CN108979898A - 对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置 - Google Patents

对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置，对转压气机的风扇具有转子叶片且不具有内涵静子叶片；斜流叶轮设于内涵道，且位于转子叶片与燃烧室之间，斜流叶轮的叶片呈大后掠结构，且叶片的前缘形成有劈尖结构。本发明与常规对转压气机及相关动力装置相比，取消了风扇的转子叶片，并相应地将风扇后方的斜流叶轮的叶片采用大后掠和劈尖设计。据此，本发明能够简化对转压气机的结构，减少零件数量，缩短对转压气机的轴向尺寸，减轻重量。

Description

对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置
技术领域
本发明涉及航空动力技术领域，具体而言，涉及一种对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置。
背景技术
压气机是燃气涡轮动力装置的核心部件之一，其作用是压缩气体，为燃烧室提供高压气体。压气机叶片一般由两部分组成：旋转的转子叶片排和不动的静子叶片排。静子叶片的作用是将转子叶片加给气流的动能部分继续转变为压力势能并将气流导引至下级转子叶片要求的方向。对转压气机的新颖之处在于其风扇/高压压气机转子叶片排是以相反方向转动。由于风扇和高压压气机的转向不同，通过采用与常规对转压气机不同的叶型设计并选择合适的转速，则可取消风扇转子与高压压气机转子间的静子叶片，使高压压气机进口直接适应风扇转子叶片排出口的气流。
常规对转压气机方案的主要技术缺点在于，整个对转压气机的轴向长度长，这一方面会导致整个压气机的转子系统轴向变长，从而带来转子动力学不稳定，另一方面会增加整个压气机重量。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种轴向长度较短且重量较轻的对转压气机。
本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述对转压气机的燃气涡轮动力装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供一种对转压气机，设于一对转发动机，所述对转发动机包括进气口以及燃烧室，所述对转压气机在一轴向方向上，于所述进气口后方分为内涵道和外涵道，其中，所述对转压气机包括风扇、支板、斜流叶轮以及轴向扩压器；所述风扇具有转子叶片且不具有内涵静子叶片，所述转子叶片临近设于所述进气口，所述风扇还包括外涵静子叶片，所述外涵静子叶片设于所述外涵道；所述斜流叶轮设于所述内涵道，且位于所述转子叶片与所述燃烧室之间，所述斜流叶轮的叶片呈大后掠结构，且所述叶片的前缘形成有劈尖结构；所述支板和轴向扩压器分别设于所述内涵道，所述支板位于所述转子叶片与所述斜流叶轮之间，所述轴向扩压器位于所述斜流叶轮与所述燃烧室之间。
根据本发明的其中一个实施方式，在所述轴向方向上，所述转子叶片为顺时针方向旋转时，所述斜流叶轮为逆时针方向旋转；或者，所述转子叶片为逆时针方向旋转时，所述斜流叶轮为顺时针方向旋转。
根据本发明的其中一个实施方式，所述劈尖结构的长度为2mm～3mm。
根据本发明的其中一个实施方式，所述斜流叶轮的叶片采用后加载的设计方法。
根据本发明的其中一个实施方式，所述轴向扩压器的数量为两个，分别为第一轴向扩压器和第二轴向扩压器，所述第一轴向扩压器和第二轴向扩压器依次位于所述斜流叶轮与燃烧室之间。
根据本发明的另一个方面，提供一种燃气涡轮动力装置，其包括进气口、对转压气机以及燃烧室，所述对转压气机在一轴向方向上，于所述进气口后方分为内涵道和外涵道，其中，所述对转压气机包括风扇、支板、斜流叶轮以及轴向扩压器；所述风扇具有转子叶片且不具有内涵静子叶片，所述转子叶片临近设于所述进气口，所述风扇还包括外涵静子叶片，所述外涵静子叶片设于所述外涵道；所述斜流叶轮设于所述内涵道，且位于所述转子叶片与所述燃烧室之间，所述斜流叶轮的叶片呈大后掠结构，且所述叶片的前缘形成有劈尖结构；所述支板和轴向扩压器分别设于所述内涵道，所述支板位于所述转子叶片与所述斜流叶轮之间，所述轴向扩压器位于所述斜流叶轮与所述燃烧室之间。
