CN111810243B - 一种压气机-涡轮一体化发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压气机‑涡轮一体化发动机，包括壳体和同轴设置在所述壳体内部的转子，所述壳体局部沿径向向外凸出形成环形空间，所述环形空间内设置有燃烧室，所述转子边缘延伸到所述环形空间内；所述壳体的两端分别设置有进气口和出气口，所述转子包括面向所述进气口侧的第一表面和面向所述出气口侧的第二表面，所述第一表面上设置有离心式压气机叶片，所述第二表面设置有向心式涡轮叶片；气流由所述进气口进入后，流经所述第一表面，然后在所述燃烧室回流后，流经所述第二表面，最后经所述出气口排出；本发明相比于相同进气量、相同输出功率的采用轴流式压气机和轴流式涡轮的燃气涡轮发动机，能够显著的简化结构并降低轴向尺寸。

Description

一种压气机-涡轮一体化发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别是涉及一种压气机-涡轮一体化发动机。

背景技术

离心式压气机作为叶轮式压气机的一种，因其单级增压比高、稳定工作范围广、结构简单、便于维护等优点，被广泛应用与航空、船舶、发电等领域的中小型燃气涡轮发动机中，但其缺点也很明显，最突出就是较低的单位面积气体流通能力和压气机效率。单位面积气体流通能力低的主要原因在于进气口相对于叶片的面积要小，如果进气口还迎风的话，就会产生相当大的迎风阻力；而压气效率低的主要原因是其离心压气的方式使得气流离开压气机时，仍具有很高的速度，涡轮提供的功率更少的被用来提高气流的内能和压力势能，此外，更高的出气口速度对于燃烧室内的燃烧情况相当不利，所以从离心式压气机出来的气流在进入燃烧室之前，还需要进行额外的减速增压处理，由此就需要增加额外的结构件，比如扩压器和蜗壳，结构尺寸也会进一步增加。

向心式涡轮，作为一种气流在其中径向流动的涡轮类型，具有和离心式压气非常相似的叶轮形状，因其结构简单、可靠工作范围大、良好的结构刚度和强度等优点，被用于需要紧凑动力源的系统中，也存在和离心式压气机类似的径向尺寸较大、单位面积气体流通能力较低，而且还存在因涡轮流道较长而引起的受热面积较大、冷却需求较大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压气机-涡轮一体化发动机，以解决上述现有技术存在的问题，相比于相同进气量、相同输出功率的采用轴流式压气机和轴流式涡轮的燃气涡轮发动机，能够显著的简化结构并降低轴向尺寸。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种压气机-涡轮一体化发动机，包括壳体和同轴设置在所述壳体内部的转子，所述壳体局部沿径向向外凸出形成环形空间，所述环形空间内设置有燃烧室，所述转子边缘延伸到所述环形空间内；

所述壳体的两端分别设置有进气口和出气口，所述转子包括面向所述进气口侧的第一表面和面向所述出气口侧的第二表面，所述第一表面上设置有离心式压气机叶片，所述第二表面设置有向心式涡轮叶片；

气流由所述进气口进入后，流经所述第一表面，然后在所述燃烧室回流后，流经所述第二表面，最后经所述出气口排出。

优选地，所述壳体包括设置有所述进气口的第一端盖以及设置有所述出气口的第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖在环形空间处的端部密封连接。

优选地，所述第一表面的截面轮廓，在所述进气口对应位置设置成凹型，在延伸到所述环形空间时设置成另一凹型，总体顺着气流的方向顺次设置成凹-凸-凹的结构；所述第二表面的截面轮廓，在出气口对应位置设置成凸形，总体顺着气流的方向，顺次设置成凹-凸-凸的结构；所述第一端盖和所述第二端盖根据所述第一表面和所述第二表面的结构进行相应设置。

优选地，所述进气口内设置有第一支架，所述出气口内设置有第二支架，所述第一支架和所述第二支架分别与所述转子的两端转动连接。

优选地，所述第二支架的中部设置有尾锥体。

优选地，所述出气口连接有排气管。

优选地，所述第一端盖的内表面连接所述环形空间处设置有压气机导叶。

优选地，所述第二端盖的内表面连接所述环形空间处设置有涡轮导叶。

优选地，所述转子的进气口侧的一端连接有传动轴。

优选地，所述传动轴上连接有螺旋桨，所述螺旋桨中部设置有整流锥。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明将现有技术中的离心式压气机和向心式涡轮的分体设置方式改进成一体化设计，取消了离心式压气机和向心式涡轮之间的连接轴，将离心式压气机轮盘和向心式涡轮轮盘合二为一形成本发明的转子，大大简化了装配结构，大大缩短了发动机轴向尺寸，因此，相比于相同进气量、相同输出功率的采用轴流式压气机的燃气涡轮发动机，虽然径向尺寸仍然偏大，但是轴线尺寸、结构简易性等方面的优势大大加强，如果将本发明安装在非迎风面上，径向尺寸大、迎风阻力大的劣势也会大大缓解，因此，本发明更适于作为直升飞机、旋翼机、小型舰船、车辆、小型发电装置等的动力源；

