CN109695580B - 一种同轴式离心-斜流对转压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴式离心‑斜流对转压气机，其离心叶轮、斜流叶轮沿压气机轴线同轴布置，支撑机匣设置在斜流叶轮的轮盘背侧区域，包括一主动齿轮、一从动齿轮和一中间齿轮，主动齿轮固定设置在离心叶轮的驱动转子轴的下游轴段上，从动齿轮固定设置在斜流叶轮的斜流叶轮轴上，从动齿轮通过中间齿轮与主动齿轮间接啮合，使得离心叶轮的旋转方向与斜流叶轮的旋转方向相反，且使离心叶轮的旋转速度高于斜流叶轮的旋转速度。由于两个叶轮转子反向旋转且同时对气体压缩做功，使得本发明的离心‑斜流对转压气机具有单级压比高、直径小、重量轻、出口气流均匀、轴向气流角小等特点，适合于高效、高推重比/功重比的先进航空燃气涡轮发动机压缩系统。

Description

一种同轴式离心-斜流对转压气机
技术领域
本发明涉及一种主要由离心叶轮和与之旋转方向相反的斜流叶轮组成的对转压气机。具体涉及应用于中小型航空燃气涡轮发动机由同一动力源驱动、旋转方向相反的离心-斜流对转压气机，该压气机具有单级压比高、效率高、结构紧凑、体积小以及重量轻的特点，适合于高效、高推重比/功重比的先进航空燃气涡轮发动机压缩系统。
背景技术
目前中小型航空发动机广泛采用轴流-离心组合压气机或离心压气机。在离心压气机中，传统的结构如图1所示。一般一级离心压气机由离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器或径向-轴向一体化的扩压器组成。这种传统的离心压气机具有级压比高、结构紧凑、稳定工作范围宽的优点；同时，也存在径向尺寸大(R2/R1约为1.5～1.8)、效率低的不足。随着离心压气机单级压比的不断提高，作为静子部件的扩压器的负荷急剧增大，导致扩压器内部流动恶化、流动损失增加，进而严重降低了传统离心压气机的效率和稳定工作范围。
发明内容
针对现有技术所存在的以上技术问题，本发明提出了一种同轴式离心-斜流对转压气机，其离心叶轮和斜流叶轮同轴对转布置且由同一动力源驱动，由于两个转子对转且同时做功，离心-斜流对转压气机具有单级压比高、直径小、重量轻、出口气流均匀、轴向气流角小等优点，适合于高效、高推重比/功重比的先进航空燃气涡轮发动机压缩系统。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种同轴式离心-斜流对转压气机，包括一离心叶轮、一斜流叶轮、一支撑机匣，以及一套传递运动和动力的传动单元，所述离心叶轮、斜流叶轮沿压气机轴线同轴布置，所述斜流叶轮设置在所述离心叶轮的下游，其特征在于，
所述支撑机匣设置在所述斜流叶轮的轮盘背侧区域，用以支承离心叶轮、斜流叶轮及传动单元组成的转子系统，
所述传动单元包括一主动齿轮、一从动齿轮和一中间齿轮，其中，
所述主动齿轮、从动齿轮，其齿轮副均为斜齿轮副，
所述主动齿轮固定设置在所述离心叶轮的驱动转子轴的下游轴段上，且所述驱动转子轴由位于下游的源动力驱动旋转，
所述从动齿轮固定设置在所述斜流叶轮的斜流叶轮轴上，用以驱动所述斜流叶轮旋转，
所述中间齿轮，其中心线垂直于所述压气机轴线，包括一上齿轮副和一下齿轮副，所述上齿轮副与下齿轮副背靠背设置且二者均为斜齿轮副，所述下齿轮副与所述主动齿轮的齿轮副相啮合，所述上齿轮副与所述从动齿轮的斜齿轮副相啮合，