根据本发明的其中一个实施方式，在所述轴向方向上，所述转子叶片为顺时针方向旋转时，所述斜流叶轮为逆时针方向旋转；或者，所述转子叶片为逆时针方向旋转时，所述斜流叶轮为顺时针方向旋转。
根据本发明的其中一个实施方式，所述劈尖结构的长度为2mm～3mm。
根据本发明的其中一个实施方式，所述斜流叶轮的叶片采用后加载的设计方法。
根据本发明的其中一个实施方式，所述轴向扩压器的数量为两个，分别为第一轴向扩压器和第二轴向扩压器，所述第一轴向扩压器和第二轴向扩压器依次位于所述斜流叶轮与燃烧室之间。
由上述技术方案可知，本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置的优点和积极效果在于：
本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置，与常规对转压气机及相关动力装置相比，取消了风扇的转子叶片，并相应地将风扇后方的斜流叶轮的叶片采用大后掠和劈尖设计。据此，本发明能够简化对转压气机的结构，减少零件数量，缩短对转压气机的轴向尺寸，减轻重量。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种对转压气机的气动布局示意图；
图2是图1示出的对转压气机的流道示意图；
图3是图1示出的对转压气机的内涵气流的速度三角形视图。
其中，附图标记说明如下：
100.进气口；
200.内涵静子叶片；
301.内涵道；
302.外涵道；
400.风扇；
410.转子叶片；
420.外涵静子叶片；
500.支板；
600.斜流叶轮；
710.第一轴向扩压器；
720.第二轴向扩压器。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。
在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“临近”、“之间”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。
对转压气机实施方式
参阅图1，图1中代表性地示出了能够体现本发明的原理的对转压气机的气动布局示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的对转压气机是以对转发动机的对转压气机为例，进一步地，是以燃气涡轮动力装置作为对转发动机为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将该对转压气机应用于其他类型的动力装置，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的对转压气机的原理的范围内。
如图1所示，在本实施方式中，本发明提出的对转压气机设于一对转发动机，进一步例如为一燃气涡轮动力装置。其中，该对转发动机主要包括进气口100以及燃烧室，且对转压气机在一轴向方向上，于进气口100后方分为内涵道301和外涵道302。本发明提出的对转压气机主要包括风扇400、支板500、斜流叶轮600以及轴向扩压器。配合参阅图2，图2代表性地示出了能够体现本发明原理的对转压气机的流道示意图。以下结合上述附图，对本发明提出的对转压气机的各主要组成部分进行详细说明。
如图1和图2所示，在本实施方式中，风扇400主要包括转子叶片410和外涵静子叶片420。其中，转子叶片410设置于临近进气口100的位置，外涵静子叶片420设置在外涵道302中。其中，该对转压气机的风扇400不具有内涵静子叶片200。并且，为了适应内涵静子叶片200的取消设计，在本实施方式中，斜流叶轮600的叶片采用大后掠结构的设计，且叶片的采用前缘劈尖的设计。具体而言，由于取消了内涵静子叶片200，为了适应由此产生的气流的大反预旋，在本实施方式中，斜流叶轮600的叶片在轴向方向上相对向后倾斜，而呈大后掠的结构，从而减小大反预旋对叶片的冲击，同时叶片的前缘形成有劈尖结构，从而使叶片前缘的半径减小，即攻角损失减小。优选地，该劈尖结构的长度仅占叶片的较小一部分，大致为2mm～3mm，例如2.7mm，以进一步保证叶片的结构强度。
