CN113756876B - 一种新型气动自旋波转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型气动自旋波转子结构，其包括：进气端盘、排气端盘、以及位于二者之间的鼓筒，其中：进气端盘的进气口设置有进气管，排气端盘的排气口设置有排气管；且，每个进气管与进气端盘之间的夹角相等，每个排气管与排气端盘之间的夹角也相等；且，排气管与排气端盘之间的夹角大于进气管与进气端盘之间的夹角，使得工质气体从进气管、进气口、鼓筒上的工质通道、排气口和排气管依次通过的过程中，驱动鼓筒旋转。本发明通过进气管与进气端盘的夹角、以及排气管与排气端盘的夹角的设计，实现波转子的气动自旋，省去了驱动机构，能够精简系统、减轻重量、节约成本。

Description

一种新型气动自旋波转子结构

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种新型气动自旋波转子结构。

背景技术

在传统燃气涡轮发动机性能已趋于发展极限，未来航空发动机实现跨越式发展越加困难的背景下，波转子技术应运而生。波转子利用非定常压力波使工质进行能量交换，从而实现其增压功能，可代替燃气涡轮发动机中的高压压气机和高压涡轮，且无需对原有发动机结构进行较大改变。已有实验表明将波转子技术引入燃气涡轮发动机后可大幅改善发动机的性能。尽管波转子技术具有广阔的发展前景，但在应用过程中还存在一些技术难题。

目前波转子增压技术领域普遍认为波转子的旋转需要驱动，但并未明确如何驱动。增加新的外置机械驱动，不仅占用了发动机内部空间又增加了发动机的设计难度，因此如何在不添加新部件的基础上实现波转子的驱动是一个亟需解决的难题。

典型的波转子结构由两侧端盘作为静子和中间一系列绕轴旋转面积固定的通道形成的鼓筒作为转子组成，通常有一根轴贯穿端盘连接驱动机构。当轴贯穿端盘时，端盘与轴之间的间隙空间也联通大气，所以会导致波转子的工质不断地泄漏到大气中。发动机在运行过程中，如何控制波转子端盘和轴之间的间隙尽可能小、且如何封严是亟待解决的另一个问题。

美国专利US2399394A提出一种波转子压力交换器。该专利提出了波转子的机械特征——转静子的定性结构、原理——压力波(包含激波、压缩波与膨胀波)完成增压、膨胀；明确提及由电机带动波转子旋转，其示意图中也明确了驱动电机的位置；但未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

美国专利US2461186A提出一种将波转子组装到燃气轮机的方式。该专利提出了波转子与低压压气机、低压涡轮、燃烧室的工作配合关系；且指出波转子可由转轴带动旋转或可通过气流保持转动；其示意图中转轴均穿过端盘，但并未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

中国专利CN1031422C提出一种气波增压器，即汽车发动机领域对“波转子”概念的另一种名称。该专利提出了一种主要尺寸值固定的气波增压器结构；其转子安装在主轴上，主轴由两个滚动轴承支撑悬臂装配在定子上，主轴由其他动力源经皮带带动旋转，转子再由主轴带动旋转。但未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

中国专利CN106895439A提出一种高效低污染核心机，该核心机可有效缩小燃气轮机体积，提高工作效率与功率，组织稳定无焰燃烧，降低污染物排放。其主要部件包含波转子，通过示意图可看到贯穿波转子端盘的轴，但未提及波转子如何驱动，也未表明如何控制波转子端盘与贯穿轴的间隙及如何封严问题。

国外的英文期刊论文Tüchler,S.and C.D.Copeland,Experimental resultsfrom the Bathμ-wave rotor turbine performance tests.Energy Conversion andManagement,2019.189:p.33-48.研究一种波转子涡轮(wave rotor turbine)，概念与波转子相近。该装置具有气动自旋功能，但此功能是通过弯曲的转子通道实现的；而且该装置的转轴仍然贯穿了静子端盘，因此仍然面临轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

虽然只有美国专利US2399394A具体提及波转子由电机驱动，其他专利均未明确动力源，但是国内外相关论文中已论述波转子的旋转离不开动力源，通常需要增加驱动装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型气动自旋波转子结构，以在不添加新部件、且不增加波转子结构复杂度的基础上实现波转子的驱动。

