现有技术中冷却结构复杂，且导致发动机压力损失较大等缺陷，通过对压气机进行改进来降低来流温度，提高进气密度，提高发动机输出功率和效率；无需在发动机前增加冷却结构，降低了总压损失。

为实现上述目的，本发明提出一种耦合换热式压气机，包括：

机匣，呈筒状，内壁与外壁之间具有供冷却介质流动的通道；

轮毂，位于所述机匣内部；

多个静叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个静叶片均沿所述机匣与轮毂的径向截面分布，多个所述静叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述静叶片的根部与机匣连接，端部靠近所述轮毂并与所述轮毂之间具有间隙；每个所述静叶片内部具有与所述机匣的通道连通的空间；

多个动叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个动叶片均沿所述机匣与轮毂的径向截面分布，多个所述动叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述动叶片的根部与所述轮毂连接，端部靠近所述机匣并与所述机匣之间具有间隙，所述动叶片与所述静叶片交叠布置。

为实现本发明目的，本发明还提供一种高超声速飞行器，包括发动机和上述的耦合换热式压气机；

所述耦合换热式压气机的机匣的冷却通道连接所述发动机的冷却通道共同形成供冷却介质循环流通的通道。

本发明提供的耦合换热式气压机及高超声速飞行器，轮毂在涡轮轴的带动下转动，动叶片随轮毂转动将气流从机匣入口压入内部，在流经动叶片、静叶片期间，旋转的动叶片对流过的气体做功，气流获得压气机动叶片对其输入的机械功或轮缘功，在提高压力（包括总压和静压）的同时，动能也会增加，经动叶片出口的高温气流经过静叶片表面的换热微元（静叶片内部的冷却空间经机匣的冷却通道供入循环流动的冷却介质）冷却，带走高温气体的热量，使得气流温度降低，气体沿着叶片通道逐渐减速并冷却，压力上升，并且流动方向改变，密度增大，从而增加质量流量，提高压气机效率，克服传统发动机在同等工况下由于气流温度急剧上升而导致压气机压缩性能急剧恶化的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为发明实施例一提供的耦合换热式压气机的主视图；

图2为图1中机匣及静叶的局部轴向剖视图；

图3为压气机的静叶片的布置结构示意图；

图4为形成弧线形换热微通道的静叶片表面的结构示意图；

图5为形成波浪线形换热微通道的静叶片的结构示意图；

图6为实施例一提供的耦合换热式压气机子午流道示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种耦合换热式压气机及飞行器。

实施例一

请参照图1，本发明提供一种耦合换热式压气机，包括机匣1、轮毂2、多个静叶片3、多个动叶片4，其中：

机匣1呈筒状，机匣的内壁1a与机匣的外壁1b之间具有供冷却介质流动的冷却通道11；冷却通道11的作用在于通入冷却介质（例如液态氮或液态氦等，为了减轻重量，用在飞行器上通常采用液氦），冷却通道11的作用在于为静叶片3内部提供流动的冷却介质，在气流流经静叶片3时对气流进行降温；机匣1采用双层结构，内部便于安装或加工冷却通道11；

轮毂2位于所述机匣1内部，圆筒状；穿设于涡轮主轴10上，并随涡轮主轴一起转动；轮毂2的作用在带动动叶片4转动，同时为动叶片4提供支撑，轮毂2安装于涡轮主轴10上，并与涡轮主轴10传动连接，涡轮主轴10通过轴承座及轴承等转动部件支撑在机匣1上；轮毂2和机匣1的作用在于安装压气机动叶片4和冷却静叶片3，形成封严的流道，保证气体沿设计流道流动，减少泄漏损失，同时起支撑保护等作用。

参见图2，多个静叶片3位于所述机匣1与轮毂2之间，每个静叶片3均沿所述机匣1与轮毂2的径向截面分布，多个所述静叶片3沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述静叶片的根部3a与机匣1连接，静叶片的端部3b靠近所述轮毂2并与所述轮毂2之间具有间隙；每个所述静叶片3内部具有与所述机匣1的冷却通道连通11的冷却空间31；

静叶片3整体上沿着机匣1与轮毂2围设形成环形柱状空间的轴截面方向延伸，即静叶片3整体上呈环形，这里的轴截面方向及所述机匣1与轮毂2的径向截面，可以垂直于所述机匣1的中心轴线或轮毂2的中心轴线，也可以不完全垂直所述机匣1的中心轴线或轮毂2的中心轴线，例如呈一个比较小的角度，静叶片3是曲面；

多个动叶片4位于所述机匣1与轮毂2之间，每个动叶片4均沿所述机匣1与轮毂2的径向截面分布，多个所述动叶片4沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述动叶片的根部4a与所述轮毂2连接，动叶片的端部4b靠近所述机匣1并与所述机匣1之间具有间隙，所述动叶片4与所述静叶片3交叠布置。

