CN108952967A - 具有改进的空气系统的涡喷发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有改进的空气系统的涡喷发动机，该涡喷发动机包括：壳体；转轴，该转轴通过端盖和导向器旋转地设置在壳体内；进气机匣，该进气机匣固定地设置在壳体内，转轴的第一端部旋转地设置在进气机匣内；离心叶轮，该离心叶轮在进气机匣与端盖之间固定地设置在转轴上；涡轮转子，该涡轮转子固定地设置在转轴的第二端部上；燃烧室，在燃烧室的出口处设置导向器；以及发电机，该发电机设置在转轴与进气机匣之间，其中，在进气机匣的沿径向方向延伸的支板上设置第一通孔，以使进气机匣的外部的空气通过第一通孔流过发电机。

Description

具有改进的空气系统的涡喷发动机

技术领域

本发明涉及航空领域，尤其涉及一种涡喷发动机。

背景技术

涡喷发动机作为一种高推重比、价格低廉的动力装置，更多地应用在高空高速的一次性使用飞行器上(诸如靶机、巡航导弹等)，此类一次性飞行器具有速度高、载荷小、一次性使用、巡飞时间短、消耗量大的特点，所以其配装的小型涡喷发动机具备成本低、寿命短、推重比高的特质，其结构形式尽可能简单紧凑。

设计功能良好的空气系统是发动机可靠工作的基本保证。然而，涡喷发动机尺寸小、空间紧凑，导向器叶片内部无法布置复杂的冷却流道，也不太可能布置专门的轴承或是电机密封腔、冷却腔及封严结构；另外由于涡喷发动机具有低成本、短时使用的特点，过于复杂的空气系统结构设计，还需要增加整套的供油和回油的滑油系统，会添加大量额外的附件设备，最终使得发动机重量增大，推重比降低，成本增加，不符合靶机或导弹动力装置低成本、短寿命、高推重比的基本要求。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种具有改进的空气系统的涡喷发动机，包括：

壳体；

转轴，转轴通过端盖和导向器旋转地设置在壳体内；

进气机匣，进气机匣固定地设置在壳体内，转轴的第一端部旋转地设置在进气机匣内；

离心叶轮，离心叶轮在进气机匣与端盖之间固定地设置在转轴上；

涡轮转子，涡轮转子固定地设置在转轴的第二端部上；

燃烧室，燃烧室的出口处设置导向器；以及

发电机，发电机设置在转轴与进气机匣之间，

其中，在进气机匣的沿径向方向延伸的支板上设置第一通孔，以使进气机匣的外部的空气通过第一通孔流过发电机。

根据一些实施例，导向器包括沿径向方向延伸的多个导叶，在每一个导叶内设置第二通孔。

根据一些实施例，涡喷发动机还包括设置在导向器与端盖之间的轴承支座，轴承支座通过前轴承和后轴承旋转地支承转轴，前轴承靠近端盖，后轴承靠近导向器。

根据一些实施例，在轴承支座上设置第三通孔和第四通孔，以使空气通过第三通孔流过前轴承，通过第四通孔流过后轴承。

根据一些实施例，在转轴上设置多个引气槽，以使由第四通孔流入的空气通过引气槽流过后轴承。

根据一些实施例，引气槽设置在转轴的外周上，引气槽沿转轴的轴向方向延伸设置。

根据一些实施例，在引气槽的进气的位置处设置导槽，导槽沿转轴的径向方向延伸设置。

根据一些实施例，在轴承支座上设置有用于将导向器紧固在轴承支座上的圆盘式螺母，圆盘式螺母的外径小于涡轮转子的轮毂的外径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用外界环境空气，采用自然对流的冷却方式，通过在进气机匣的沿径向方向延伸的支板开通孔，使得发电机安装部位与环境空气连通。由于工作时离心叶轮根部静压为负，这样就能形成自然对流的空气流路，外界的空气流经发电机带走热量，进入压气机流道，有效地实现了冷却发电机的目的。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明的实施例的具有改进的空气系统的涡喷发动机的截面图；