本发明进一步的目的是从根本上解决轴与波转子端盘的间隙与封严问题。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种新型气动自旋波转子结构包括：进气端盘、排气端盘、以及位于二者之间的鼓筒，其中：

进气端盘的进气口设置有进气管，排气端盘的排气口设置有排气管；且，每个进气管与进气端盘之间的夹角相等，每个排气管与排气端盘之间的夹角也相等；且，排气管与排气端盘之间的夹角大于进气管与进气端盘之间的夹角，使得工质气体从进气管、进气口、鼓筒上的工质通道、排气口和排气管依次通过的过程中，驱动鼓筒旋转。

为达上述进一步的目的，进气端盘的中心和排气端盘的中心分别向远离鼓筒的方向凹陷、形成有轴安装部，鼓筒的转轴装配于所述轴安装部。

优选地，鼓筒的转轴与所述轴安装部通过轴承装配。

优选地，进气管的靠近鼓筒的转动中心线的一侧、以及进气管的远离鼓筒的转动中心线的一侧为圆柱面。

优选地，排气管的靠近鼓筒的转动中心线的一侧、以及排气管的远离鼓筒的转动中心线的一侧为圆柱面。

优选地，进气管的数量为两个；排气管的数量也为两个。

优选地，鼓筒的工质通道为均匀直线形状的通道。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

通过进气管与进气端盘的夹角、以及排气管与排气端盘的夹角的设计，实现波转子的气动自旋，省去了驱动机构，能够精简系统、减轻重量、节约成本。

鼓筒转轴不需连接驱动机构，因此不需要贯穿端盘壁面，使鼓筒转轴与端盘的间隙面不再联通大气、而是被封闭在波转子机匣内部，更无需单独封严，从根本上解决了鼓筒转轴与端盘的间隙与封严问题。

附图说明

图1为本实施例波转子的立体图；

图2为本实施例波转子的侧视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为两个进气管的示意图；

图5为进气端盘和排气端盘的示意图；

图6为鼓筒的示意图；

图7为两个排气管的示意图；

附图标记：

1、进气管；11、第二侧部；12、第一侧部；13、第三侧部；14、第四侧部；2、进气端盘；21、进气口；22、轴承容置空间；3、鼓筒；31、工质通道；4、排气端盘；41、排气口；5、排气管；51、第五侧部；52、第六侧部；53、第七侧部；54、第八侧部；6、轴承；7、机匣；β1、进气管与进气端盘的夹角；β2、排气管与排气端盘的夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1至图3，本波转子由进气管1、进气端盘2、鼓筒3、排气端盘4、排气管5、轴承6和鼓筒3的机匣7组成。其中，波转子的端盘为静子，波转子的鼓筒3为转子。进气端盘2和排气端盘4分别设于鼓筒3的两侧；进气端盘2上设有两个进气口21(见图5)，两根进气管1与两个进气口21对应连接，排气端盘4上设有两个排气口41(见图5)，两根排气管5与两个排气口41对应连接。两个轴承6结构相同，其外圈固定在端盘上，内圈套在鼓筒3的转轴上。鼓筒3的机匣7固定于进气端盘2和排气端盘4之间。

参照图4，进气管1的靠近鼓筒3的转动中心线的一侧、以及进气管1的远离鼓筒3的转动中心线的一侧，即图4中的第一侧部12和第二侧部11，为圆柱面。进气管1的左右两侧，即图4中的第三侧部13和第四侧部14，与进气端盘2之间的夹角为β1(如图3所示)。

参照图7，同样，排气管5的靠近鼓筒3的转动中心线的一侧、以及排气管5的远离鼓筒3的转动中心线的一侧，即图7中的第五侧部51和第六侧部52，也为圆柱面。排气管5的左右两侧，即图7中的第七侧部53和第八侧部54，与排气端盘4的夹角为β2(如图3所示)。

