CN112576366B - 一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，气体从压气机入口进入增压涡轮，气体在进入涡轮后部分从作为导管的轴承引气管进入轴承套，推动转子旋转，转子借助轴承内的空气动压效应悬浮于空气气膜上。气体进入压气机瞬间，部分气体通过旁通阀进入涡轮蜗壳上的喷嘴口，辅助推动转子快速浮起。转子浮起后，由于涡轮进口压力高于压气机进口压力，旁通阀门将自动关闭。本发明采用空气动压轴承传动，转速高、效率高、寿命长，与常规航空涡轮比较，寿命周期内不需要维护保障，特别适合于飞机、直升机环控系统，吊舱环控系统的空调制冷。

Description

一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器
技术领域
本发明属于飞机、直升机环控系统、电子冷却系统中的制冷设备，涉及一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮，可以应用于航空、船舶和电子等领域的空调制冷和电子设备冷却。
背景技术
随着航空技术的高速发展，航空装备的电子化程度得到了迅速提高，军事战争步入信息化、电子化时代。为了实现精确打击、侦查及电子对抗等方面的功能，装备配备了大量的电子设备，受环境空间限制，电子设备集成度高、功率大。涡轮制冷依然是飞机、直升机、吊舱等环控系统的首选制冷设备，空气动压轴承传动的增压涡轮因效率高、寿命长、维护方便已成为航空涡轮的优选技术。
发明内容
本发明旨在提供一种重量轻和体积小的空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮，替代现有的常规轴承传动的增压涡轮，解决常规轴承传动的增压涡轮效率低、寿命短，需要定时维护的使用问题。
本发明是通过如下技术方案予以实现的：
一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，包括涡轮叶轮、喷嘴环、涡密封组件、轴承支撑、涡轮蜗壳、轴承引气管、轴承套、轴、压密封、压气机壳、压气机叶轮、径向轴承、止推轴承和活门；
所述轴置于轴承套内，且轴的左、右两端分别与涡轮叶轮、压气机叶轮连接，轴与轴承套之间设置有作为空气动压轴承的径向轴承；
所述轴承套置于轴承支撑内腔中，轴承套的内壁上开有槽口，且槽口平行于轴承套的轴线方向，轴承套的内壁上还开有贯穿轴承套内、外壁的通气孔；
沿着所述涡轮叶轮的外周向设置有喷嘴环，涡轮叶轮与轴承套之间设置有涡密封组件；
所述压气机叶轮与轴承套之间设置有压密封；
所述轴承支撑的外周向表面开有引气口，轴承支撑对应涡轮叶轮一侧的端面上设置有第一腔体，对应压气机叶轮一侧的端面上设置有第二腔体，轴承支撑内部开有引气通道，引气通道的一端与引气口连通，另一端与第二腔体连通，轴承支撑的两端分别与涡轮蜗壳、压气机壳连接，涡轮叶轮、喷嘴环置于涡轮蜗壳中，压气机叶轮置于压气机壳中，涡轮蜗壳与压气机壳之间通过旁路管路连通，且旁路管路中设置有活门；
所述止推轴承位于第二腔体内，且置于轴上；
所述轴承引气管的一端与引气口连通，另一端与涡轮蜗壳连通。
进一步，所述轴为带有轴向空腔体的空心轴，拉杆同时贯穿轴的轴向空腔体、涡轮叶轮和压气机叶轮，且拉杆的一端通过第一螺母将涡轮叶轮紧固在轴上，拉杆的另一端通过第二螺母将压气机叶轮紧固在轴上。
进一步，所述涡轮叶轮和压气机叶轮均为径-轴流式叶轮。
进一步，所述涡轮叶轮包括多个沿着叶轮圆周方向均布的长叶片和短叶片，且长叶片和短叶片的数量相等，所述压气机叶轮包括多个沿着叶轮圆周方向均布的叶片，且叶片的数量大于涡轮叶轮上的长叶片数量。
进一步，所述活门为单向活门，包括活门座、旋转轴、左活门板和右活门板，左活门板和右活门板以旋转轴为轴线旋转。
进一步，所述喷嘴环包括第一层喷嘴和第二层喷嘴，第一层喷嘴和第二层喷嘴分别位于两个平行且都垂直于涡轮叶轮旋转轴线的平面上，第一层喷嘴和第二层喷嘴上均设置有多个喷管。
进一步，所述喷管的进气端孔径大于出气端孔径，喷管的轴线在涡轮叶轮的轮盘端面的垂直投影与轮盘端面的径向不重合，喷管的轴线与第一层喷嘴或第二层喷嘴所在平面之间有一个大于0°的夹角，第一层喷嘴上的喷管和第二层喷嘴上的喷管在涡轮叶轮的轮盘端面的垂直投影不重合。