(2)本发明将离心式压气机的进气口和向心式涡轮的出气口设置在同一轴线上，并在转子的边缘设置环形空间，使得发动机内的气流方向发生了两次回流，第一次是环形空间内，气流沿环形空间内壁，实现了从径流离心到径流向心的转变，在此过程中，气流流速降低，静压增加；第二次是在出气口处，实现了从径向向心流动到轴向流动的转变，在此过程中，气流流速进一步变慢；因此，本发明发动机的出气口尾气速度很小，不能直接作为喷气推动力，但也正因此能更大程度利用尾气中的动能；

(3)本发明发动机在环形空间内设置有燃烧室，在第一次回流时会产生湍流，使得燃烧室内的燃烧效率更高，且有利于燃烧室内的燃烧稳定；第二次回流时，气流流速进一步变慢，利于将气流中更多地动能转化成向心式涡轮叶片即转子的机械能，从而能够更大程度利用尾气中的动能，通过向心式涡轮叶片带动转子转动作为机械能输出，既能带动螺旋桨作为直升机动力源，也可以带动发电机发电；

(4)本发明转子第一表面的截面轮廓从进气口开始，先设计了一段凹曲线，能够更好的引导气流进入压气机，随后为配合转子第二表面的向心式涡轮叶片结构曲线，压气机的轮廓曲线变为凸曲线，最后轮廓曲线回归凹曲线直到燃烧室进口为止，能够更好的将气流传导进燃烧室，实现更好的离心压气的功能；第二表面的截面轮廓从外环的燃烧室出口开始，为配合第一表面的轮廓曲线，先采用一段凹曲线，之后接一段凸曲线，能够更好的实现向心做功的效果，接着再接一段弯度更大的凸曲线，能够更好的引导气流流入排气管；

(5)本发明转子的第一表面作为离心式压气机的轮盘，装配离心式压气机叶片：第二表面作为向心式涡轮的轮盘，装配向心式涡轮叶片，这样一来，从向心式涡轮叶片到离心式压气机叶片的传力路径缩减到非常短，对于结构强度的需求会较大程度降低，使得整个转子能采用更薄的尺寸设计、从而整个转子有更轻的质量、更大的冷却通道空间。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为压气机-涡轮一体化发动机结构和气流路径示意图；

图2为压气机-涡轮一体化发动机部件拆分示意图；

图3为第一端盖的外部结构示意图；

图4为第一端盖的内部结构示意图；

图5为转子第一表面上离心式压气机叶片的安装示意图；

图6为转子第二表面向心式涡轮叶片的安装示意图；

图7为转子第一表面和第二表面的轮廓曲线示意图；

图8为第二端盖的内部结构示意图；

图9为第二端盖的外部结构示意图；

其中，1、第一端盖；11、进气口；12、压气机导叶；13、第一支架；2、第二端盖；21、出气口；22、排气管；23、涡轮导叶；24、第二支架；241、尾锥体；3、转子；31、离心式压气机叶片；32、向心式涡轮叶片；33、第一表面；34、第二表面；4、燃烧室；5、螺旋桨；6、整流锥。

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。

本发明的目的是提供一种压气机-涡轮一体化发动机，以解决现有技术存在的问题，能够相比于相同进气量、相同输出功率的采用轴流式压气机和轴流式涡轮的燃气涡轮发动机，能够显著的简化结构并降低轴向尺寸。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种压气机-涡轮一体化发动机，包括壳体和同轴设置在壳体内部的转子3，转子3的两端通过支撑结构进行支撑，并能够在壳体内部转动，当然，壳体与转子3之间存在气流流通的空间，具体的转子3的第一表面33与壳体之间的间隙作为外涵道即离心式压气机的流动通道，转子3的第二表面34与壳体之间的间隙作为内涵道即向心式涡轮的流动通道；壳体局部沿径向向外凸出形成环形空间，转子3边缘延伸到环形空间内，以便于将气流引导到环形空间内，并由环形空间引出，进而形成气流的回流；需要注意的是，由于壳体形成的是局部径向突出的结构，而转子3的边缘又延伸到径向突出的结构内，因此，在装配的时候为了保证转子3能够顺利装配需要将壳体在径向突出的结构位置进行拆分；