动叶片4的形状与静叶片3相似或相同，连接的部件与静叶片3不同，与静叶片3交叠布置，每个动叶片4与一个静叶片3相邻并彼此围设呈一条气流通道，所有气流通道彼此迂回相通，供气流通过，并在气流通过时同时完成对气流的降温和升压，彼此耦合互不干涉，解决了现有技术中发动机比冲降低、发动机结构复杂化、发动机轴线长度增加、发动机进气畸变及压力损失的问题。

参见图6，压气机中动叶片4在设计过程中，使得气流流过时在动叶片旋转方向上产生对气流的作用力，这样就保证了旋转的动叶片4对流过的气体做功，气流获得压气机动叶片对其输入的机械功或轮缘功。在提高压力（包括总压和静压）的同时，动能也有所增加。在随后的静叶通道中，气体沿着叶片通道逐渐减速并冷却，压力上升，并且流动方向改变。

关于机匣1的几种具体实施方式：

在本发明一实施例中，所述机匣的内壁1a与机匣的外壁1b之间围设的筒状空间形成所述冷却通道11。这种机匣1的结构比较简单，机匣1易于制造，并且冷却通道11较宽，易于冷却介质流动，降温速度快，缺点冷却介质需要的较多，增加压气机自身重量。

在本发明另一实施例中，所述机匣1内部的冷却通道11呈螺旋状。相对于筒形空间的冷却通道，空间上缩减了很多，减轻了气压机自身重量，螺旋状通道围绕静叶片3在机匣1上的环绕位置设置，没有多余的冷却介质围绕在动叶片4周围，相对上一实施例，换热效率较高，缺点：结构相对复杂，制造成本相对较高。

在本发明再一实施例中，所述机匣1内部的冷却通道11包括若干环状通道和若干直线通道，每个所述环状通道位于所述机匣1与一个静叶片3连接的部位，相邻两所述环状通道之间通过至少一个所述直线通道连通。效果同螺旋状冷却通道。没有多余的冷却介质围绕在动叶片4周围，相换热效率较高，缺点：结构相对复杂，制造成本相对较高。

关于轮毂2的几种实施方式：

在本发明一实施例中，为进一步提升压气机出口气流压力，轮毂2轴截面方向的尺寸自所述机匣的入口端1c至机匣的出口端1d逐渐增加，所述机匣1与所述轮毂2之间的径向间隙自所述机匣的入口端1c至机匣的出口端1d逐渐减小。

具体地，轮毂2的形状可以呈圆台状，整个机匣1的长度方向上变化比例均匀；

轮毂2的形状还可以类似酒瓶的形状，在靠近机匣的入口端1c的那部分轴截面直径相对较小，在靠近机匣的出口端1d的那部分轴截面直径相对较大，在中间部分轴截面直径由较小尺寸变化到交大尺寸，变化比例较大；这种结构在机匣的入口端1c时机匣1与所述轮毂2之间的径向间隙较大易于吸入气流，在靠近机匣的出口端1d时机匣1与所述轮毂2之间的径向间隙较小易于压缩气流。

关于动静叶片的几种实施方式：

在本发明一实施例中，参见图1、图2，所述静叶片3与动叶片4均呈弧面状，且彼此平行，所述静叶片3与动叶片4之间的围设形成弧线形气流通道。相对上述实施例，静叶片3与动叶片4围设形成的气流通道与气流的接触面积增加，加大换热面积，提高换热效率，且具有导流作用。

参见图3-5，为进一步提高换热面积，在每个所述静叶片3表面设置有若干相对所述静叶片表面向外凸伸的换热微元30，相邻两所述换热微元30之间形成换热微通道32，所述换热微通道32的方向与来流气体方向一致。换热微元30的形状例如可以是等截面柱状、矩形截面状、双曲面面状、梯形截面状等。

当高速来流经过：进气道激波——压气机动叶压缩后，气流急剧减速，同时温度和压力急剧上升，如当飞行马赫数为5 时，压气机进口空气滞止温度达到1200 K左右。此时，经动叶片出口的高温气流经过冷却静叶片3表面的换热微元32，带走高温气体的热量，使得气流温度降低，密度增大，从而增加质量流量，提高压气机效率，克服传统发动机在同等工况下由于气流温度急剧上升而导致压气机压缩性能急剧恶化的问题。

作为第一优选实施方式：参见图4，所述换热微元30呈环状围绕在所述静叶片3的周侧面上，所有所述换热微元30在所述静叶片3的长度方向即所述机匣的径向上间隔排列；所述换热微元30为空间曲面，所述换热微通道32呈弧状。静叶片3的安装位置参见图2，沿着静叶片3的周侧面布置换热微元30，换热微元30设置呈肋片状，增加换热面积，翅片之间形成的换热微通道32沿来流方向布置，导入来流气体，均布气流分布，带走高温气体的热量，使得气流温度降低，密度增大，从而增加质量流量，提高压气机效率。