进一步，所述压气机壳中还设置有包容环，以及与压气机叶轮同轴的扩压器，扩压器上均布有叶片，且叶片的数量大于压气机叶轮的数量。
进一步，所述轴包括左半轴和右半轴，左半轴和右半轴沿着轴线方向过盈装配。
进一步，所述涡轮叶轮的涡轮转速110000r/min～130000r/min，涡轮膨胀比为8.4，压气机压比为1.7，涡轮效率为80％，压气机效率为78％。
本发明的工作原理为：气体从压气机入口进入增压涡轮，气体在进入涡轮后部分从轴承引气导管进入轴承套，推动转子旋转，转子借助轴承内的空气动压效应悬浮于空气气膜上。气体进入压气机瞬间，部分气体通过旁通阀进入涡轮蜗壳上的喷嘴口，辅助推动转子快速浮起。转子浮起后，由于涡轮进口压力高于压气机进口压力，旁通阀门将自动关闭。
与现有技术相比，本发明具备以下特点：
(1)本发明为采用空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，采用涡轮-压气机结构，可以同时实现气体的增压和制冷。涡轮叶轮和压气机叶轮均采用径-轴流式叶轮，涡轮叶轮和压气机叶轮同轴，采用空气动压轴承传动。
(2)涡轮进口采用双层喷管结构的喷嘴环。
(3)在涡轮进口处设计喷嘴口及轴承引气管结构，将涡轮进口的气体引至轴承腔，对轴承进行气体冷却。
(4)在压气机入口和涡轮进口之间设计了旁路结构，并通过单向活门控制旁路气流，气体进入压气机瞬间，部分气体经旁路进入涡轮，辅助空气动压轴承起动，保证增压涡轮的起动性能，当增压涡轮起动以后，单向活门在涡轮和压气机两侧的压差作用下自动关闭。
(5)轴系结构中，轴采用空心轴结构，止推轴承位于压气机侧，涡轮叶轮和压气机叶轮位于轴的两端，并通过穿过空心轴的拉杆后由自锁螺母固定，涡轮叶轮与轴承腔、压气机叶轮与轴承腔之间通过涡密封组件和压密封进行动密封，这里的轴承腔是指径向轴承和止推轴承所在的带有空气的腔体。
(6)单向活门包括活门座、活门板和旋转轴等结构，整体为装配结构。
附图说明
图1为空气动压轴承传动的两轮式增压式涡轮冷却器结构示意图；
图2为涡轮叶轮结构图；
图3为压气机叶轮结构图；
图4为涡轮喷嘴环结构图；
图5为轴承套结构图；
图6为轴承支撑结构图；
图7为涡轮蜗壳结构图；
图8为压气机壳组件结构图；
图9为压气机扩压器结构图；
图10为轴结构图
图11为单向活门结构图；
图中：1—涡轮叶轮、2—喷嘴环、3—涡密封组件、4—轴承支撑、5—涡轮蜗壳、 51-喷嘴口、6—轴承引气管、7—轴承套、8—轴、9—扩压器、10—压密封、11 —压气机壳、12—压气机叶轮、13—径向轴承、14—拉杆、15—止推轴承、16 —单向活门、17-包容环、161-活门座、162-旋转轴、163-左活门板、164-右活门板、18-涡轮进口、19-涡轮出口、20-压气机入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
如图1，本实施例中，空气动压轴承传动的两轮式增压式涡轮冷却器包括涡轮叶轮1、压气机叶轮12、轴8、径向轴承13、止推轴承15、轴承套7、拉杆 14、喷嘴环2、扩压器9、涡密封组件3、压密封10、涡轮蜗壳5、压气机壳11、单向活门16、轴承引气管6、轴承支撑4。压气机入口20和涡轮进口18之间安装了单向活门16，增压涡轮完全启动后活门关闭。在涡轮进口18设计了喷嘴口 51，并通过轴承引气管6将涡轮进口18的气体引至轴承套7内。
空气动压轴承传动的两轮式增压式涡轮冷却器起动时，气体是先进入压气机入口20，然后从压气机出来后进入涡轮进口18，涡轮冷却器的工作过程是涡轮转动，带动压气机转动。采用旁通单向活门16，主要是在起动瞬间让进入压气机的部分气体先进入涡轮，涡轮转动后带动压气机转动，涡轮冷却器正常起动后，旁通活门关闭。
对轴承腔进行冷却时，气体进入轴承套7的路径为轴承引气管6→轴承支撑 4内部引气通道→轴承支撑4与压密封10之间的第二腔体→轴承套7内壁上的槽中→轴承支撑4与涡密封组件3之间的第一腔体，此路径中涡密封组件3和压密封10构成的动密封结构并不完全阻隔冷却气体的流动，允许部分气体从动密封处泄漏形成两个气体出口，进而实现径向轴承13、止推轴承15所在腔体的冷却。