进一步地，在本实施方式中，斜流叶轮600的叶片还采用后加载的设计方法，即通过改变叶片的中弧线(例如调整曲率等)，而使其具有后加载的结构特点。
基于上述设计，本发明能够实现对转压气机的直接对转，并可利用上述气动布局缩短对转压气机轴向长度。经试验验证，对转压气机轴向长度可缩短20mm～40mm，且对转压气机增压比的适用范围大致优化为4.0：1～7.0：1。再者，由于使对转压气机能够直接对转，从而使斜流压气机的进气口100产生较大的反预旋，增大了斜流压气机的做功能力，斜流压气机增压比的适用范围大致优化为2.8：1～4.5：1。
如图1和图2所示，在本实施方式中，支板500、斜流叶轮600以及轴向扩压器分别设置于内涵道301，且在轴向方向上，支板500、斜流叶轮600以及轴向扩压器依序位于转子叶片410与燃烧室之间。其中，由于本发明提出的对转压气机取消了现有结构中的内涵静子叶片200，因此需对上述支板500、斜流叶轮600和轴向扩压器进行对应的改型设计，以达到在保证对转压气机性能基本不变的情况下，尽量缩短轴向长度，减轻重量，改善对转压气机的转子动力学特性。
进一步地，在本实施方式中，在轴向方向上，当转子叶片410为顺时针方向旋转时，斜流叶轮600为逆时针方向旋转。或者，在其他实施方式中，在轴向方向上，当转子叶片410为逆时针方向旋转时，斜流叶轮600为顺时针方向旋转。其中，上述转子叶片410与斜流叶轮600的选择方向可以根据实际需要灵活调整，且基于对转压气机的工作原理，转子叶片410与斜流叶轮600的选择方向应为相反的关系。
进一步地，如图1和图2所示，在本实施方式中，轴向扩压器的数量可以优选为两个，两个轴向扩压器分别为第一轴向扩压器710和第二轴向扩压器720。其中，第一轴向扩压器710和第二轴向扩压器720依次位于斜流叶轮600与燃烧室之间。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的对转压气机仅仅是能够采用本发明原理的许多种对转压气机中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的对转压气机的任何细节或对转压气机的任何部件。
燃气涡轮动力装置实施方式
配合参阅图1、图2以及上述关于对转压气机一实施方式的说明，以下对本发明提出的燃气涡轮动力装置的一示例性实施方式进行说明。在该实施方式中，本发明提出的燃气涡轮动力装置是以对转压气机的结构基础为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将该燃气涡轮动力装置配置为其他类型的动力装置，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的燃气涡轮动力装置的原理的范围内。
如图1和图2所示，在本实施方式中，本发明提出的燃气涡轮动力装置主要包括本发明提出的对转压气机。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的燃气涡轮动力装置仅仅是能够采用本发明原理的许多种燃气涡轮动力装置中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的燃气涡轮动力装置的任何细节或燃气涡轮动力装置的任何部件。
基于上述对本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置的示例性实施方式的说明，以下对上述对转压气机的气动原理进行大致介绍。
气流经进气口100处的风扇400转子叶片410压缩后，分为两股气流，且分别为流向外涵道302的外涵气流和流向内涵道301的内涵气流。外涵气流经过外涵静子叶片420直接排入大气。由于风扇400转子叶片410与斜流叶轮600之间无静子叶片的设计，内涵气流依次经过风扇400转子叶片410和支板500并直接进入斜流叶轮600进行进一步压缩，且风扇400转子叶片410和斜流叶轮600的旋转方向相反。承上，该对转压气机的速度三角形视图可参考图3所示，其中X轴代表轴向方向，A代表风扇400出口，B代表斜流叶轮600进口，U'1代表斜流叶轮600进口的圆周速度，C'1代表斜流叶轮600进口的绝对速度，W'1代表斜流叶轮600进口的相对速度，U2代表风扇400出口的圆周速度，C2代表风扇400出口的绝对速度，W2代表风扇400出口的相对速度。据此，通过采用与常规对转压气机不同的叶型设计(参考上述的大后掠、前缘劈尖或后加载的设计)并选择合适的转速，可使斜流叶轮600直接适应经风扇400转子叶片410流出的内涵气流。内涵气流经过斜流叶轮600之后，再依次经过第一轴向扩压器710和第二轴向扩压器720进行减速扩压，最终进入燃烧室。