所述从动齿轮通过所述中间齿轮与所述主动齿轮间接啮合后，使得所述离心叶轮的旋转方向与所述斜流叶轮的旋转方向相反，且使所述离心叶轮的旋转速度高于所述斜流叶轮的旋转速度。
优选地，所述驱动转子轴由位于下游的涡轮或其他原动力驱动旋转，带动所述离心叶轮和斜流叶轮对气体压缩做功，使气体的压力升高后进入下游的燃烧室或下一级压气机。
优选地，所述支撑机匣中设置有用以对所述转子轴前端进行支撑的转子前轴承，以及对所述中间齿轮进行转动支撑的轴承。
本发明的同轴式离心-斜流对转压气机中，为了尽量提高离心叶轮的做功能力，必须使离心叶轮的转速达到材料极限。而由于斜流转子的直径较离心叶轮大(半径比R2/R1约为1.3～1.5)，因此，必须降低斜流叶轮转子的转速，本发明采用了两对斜齿轮以改变斜流叶轮的转速和转动方向。设置于离心叶轮的驱动转子轴上的斜齿轮通过其齿轮副驱动中间齿轮的下齿轮副，然后中间齿轮上与下齿轮副同轴且背靠背设置的上齿轮副驱动设置于斜流叶轮轴上的从动齿轮的齿轮副进而驱动斜流叶轮旋转。通过中间齿轮上的这两对齿轮副，使得离心叶轮与斜流叶轮反向旋转，同时实现了对斜流叶轮的减速。
优选地，所述离心叶轮与斜流叶轮的半径比R2/R1约为1.3:1～1.5:1，其中，R1为所述离心叶轮的半径，R2为所述斜流叶轮的半径。
进一步地，所述从动齿轮通过所述中间齿轮与所述主动齿轮间接啮合后，所述离心叶轮与斜流叶轮的转速比大于两个叶轮的半径比，以保证两个叶轮的机械强度均靠近材料的应力极限。
进一步地，所述离心叶轮与斜流叶轮的转速比约为1.4:1～1.6:1。
同现有技术相比，本发明的同轴式离心-斜流对转压气机具有以下显著的技术优点：1)单级压比高：由于两个叶轮同时做功，单级离心-斜流对转压气机可达到传统单级离心压气机1.5～1.8倍的压比；2)直径小、重量轻：具有相同做功能力离心叶轮的对转压气机的直径是传统离心压气机的0.75～0.95，轴向长度几乎保持不变；3)出口气流均匀、轴向气流角小：斜流叶轮能以较低的扩散因子实现相同气流方向的折转，因此，离心叶轮出口大气流角的气体经过斜流叶轮后其轴向气流角可以变得更小，即气流近似沿轴向流动。由于上述特点，本发明尤其适合于高效、高推重比/功重比的先进航空燃气涡轮发动机压缩系统。
附图说明
图1为传统离心压气机的结构示意图；
图2为本发明的同轴式离心-斜流对转压气机的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，本发明的同轴式离心-斜流对转压气机，由离心叶轮1、斜流叶轮2、支撑机匣3、两个齿轮副背靠背设置的齿轮4、主动齿轮5以及从动齿轮6等组成。离心叶轮1和斜流叶轮2通过涡轮或其他原动力驱动旋转以实现对气体做功，使气体的压力能升高后进入下游的燃烧室或下一级压气机。支撑机匣3实现对转子前轴承和变速齿轮的支承。
具体地，本发明的同轴式离心-斜流对转压气机中，离心叶轮1、斜流叶轮2沿压气机轴线同轴布置，斜流叶轮2设置在离心叶轮1的下游。支撑机匣3设置在斜流叶轮2的轮盘背侧区域，用于支承转子系统。为传递运动和动力而设置的传动单元，主要包括主动齿轮5、从动齿轮6和中间齿轮4。主动齿轮5、从动齿轮6，其齿轮副均为斜齿轮副；主动齿轮5固定设置在离心叶轮1的驱动转子轴的下游轴段上，且驱动转子轴由位于下游的源动力驱动旋转；从动齿轮6固定设置在斜流叶轮2的斜流叶轮轴上，用以驱动斜流叶轮2旋转；中间齿轮4，其中心线垂直于压气机轴线，包括一上齿轮副42和一下齿轮副41，上齿轮副42与下齿轮副41背靠背设置且二者均为斜齿轮副，下齿轮副41与主动齿轮5的齿轮副52相啮合，上齿轮副42与从动齿轮6的斜齿轮副相啮合；从动齿轮6通过中间齿轮4与主动齿轮5间接啮合后，使得离心叶轮1的旋转方向与斜流叶轮2的旋转方向相反，且使离心叶轮1的旋转速度高于斜流叶轮2的旋转速度。