如图1，两轮式增压涡轮冷却器为整体装配结构，拉杆14安装在轴8内，涡轮叶轮1和压气机叶轮12安装在轴的两端，轴8和径向轴承13、止推轴承15 安装在轴承套7内，轴承套7安装在轴承支撑4内，涡轮叶轮1与轴承套7之间采用涡密封组件3进行动密封，压气机叶轮12与轴承套7之间采用压密封10 进行动密封。轴承支撑4两端分别与涡轮蜗壳5和压气机壳11连接。轴承引气管6安装在涡轮进口18与轴承支撑4之间，通过螺钉固定，单向活门16安装在涡轮进口18和压气机入口20之间，采用螺钉固定。
如图1所示，根据增压涡轮的涡轮流量、膨胀比、效率等参数设计涡轮叶轮 1和涡轮喷嘴环2并确定增压涡轮的转速。根据压气机流量、压比、效率、转速等参数设计压气机叶轮12和扩压器9。
如图1所示，根据增压涡轮的进口压力、流量等指标，确定空气动压轴承规格，设计轴系结构，并进行轴系转子动力学仿真，确定轴8、涡轮叶轮1、压气机叶轮12结构。
如图1所示，根据轴系及轴承的起动特性，结合增压涡轮的性能指标流量、进出口压力、转速，在压气机和涡轮入口之间设计单向活门16结构，辅助轴承起动，设计轴承引气管6结构，进行轴承引气及冷却。
如图2所示，涡轮叶轮采用径-轴流式叶轮，叶轮外径为
Figure BDA0002832029700000051
采用长、短叶片布局，长、短叶片各7个。
如图3所示，压气机叶轮采用径-轴流式叶轮，叶轮外径为
Figure BDA0002832029700000052
叶片数为13个，沿周均布。
如图4所示，涡轮的喷嘴环2采用双层喷管结构，每层13个喷嘴，沿周均布，两层喷嘴之间结构上交错布置，进口直径
Figure BDA0002832029700000053
出口直径
Figure BDA0002832029700000054
涡轮的喷嘴环2是涡轮的特殊结构，安装于涡轮叶轮1的前端，主要作用是气体经过涡轮的喷嘴环2中加速、整流后按一定方向均匀进入涡轮叶轮1，并通过喷嘴环2 中喷嘴的最小截面控制涡轮流量，对于涡轮叶轮1进口高度较小的情况，本实施例中采用了双排设计的方式，综合考虑了结构和性能之间的关系。
如图5所示，轴承套7固定在轴承支撑4内，不旋转，轴承套7两侧用于安装径向轴承13(图5中左右两个腔体中)，中间沿周均布有通气孔，一方面起到减重作用，一方面用于形成冷却气体流动的通道和压力平衡空间。
如图6所示，轴承支撑4两端分别开有第一腔体和第二腔体，用于配合涡密封组件3和压密封10的安装。轴承支撑4与涡密封组件3和压密封10之间采用螺钉连接，并在止推轴承15侧开有与轴承引气管6连接的通气孔。轴承支撑4 与涡轮蜗壳5和压气机壳11之间采用螺钉连接。
如图7所示，在涡轮入口端设计喷嘴口51结构，并将轴承引气管6与喷嘴口51(涡轮蜗壳5上的喷嘴口51)连接，将涡轮进口18的气流引至轴承套7 内。
如图8所示，压气机组件包括压气机壳11、扩压器9和包容环17，包容环 17安装在压气机进口，可以有效改善进口气流条件。
如图9所示，扩压器9采用楔形叶型，共15个叶片，沿周均布，进口直径
Figure BDA0002832029700000061
出口直径
Figure BDA0002832029700000062
如图10所示，轴8采用空心轴，并采用左、右两节轴结构，左半轴81和右半轴82两节轴之间采用过盈配合进行装配成轴组件，右半轴82的右端有一盘状结构，盘状结构的轴线方向左端面和右端面处各装配有一个止推轴承15，形成对称装配，止推轴承15与径向轴承13组成了本实施例中的空气动压轴承，止推轴承15克服轴向力，保持稳定性，轴8的中间空心腔安装拉杆14。
如图11所示，单向活门16活门座161、旋转轴162、左活门板163和右活门板164组成，左活门板163和右活门板164可以绕旋转轴在90°范围内旋转，工作过程中根据两侧的压力差打开和关闭。

Claims (10)

1.一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：包括涡轮叶轮(1)、喷嘴环(2)、涡密封组件(3)、轴承支撑(4)、涡轮蜗壳(5)、轴承引气管(6)、轴承套(7)、轴(8)、压密封(10)、压气机壳(11)、压气机叶轮(12)、径向轴承(13)、止推轴承(15)和活门；