图2是根据本发明的实施例的涡喷发动机的导向器的立体图；

图3是根据本发明的实施例的涡喷发动机的导向器的导叶的剖视图；

图4是根据本发明的实施例的涡喷发动机的转轴的端部的立体图；

图5是根据本发明的实施例的涡喷发动机的转轴在引气槽处的截面图；以及

图6是沿图5中的线A-A的方向看的转轴的局部剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种具有改进的空气系统的涡喷发动机，直接从扩压器出口二次气流或是外界空气引气，避免了从冷端压气机叶轮引气造成的结构复杂和性能损失；利用发动机自身结构形成流动气路或是通过简单打孔的方式引入冷却气，避免采用复杂的引气结构，诸如管路引气、引射引气等；对于轴承、电机等关键部件的冷却尽量采用直接冷却的方式，避免采用封闭腔冷却而带来的结构复杂、密封困难等问题。

下面结合附图对根据本发明的具有改进的空气系统的涡喷发动机进行详细说明。

图1是根据本发明的实施例的具有改进的空气系统的涡喷发动机的截面图。如图1所示，涡喷发动机包括：壳体12；转轴8，转轴8通过端盖13和导向器7旋转地设置在壳体12内；进气机匣1，进气机匣1固定地设置在壳体12内，转轴8的第一端部810旋转地设置在进气机匣1内；离心叶轮3，离心叶轮3在进气机匣1与端盖13之间固定地设置在转轴8上；涡轮转子11，涡轮转子11固定地设置在转轴8的第二端部820上；燃烧室5，在燃烧室5的出口处设置导向器7；以及发电机2，发电机2设置在转轴8与进气机匣1之间，其中，在进气机匣1的沿径向方向延伸的支板上设置第一通孔110，以使进气机匣1的外部的空气能够通过第一通孔110流过发电机2，第一通孔110的形状不做具体的限制，当然，第一通孔的位置也不做具体的限制，在某些其他的实施例中可以在进气机匣1的其他位置处设置第一通孔110，只要使得发电机2与外界空气连通即可。图中的箭头为空气流动的方向。

发电机2安装在转轴8的第一端部810上并且与转轴8同轴转动，发电机2的转子和定子之间存在着0.3mm～0.6mm的间隙，为了保证发电机2能够可靠地工作，需要对其提供持续冷却以避免其长期运行过热。通常对发电机2采取油冷或水冷降温，这种方式需要提供一套专门的冷却管路和系统，将极大的增加发动机结构的复杂性。本实施例采用简化处理，利用外界环境空气，采用自然对流的冷却方式，通过在进气机匣1的支板内开设通孔，使得发电机2的内部与环境空气连通。另外，当离心叶轮3转动时，离心叶轮3的根部会产生负压，外界的空气就会流入，这样就能形成自然对流的空气流路，外界的空气流经发电机2带走热量，进入压气机流道，有效地实现了冷却发电机2的目的。

图2是根据本发明的实施例的具有改进的空气系统的涡喷发动机的导向器7的立体图，图3是根据本发明的实施例的涡喷发动机的导向器7的导叶710的截面图。参见图2和图3，导向器7包括沿径向方向延伸的多个导叶710，导叶710用于引导燃烧室5内的高温燃烧气体的排出。在每一个导叶710内设置第二通孔701，第二通孔701在导叶710内沿着导向器7的径向方向延伸。设置第二通孔701后保证导叶710的四周壁的厚度不小于1mm，这样既能保障导叶本身强度不受影响，同时也实现了空气的流通，从而对导向器7的导叶710进行充分冷却。当然，在某些其他的实施例中，导叶710的形状也可以设置成除附图3所示之外的其他形状。进而，第二通孔701的形状也可以设置成除附图3所示之外的其他形状。