为了尽量提高离心叶轮的做功能力，必须使离心叶轮的转速达到材料极限。而由于斜流转子的直径较离心叶轮大(半径比R2/R1约为1.3～1.5，R1为离心叶轮1的半径，R2为斜流叶轮2的半径)，因此，必须降低斜流叶轮转子的转速，本发明采用了两对斜齿轮以改变斜流叶轮的转速和转动方向。设置于驱动转子轴(即离心叶轮轴)上的斜齿轮5通过齿轮副52驱动中间齿轮的下齿轮副41，然后中间齿轮4上与下齿轮副41同轴且背靠背设置的上齿轮副42驱动设置于斜流叶轮轴上的齿轮副61进而驱动斜流叶轮2旋转。通过这两对齿轮，使得离心叶轮与斜流叶轮反向旋转，同时实现了对斜流叶轮的减速。经过减速以后，离心叶轮1与斜流叶轮2的转速比约为1.4:1～1.6:1，该值略大于两个叶轮的半径比以保证两个叶轮的机械强度均靠近材料的应力极限。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种同轴式离心-斜流对转压气机，包括一离心叶轮、一斜流叶轮、一起支撑作用的支撑机匣，一套传递运动和动力的传动单元，所述离心叶轮、斜流叶轮沿压气机轴线同轴布置，所述斜流叶轮直接设置在所述离心叶轮的下游，其特征在于，
所述支撑机匣设置在所述斜流叶轮的轮盘背侧区域，用以支承离心叶轮、斜流叶轮及传动单元组成的转子系统，
所述传动单元包括一主动齿轮、一从动齿轮和一中间齿轮，其中，
所述主动齿轮、从动齿轮，其齿轮副均为斜齿轮副，
所述主动齿轮固定设置在所述离心叶轮的驱动转子轴的下游轴段上，且所述驱动转子轴由位于下游的动力源驱动旋转，
所述从动齿轮固定设置在所述斜流叶轮的斜流叶轮轴上，用以驱动所述斜流叶轮旋转，
所述中间齿轮，其中心线垂直于所述压气机轴线，包括一上齿轮副和一下齿轮副，所述上齿轮副与下齿轮副背靠背设置且二者均为斜齿轮副，所述下齿轮副与所述主动齿轮的齿轮副相啮合，所述上齿轮副与所述从动齿轮的斜齿轮副相啮合，
所述从动齿轮通过所述中间齿轮与所述主动齿轮间接啮合后，使得所述离心叶轮的旋转方向与所述斜流叶轮的旋转方向相反，且使所述离心叶轮的旋转速度高于所述斜流叶轮的旋转速度，且所述离心叶轮与斜流叶轮的转速比大于所述离心叶轮与斜流叶轮的半径比，以保证所述离心叶轮及斜流叶轮的机械强度均靠近材料的应力极限。
2.根据权利要求1所述的同轴式离心-斜流对转压气机，其特征在于，所述驱动转子轴由位于下游的涡轮驱动旋转，带动所述离心叶轮和斜流叶轮对气体压缩做功，使气体的压力升高后进入下游的燃烧室或下一级压气机。
3.根据权利要求1所述的同轴式离心-斜流对转压气机，其特征在于，所述支撑机匣中设置有用以对所述驱动转子轴前端进行支撑的转子前轴承，以及对所述中间齿轮进行转动支撑的轴承。
4.根据权利要求1所述的同轴式离心-斜流对转压气机，其特征在于，所述离心叶轮与斜流叶轮的半径比R2/R1为1.3:1～1.5:1，其中，R1为所述离心叶轮的半径，R2为所述斜流叶轮的半径。
5.根据权利要求1所述的同轴式离心-斜流对转压气机，其特征在于，所述离心叶轮与斜流叶轮的转速比为1.4:1～1.6:1。
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