综上所述，本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置，与常规对转压气机及相关动力装置相比，取消了风扇的转子叶片与支板，并相应地将风扇后方的斜流叶轮的叶片采用大后掠和劈尖设计。据此，本发明能够简化对转压气机的结构，减少零件数量，缩短对转压气机的轴向尺寸，减轻重量。
以上详细地描述和/或图示了本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的对转压气机及具有该对转压气机的燃气涡轮动力装置进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种对转压气机，设于一对转发动机，所述对转发动机包括进气口以及燃烧室，所述对转压气机在一轴向方向上，于所述进气口后方分为内涵道和外涵道，其特征在于，所述对转压气机包括：
风扇，具有转子叶片且不具有内涵静子叶片，所述转子叶片临近设于所述进气口，所述风扇还包括外涵静子叶片，所述外涵静子叶片设于所述外涵道；
斜流叶轮，设于所述内涵道，且位于所述转子叶片与所述燃烧室之间，所述斜流叶轮的叶片呈大后掠结构，且所述叶片的前缘形成有劈尖结构；以及
支板和轴向扩压器，分别设于所述内涵道，所述支板位于所述转子叶片与所述斜流叶轮之间，所述轴向扩压器位于所述斜流叶轮与所述燃烧室之间。
2.根据权利要求1所述的对转压气机，其特征在于，在所述轴向方向上，所述转子叶片为顺时针方向旋转时，所述斜流叶轮为逆时针方向旋转；或者，所述转子叶片为逆时针方向旋转时，所述斜流叶轮为顺时针方向旋转。
3.根据权利要求1所述的对转压气机，其特征在于，所述劈尖结构的长度为2mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的对转压气机，其特征在于，所述斜流叶轮的叶片采用后加载的设计方法。
5.根据权利要求1所述的对转压气机，其特征在于，所述轴向扩压器的数量为两个，分别为第一轴向扩压器和第二轴向扩压器，所述第一轴向扩压器和第二轴向扩压器依次位于所述斜流叶轮与燃烧室之间。
6.一种燃气涡轮动力装置，其包括进气口、对转压气机以及燃烧室，所述对转压气机在一轴向方向上，于所述进气口后方分为内涵道和外涵道，其特征在于，所述对转压气机包括：
风扇，具有转子叶片且不具有内涵静子叶片，所述转子叶片临近设于所述进气口，所述风扇还包括外涵静子叶片，所述外涵静子叶片设于所述外涵道；
斜流叶轮，设于所述内涵道，且位于所述转子叶片与所述燃烧室之间，所述斜流叶轮的叶片呈大后掠结构，且所述叶片的前缘形成有劈尖结构；以及
支板和轴向扩压器，分别设于所述内涵道，所述支板位于所述转子叶片与所述斜流叶轮之间，所述轴向扩压器位于所述斜流叶轮与所述燃烧室之间。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮动力装置，其特征在于，在所述轴向方向上，所述转子叶片为顺时针方向旋转时，所述斜流叶轮为逆时针方向旋转；或者，所述转子叶片为逆时针方向旋转时，所述斜流叶轮为顺时针方向旋转。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮动力装置，其特征在于，所述劈尖结构的长度为2mm～3mm。
9.根据权利要求6所述的燃气涡轮动力装置，其特征在于，所述轴向扩压器的数量为两个，分别为第一轴向扩压器和第二轴向扩压器，所述第一轴向扩压器和第二轴向扩压器依次位于所述斜流叶轮与燃烧室之间。
10.根据权利要求6所述的对转压气机，其特征在于，所述斜流叶轮的叶片采用后加载的设计方法。
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