所述轴(8)置于轴承套(7)内，且轴(8)的左、右两端分别与涡轮叶轮(1)、压气机叶轮(12)连接，轴(8)与轴承套(7)之间设置有作为空气动压轴承的径向轴承(13)；
所述轴承套(7)置于轴承支撑(4)内腔中，轴承套(7)的内壁上开有槽口，且槽口平行于轴承套(7)的轴线方向，轴承套(7)的内壁上还开有贯穿轴承套(7)内、外壁的通气孔；
沿着所述涡轮叶轮(1)的外周向设置有喷嘴环(2)，涡轮叶轮(1)与轴承套(7)之间设置有涡密封组件(3)；
所述压气机叶轮(12)与轴承套(7)之间设置有压密封(10)；
所述轴承支撑(4)的外周向表面开有引气口，轴承支撑(4)对应涡轮叶轮(1)一侧的端面上设置有第一腔体，对应压气机叶轮(12)一侧的端面上设置有第二腔体，轴承支撑(4)内部开有引气通道，引气通道的一端与引气口连通，另一端与第二腔体连通，轴承支撑(4)的两端分别与涡轮蜗壳(5)、压气机壳(11)连接，涡轮叶轮(1)、喷嘴环(2)置于涡轮蜗壳(5)中，压气机叶轮(12)置于压气机壳(11)中，涡轮蜗壳(5)与压气机壳(11)之间通过旁路管路连通，且旁路管路中设置有活门；
所述止推轴承(15)位于第二腔体内，且置于轴(8)上；
所述轴承引气管(6)的一端与引气口连通，另一端与涡轮蜗壳(5)连通。
2.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述轴(8)为带有轴向空腔体的空心轴，拉杆(14)同时贯穿轴(8)的轴向空腔体、涡轮叶轮(1)和压气机叶轮(12)，且拉杆(14)的一端通过第一螺母将涡轮叶轮(1)紧固在轴(8)上，拉杆(14)的另一端通过第二螺母将压气机叶轮(12)紧固在轴(8)上。
3.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述涡轮叶轮(1)和压气机叶轮(12)均为径-轴流式叶轮。
4.根据权利要求3所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述涡轮叶轮(1)包括多个沿着叶轮圆周方向均布的长叶片和短叶片，且长叶片和短叶片的数量相等，所述压气机叶轮(12)包括多个沿着叶轮圆周方向均布的叶片，且叶片的数量大于涡轮叶轮(1)上的长叶片数量。
5.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述活门为单向活门(16)，包括活门座(161)、旋转轴(162)、左活门板(163)和右活门板(164)，左活门板(163)和右活门板(164)以旋转轴(162)为轴线旋转。
6.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述喷嘴环(2)包括第一层喷嘴和第二层喷嘴，第一层喷嘴和第二层喷嘴分别位于两个平行且都垂直于涡轮叶轮(1)旋转轴线的平面上，第一层喷嘴和第二层喷嘴上均设置有多个喷管。
7.根据权利要求6所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述喷管的进气端孔径大于出气端孔径，喷管的轴线在涡轮叶轮(1)的轮盘端面的垂直投影与轮盘端面的径向不重合，喷管的轴线与第一层喷嘴或第二层喷嘴所在平面之间有一个大于0°的夹角，第一层喷嘴上的喷管和第二层喷嘴上的喷管在涡轮叶轮(1)的轮盘端面的垂直投影不重合。
8.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述压气机壳(11)中还设置有包容环(17)，以及与压气机叶轮(12)同轴的扩压器(9)，扩压器(9)上均布有叶片，且叶片的数量大于压气机叶轮(12)的数量。
9.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述轴(8)包括左半轴(81)和右半轴(82)，左半轴(81)和右半轴(82)沿着轴线方向过盈装配。
10.根据权利要求1所述的一种空气动压轴承传动的两轮式增压涡轮冷却器，其特征在于：所述涡轮叶轮(1)的涡轮转速110000r/min～130000r/min，涡轮膨胀比为8.4，压气机压比为1.7，涡轮效率为80％，压气机效率为78％。
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