作为第二优选实施方式：参见图5，所述换热微元30呈环状围绕在所述静叶片3的周侧面上，所有所述换热微元30在所述静叶片3的长度方向即所述机匣的径向上间隔排列，所述换热微元30为波浪形曲面，所述换热微通道32呈波浪状。相对上述第一优选实施方式，换热微元30的波浪形曲面进一步增加了换热面积，提高了换热效率。

作为第三优选实施例方式：所述换热微元呈螺旋状环绕在所述静叶片的周侧面，且所述换热微元的绕向沿所述静叶片的长度方向即所述机匣的径向上升或下降。换热微元的形状可设置呈平面状、弧面状或波浪形曲面状。技术效果同上，增加换热面积，导入来流气体，均布气流分布，带走高温气体的热量，使得气流温度降低，密度增大，从而增加质量流量，提高压气机效率。

在上述优选实施例方式的基础上，为进一步提高换热效率，所述换热微元内部具有与所述静叶片内部的冷却空间彼此连通的凹腔。也即将换热微元设置呈空心结构，减轻静叶片自身重量，并降低换热微元表面的温度，提高降温效果。

作为上述具体实施例变形，所述动叶片4与所述轮毂中心轴线之间的夹角小于90°，或所述静叶片3与所述机匣中心轴线之间的夹角小于90°。在具体制作安装过程中，所述轮毂中心轴线与所述机匣中心轴线重合；即从所述机匣的入口端1c向出口端看，静叶片3、动叶片4均呈伞状，一方面起到导流作用，另一方面提高气流与叶片的接触面积，提高换热效率和加压效率。

通过压气机动叶片4压缩、静叶片3冷却的方式降低来流温度，提高进气密度以增大进气质量流量，进而增大推力，提高发动机输出功率和效率，扩展飞行包线。无需在发动机前增添预冷装置，有效减小了发动机的长度，有效避免了现有预冷器带来的进气畸变问题，降低了总压损失。

实施例二

在实施例一的基础上，本发明实施例还提供一种高超声速飞行器，包括发动机和上述任意实施例的耦合换热式压气机；

所述耦合换热式压气机的机匣的冷却通道11连接所述发动机的冷却通道共同形成供冷却介质循环流通的通道。气压机的机匣1的出口端1d与发动机连接。有益效果参见上述实施例一中耦合换热式压气机的效果，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种耦合换热式压气机，其特征在于，包括：

机匣，呈筒状，内壁与外壁之间具有供冷却介质流动的冷却通道；

轮毂，位于所述机匣内部；

多个静叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个静叶片均沿所述机匣与轮毂的径向分布，多个所述静叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述静叶片的根部与机匣连接，端部靠近所述轮毂并与所述轮毂之间具有间隙；每个所述静叶片内部具有与所述机匣的冷却通道连通的冷却空间；

多个动叶片，位于所述机匣与轮毂之间，每个动叶片均沿所述机匣与轮毂的径向分布，多个所述动叶片沿机匣的中心轴线方向间隔排列，所述动叶片的根部与所述轮毂连接，端部靠近所述机匣并与所述机匣之间具有间隙，所述动叶片与所述静叶片交叠布置；

其中每个所述静叶片表面设置有若干相对所述静叶片表面向外凸伸的换热微元，相邻两所述换热微元之间形成换热微通道，所述换热微通道的方向与来流气体方向一致；所述换热微元呈肋片状；

所述静叶片与动叶片均呈弧面状，且彼此平行，所述静叶片与动叶片之间的围设形成弧线形气流通道；

所述换热微元内部具有与所述静叶片内部的冷却空间彼此连通的凹腔。

2.如权利要求1所述耦合换热式压气机，其特征在于，所述换热微通道呈弧状或呈波浪状。

3.如权利要求1所述耦合换热式压气机，其特征在于，所述换热微元呈环状围绕在所述静叶片的周侧面上，所有所述换热微元在所述静叶片的长度方向即所述机匣的径向上间隔排列。

4.如权利要求1所述的耦合换热式压气机，其特征在于，所述换热微元呈螺旋状环绕在所述静叶片的周侧面，且所述换热微元的绕向沿所述静叶片的长度方向即所述机匣的径向上升或下降。

5.如权利要求1~4任一项所述的耦合换热式压气机，其特征在于，所述动叶片与所述轮毂的中心轴线之间的夹角小于90°，或所述静叶片与所述机匣的中心轴线之间的夹角小于90°。

6.一种高超声速飞行器，其特征在于，包括发动机和如权利要求1~5任一项所述的耦合换热式压气机；

所述耦合换热式压气机的机匣的冷却通道连接所述发动机的冷却通道共同形成供冷却介质循环流通的通道。

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