排气管5与排气端盘4之间的夹角β2，大于进气管1与进气端盘2之间的夹角β1。根据角动量守恒定律，当β2大于β1时(如图3所示)，工质气体进入鼓筒3产生的角动量大于工质气体流出鼓筒3产生的角动量，给鼓筒3提供了一个扭矩。当该扭矩大于机械摩擦力时即可驱动鼓筒3旋转。已有实验研究证实仅需输入很小的扭矩即可克服摩擦力维持鼓筒3旋转。即，通过排气管5与排气端盘4的夹角大于进气管1与进气端盘2的夹角的独特设计，当工质气体从进气管1、进气口21、鼓筒3上的工质通道、排气口41和排气管5依次通过的过程中，驱动鼓筒3旋转，从而实现波转子的气动自旋。这种原理在均匀直线形状的转子通道上就可以实现自旋，而不需要设计弯曲的通道，比国外相关文献中的弯曲转子通道更简单、成本更低。

与传统的在端盘的中心设置轴孔不同。参照图3和图5，本实施例中，进气端盘2的中心和排气端盘4的中心不开轴孔，而是通过在进气端盘2的中心和排气端盘4的中心分别向远离鼓筒3的方向凹陷、形成有轴承的容置空间22，轴承6外圈固定于端盘上的轴承的容置空间22内，内圈套在鼓筒3的短轴上，当气动力作用于鼓筒3时，鼓筒3可绕轴旋转。进一步，在本实施例中，进气端盘2中心的上述凹陷结构和排气端盘4中心的上述凹陷结构从端盘的外表面凸出，即，采用靠近鼓筒3一侧内凹，远离鼓筒3一侧外凸的设计方式，在端盘形成轴承的容置空间，有利于端盘的薄型化，以及波转子的轻型化。

参照图6，鼓筒3上有一圈均匀直线形状的工质通道31。波转子通过鼓筒3与进、排气端盘的相对旋转，使得鼓筒3上的工质通道31的进出口周期性地打开、关闭，从而触发非定常压力波，实现波转子的增压、膨胀功能。鼓筒3包含一根转轴，但转轴无需贯穿端盘(如图3所示)。

结合图2和图3，鼓筒3的机匣7左右两侧分别固定于进气端盘2和排气端盘4。由于鼓筒3与端盘之间必然存在一定间隙，鼓筒3的机匣7使得鼓筒3位于一个相对密闭的结构中，从而避免波转子内部工质气体向外泄漏。

由上述可见，本波转子通过进气管1与进气端盘2的夹角、排气管5与排气端盘4的夹角的巧妙设计，利用工质气体的气动力驱动鼓筒3旋转，实现波转子的气动自旋，因此不需要再单独进行驱动机构的设计。

进而，由于波转子无外部驱动机构，故鼓筒3的转轴无需贯穿端盘连接外部驱动机构，端盘无需开孔，更不存在如何封严的问题。

上述通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本发明的内容，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员在本发明构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型气动自旋波转子结构，包括：进气端盘、排气端盘、以及位于二者之间的鼓筒，其特征在于：

进气端盘的进气口设置有进气管，排气端盘的排气口设置有排气管；且，每个进气管与进气端盘之间的夹角相等，每个排气管与排气端盘之间的夹角也相等；且，排气管与排气端盘之间的夹角大于进气管与进气端盘之间的夹角，使得工质气体从进气管、进气口、鼓筒上的工质通道、排气口和排气管依次通过的过程中，驱动鼓筒旋转；

进气端盘的中心和排气端盘的中心分别向远离鼓筒的方向凹陷、形成有轴安装部，鼓筒的转轴装配于所述轴安装部。

2.根据权利要求1所述的新型气动自旋波转子结构，其特征在于：鼓筒的转轴与所述轴安装部通过轴承装配。

3.根据权利要求1所述的新型气动自旋波转子结构，其特征在于：进气管的靠近鼓筒的转动中心线的一侧、以及进气管的远离鼓筒的转动中心线的一侧为圆柱面。

4.根据权利要求1所述的新型气动自旋波转子结构，其特征在于：排气管的靠近鼓筒的转动中心线的一侧、以及排气管的远离鼓筒的转动中心线的一侧为圆柱面。

5.根据权利要求1所述的新型气动自旋波转子结构，其特征在于：进气管的数量为两个；排气管的数量也为两个。

6.根据权利要求1所述的新型气动自旋波转子结构，其特征在于：鼓筒的工质通道为均匀直线形状的通道。