涡喷发动机的燃烧室5的出口的高温燃气进入导向器7，导向器7承受上千摄氏度的极高温度，而受到涡喷发动机尺寸的限制，无法在导向器7的内部设置复杂的冷却流路结构，因此，导向器7可能会出现本身温度过高导致烧蚀的情况。另一方面，由于压气机扩压器出口气流的射流方向以及内外流阻不同，燃烧室5外环空间的气流压力要大于燃烧室5内环空间，导致进入燃烧室5的内环的补燃孔的空气量不足，从而使得燃烧室5的出口温度分布不均匀以致局部温度增高，影响导向器7的使用可靠性。本实施例利用导向器7的导叶710自身有限的厚度，在每一个导叶710沿径向方向开设通孔701，这样，燃烧室5的外环空间的空气就通过这排通孔701流入燃烧室5的内环空间内。如此一来，既带走一部分导向器7的导叶710的热量，冷却了导叶710，又增加了燃烧室5的内环的压力，补充了燃烧室5的内环冷却气，提高了出口均匀性。总的来说，使得涡喷发动机的导向器7的工作环境大为改善，提高了工作可靠性和使用寿命。

根据优选的实施例，具有改进的空气系统的涡喷发动机包括设置在导向器7与端盖13之间的轴承支座6，轴承支座6通过前轴承610和后轴承9旋转地支承转轴8，前轴承610靠近端盖13，后轴承9靠近导向器7。

根据优选的实施例，在轴承支座6上设置第三通孔611和第四通孔612，以使空气通过第三通孔611流过前轴承610，并且使空气通过第四通孔612流过后轴承9。来自扩压器4的出口的气流作为冷却气源，通过第三通孔611和第四通孔612引导空气进入前轴承腔和后轴承腔，从而冷却前轴承610和后轴承9，第三通孔611和第四通孔612的大小及数量根据所需引气量而定。

为了对涡喷发动机所有需要冷却的热端部件提供空气冷却，直接将来自压气机扩压器4的出口的气流作为冷却气源。这种方式有别于传统发动机从压气机离心叶轮中部引气的方式，无需采用引气管路专门引气，从结构上更易实现，也能简化安装。

在优选的实施例中，在转轴8上设置后轴承9的位置处形成多个引气槽801，以使由第四通孔612流入的空气通过引气槽801流过后轴承9。

在优选的实施例中，引气槽801设置在转轴8的外周上，引气槽801沿转轴8的轴向方向延伸设置。引气槽801基本平行于转轴8，这样空气能够更好的通过引气槽801。

在优选的实施例中，在引气槽801进气的位置处设置导槽802，导槽802沿转轴8的径向方向延伸设置。由于空气是从第四通孔612中垂直进入后轴承腔，而引气槽801是沿转轴轴向方向设置，因此，为了更好的将空气引入引气槽801，可以在引气槽801进气的位置处沿转轴径向方向设置导槽802，空气经过导槽802被导入引气槽801内，大大提高了气体进入引气槽801内的效率。

图4是根据本发明的实施例的涡喷发动机的转轴8的第二端部820的立体图，图5是根据本发明的实施例的涡喷发动机的转轴8在引气槽801处的截面图，图6是沿图5的线A-A的方向看的转轴8的截面图。参见图4、图5和图6，在转轴8的外周上设置有多个引气槽801，引气槽801沿转轴8的轴向方向设置，在引气槽801进气的位置处设置导槽802，导槽802沿转轴8的径向方向设置。引气槽801的槽宽3mm～5mm，槽深约0.5mm，引气槽801的数量可以根据需要来设置。

涡喷发动机的后轴承9处于发动机热端，靠近涡轮转子，热量通过转轴8传递给轴承内环，使得轴承内环温度高达400℃，超过轴承使用极限温度，再加上后轴承9本身承担发动机转子的轴向载荷，后轴承容易超负荷工作，会极大地影响轴承乃至发动机的寿命。本实施例借助轴承周围的环境气体，在轴承安装轴颈上设计引气槽801，利用轴承两侧压差引导空气流经引气槽801，从而带走一部分热量，达到冷却轴承内环的目的。通过这种方式，可使轴承内环温度降低将近100℃，极大地改善了轴承的工作环境，提升轴承的工作寿命。另外，通过引气槽801流出的冷却气可以继续冷却涡轮转子盘，降低涡轮转子盘的工作温度。