如图1-图2所示，壳体的两端分别设置有进气口11和出气口21，结合图7所示，转子3包括面向进气口11侧的第一表面33和面向出气口21侧的第二表面34，如图5-6所示，第一表面33上设置有离心式压气机叶片31，第二表面34上设置有向心式涡轮叶片32，需要说明的是，离心式压气机叶片31与现有的压气机的叶片、向心式涡轮叶片32与现有的涡轮的叶片，其结构基本相同，作用也相同，只是根据本发明壳体的结构做了适应性的变化，其变化为本领域技术人员所能够完成的；

如图1所示，气流由进气口11进入到壳体内部后，流经转子3的第一表面33，经过离心式压气机的流动通道，然后在环形空间回流后，流经转子3的第二表面34，经过向心式涡轮的流动通道，最后经出气口21排出，也就是说，压气机内的气流方向发生了两次回流，第一次是环形空间内，气流沿环形空间内壁，实现了从径流离心到径流向心的转变，在此过程中，气流流速降低，静压增加；第二次是在出气口21处，实现了从径向向心流动到轴向流动的转变，在此过程中，气流流速进一步变慢；因此，本发明发动机的出气口尾气速度很小，不能直接作为喷气推动力，但也正因此能更大程度利用尾气中的动能；

如图1所示，环形空间内设置有燃烧室4，燃烧室4成环形，在燃烧室4内由进气口11经第一表面33导入的气流与燃烧室4内的燃油混合燃烧生成高温高压的燃气；由燃烧室4生成的高温高压的燃气会冲击到向心式涡轮叶片32上，从而带动转子3转动，转子3的转动再带动其第一表面33上设置的离心式压气机叶片31工作进行压气，从而形成连续的工作循环；发动机在第一次回流时会产生湍流，使得燃烧室4内的燃烧效率更高，且有利于燃烧室4内的燃烧稳定；第二次回流时，气流流速进一步变慢，利于将气流中更多地动能转化成向心式涡轮叶片32即转子3的机械能，从而能够更大程度利用尾气中的动能，通过向心式涡轮叶片32带动转子3转动作为机械能输出，既能带动螺旋桨5作为直升机动力源，也可以带动发电机发电；

需要说明的是，本发明转子3的第一表面33作为离心式压气机的轮盘，装配离心式压气机叶片31：第二表面34作为向心式涡轮的轮盘，装配向心式涡轮叶片32，这样一来，从向心式涡轮叶片32到离心式压气机叶片31的传力路径缩减到非常短，对于结构强度的需求会较大程度降低，在外轮廓不变的情况下，叶片中就有更多的空间布设气膜冷却所需的冷气通道，使得整个转子3能采用更薄的尺寸设计、从而整个转子3有更轻的质量、更大的冷却通道空间，其中，冷气通道是位于高温结构内部非常细的通道，通过结构表面更细的孔，利用冷气在结构外表面形成一层气膜，将结构与高温空气尽可能隔离开，从而起到冷却的效果。

如图1-图2所示，进一步的，在壳体需要在径向突出的结构位置进行拆分的基础上，可以将壳体拆分为包括设置有进气口11的第一端盖1以及设置有出气口21的第二端盖2，第一端盖1和第二端盖2在环形空间处的端部密封连接，在作为发动机应用时，由于在环形空间内设置了燃烧室4，而燃烧室4内会充满高温高压气体，因此，第一端盖1和第二端盖2的连接处需要做好耐高温、耐高压和防泄漏设计，如设置耐高温密封垫，通过法兰连接等等，该设计为现有技术，属于本领域技术人员的常规能力。

如图1、图7所示，转子3的第一表面33的截面轮廓，在进气口11对应位置设置成凹型，在延伸到环形空间时设置成另一凹型，总体顺着气流的方向顺次设置成凹-凸-凹的结构，也就是说，对于转子3的第一表面33，先设计了一段凹曲线，能够更好的引导气流进入压气机，随后为配合转子3第二表面34的向心式涡轮叶片32结构曲线，压气机的轮廓曲线变为凸曲线，最后轮廓曲线回归凹曲线直到燃烧室4进口为止，能够更好的将气流传导进燃烧室4，实现更好的离心压气的功能；第二表面34的截面轮廓，在出气口21对应位置设置成凸形，总体顺着气流的方向，顺次设置成凹-凸-凸的结构，也就是说，转子3的第二表面34的截面轮廓从外环的燃烧室4出口开始，为配合第一表面33的轮廓曲线，先采用一段凹曲线，之后接一段凸曲线，能够更好的实现向心做功的效果，接着再接一段弯度更大的凸曲线，能够更好的引导气流流出出气口21；需要说明的是，第一端盖1和第二端盖2根据第一表面33和第二表面34的结构进行相应设置，使得能够生成能满足压气机增压比或者涡轮落压比的子午流道，这属于本领域技术人员所能够完成的设计，也并不作为本发明的创新点内容，此处，不在赘述。