根据优选的实施例，在轴承支座6上设置有用于将导向器7紧固在轴承支座6上的圆盘式螺母10，圆盘式螺母10的外径小于涡轮转子11的轮毂的外径。用圆盘式螺母10隔开涡轮盘腔，减小盘腔有效面积，从而降低封严所需流量，实现对涡轮转子盘的冷却与封严。

涡喷发动机的涡轮盘腔需要对转子和静子的根部间隙进行封严，若封严气量不足会导致涡轮流道高温燃气倒灌至盘腔，使得涡轮盘温度急剧增高，可能超过其最高允许工作温度，从而引发安全事故；但封严气量过大又会带来其他问题，例如降低发动机效率，耗油率上升，影响发动机经济性。因此本实施例通过将封严气量控制在适当高于最小封严气量的情形，既能防止燃气倒灌，保障安全性，又能最大限度的兼顾经济性。本实施例将轴承支座上的圆螺母设计成圆盘式，将涡轮轴承腔隔小，可以减小轴承腔内回流涡，从而使得冷却气封严效率更高，转子和静子间隙所需的最小封严气量降低。采用这种结构设计方案使得封严气量减小，利用后轴承轴颈的冷却槽引出的有限的冷却气即可实现有效封严，满足发动机安全使用要求。

本实施例中用于各部件冷却封严的总引气量约占发动机进口空气流量的3％～5％。

本发明充分利用涡喷发动机本身气动及结构特点，在不增加发动机结构复杂性和生产成本的前提下，直接从扩压器出口的二次气流或是外界空气引气，设计简易的结构形式对涡轮、轴承、电机等关键部件实现有效冷却及封严，完全满足发动机使用安全性及可靠性需求。该发明已应用到一些小型涡喷发动机中，并装配到小型无人机上试飞，取得了良好的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，包括：

壳体；

转轴，所述转轴通过端盖和导向器旋转地设置在所述壳体内；

进气机匣，所述进气机匣固定地设置在所述壳体内，所述转轴的第一端部旋转地设置在所述进气机匣内；

离心叶轮，所述离心叶轮在所述进气机匣与所述端盖之间固定地设置在所述转轴上；

涡轮转子，所述涡轮转子固定地设置在所述转轴的第二端部上；

燃烧室，所述燃烧室的出口处设置所述导向器；以及

发电机，所述发电机设置在所述转轴与所述进气机匣之间，

其中，在所述进气机匣的沿径向方向延伸的支板上设置第一通孔，以使所述进气机匣的外部的空气通过所述第一通孔流过所述发电机。

2.根据权利要求1所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，所述导向器包括沿径向方向延伸的多个导叶，在每一个导叶内设置第二通孔。

3.根据权利要求1所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，还包括设置在所述导向器与所述端盖之间的轴承支座，所述轴承支座通过前轴承和后轴承旋转地支承所述转轴，所述前轴承靠近所述端盖，所述后轴承靠近所述导向器。

4.根据权利要求3所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，在所述轴承支座上设置第三通孔和第四通孔，以使空气通过所述第三通孔流过所述前轴承，通过所述第四通孔流过所述后轴承。

5.根据权利要求4所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，在所述转轴上设置多个引气槽，以使由所述第四通孔流入的空气通过所述引气槽流过所述后轴承。

6.根据权利要求5所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，所述引气槽设置在所述转轴的外周上，所述引气槽沿所述转轴的轴向方向延伸设置。

7.根据权利要求6所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，在所述引气槽的进气的位置处设置导槽，所述导槽沿所述转轴的径向方向延伸设置。

8.根据权利要求4所述的具有改进的空气系统的涡喷发动机，其特征在于，在所述轴承支座上设置有用于将所述导向器紧同在所述轴承支座上的圆盘式螺母，所述圆盘式螺母的外径小于所述涡轮转子的轮毂的外径。