如图2-图4所示，第一端盖1的进气口11内设置有第一支架13，如图2、图8所示，第二端盖2的出气口21内设置有第二支架24；第一支架13和第二支架24分别与转子3的两端转动连接，具体的，第一支架13的中部设置有中心法兰孔，中心法兰孔中装配有轴承与转子3的转轴转动相连，限制转子3的轴向位移。

进一步的，第二支架24的中部设置有尾锥体241，转子3的转轴另一端通过轴承与尾锥体241相连。

如图1、图9所示，第二端盖2的出气口21连接有排气管22，排气管22可以引导气流流向，以将废弃排出到没有影响的空间或进一步的回收利用。

另外，如图1、图4所示，第一端盖1的内表面连接环形空间处设置有压气机导叶12，压气机导叶12的结构与现有技术相同，用于引导气流的流向。

如图1、图8所示，第二端盖2的内表面连接环形空间处设置有涡轮导叶23，涡轮导叶23的结构与现有技术相同，用于引导气流的流向。

如图2所示，转子3的进气口11侧的一端还连接有传动轴，传动轴连接有螺旋桨5，当然，还可以连接多种做功机构，螺旋桨5中部设置有整流锥6，以降低对进气口11进气的影响。

本发明压气机-涡轮一体化发动机的工作原理如下：

气流从进气口11进入第一端盖1内部即转子3的第一表面33，经离心式压气机叶片31做功，顺着离心式压气机叶片31，沿第一表面33和第一端盖1之间的间隙(外涵道)作径向离心运动；再经过压气机导叶12引导整流，来到位于环形空间内的燃烧室4中，与燃油混合燃烧生成高温高压的燃气，经过涡轮导叶23引流，进入转子3的第二表面34冲击向心式涡轮叶片32，此时，向心式涡轮叶片32成向心式，气流顺着向心式涡轮叶片32，沿第二表面34和第二端盖2之间的间隙(内涵道)作径向向心运动，将气体的内能和势能转化成向心式涡轮叶片32的动能；气流在完成对向心式涡轮叶片32的做功后，来到排气口21，进入排气管22的进口，在转子3的凸起和第二端盖尾锥体241的引导下，经排气管22离开发动机。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：包括壳体和同轴设置在所述壳体内部的转子，所述壳体局部沿径向向外凸出形成环形空间，所述环形空间内设置有燃烧室，所述转子边缘延伸到所述环形空间内；

所述壳体的两端分别设置有进气口和出气口，所述转子包括面向所述进气口侧的第一表面和面向所述出气口侧的第二表面，所述第一表面上设置有离心式压气机叶片，所述第二表面设置有向心式涡轮叶片；所述壳体包括设置有所述进气口的第一端盖以及设置有所述出气口的第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖在环形空间处的端部密封连接；所述第一表面的截面轮廓，在所述进气口对应位置设置成凹型，在延伸到所述环形空间时设置成另一凹型，总体顺着气流的方向顺次设置成凹-凸-凹的结构；所述第二表面的截面轮廓，在出气口对应位置设置成凸形，总体顺着气流的方向，顺次设置成凹-凸-凸的结构；所述第一端盖和所述第二端盖根据所述第一表面和所述第二表面的结构进行相应设置；

气流由所述进气口进入后，流经所述第一表面，然后在所述燃烧室回流后，流经所述第二表面，最后经所述出气口排出。

2.根据权利要求1所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述进气口内设置有第一支架，所述出气口内设置有第二支架，所述第一支架和所述第二支架分别与所述转子的两端转动连接。

3.根据权利要求2所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述第二支架的中部设置有尾锥体。

4.根据权利要求2所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述出气口连接有排气管。

5.根据权利要求2所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述第一端盖的内表面连接所述环形空间处设置有压气机导叶。

6.根据权利要求2所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述第二端盖的内表面连接所述环形空间处设置有涡轮导叶。

7.根据权利要求2所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述转子的进气口侧的一端连接有传动轴。

8.根据权利要求7所述的压气机-涡轮一体化发动机，其特征在于：所述传动轴上连接有螺旋桨，所述螺旋桨中部设置有整流锥。

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