CN114396314A - 一种超音速轴流复合无叶涡轮 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种超音速轴流复合无叶涡轮，包括进气整流罩、无叶涡轮旋转轴、外层机匣、过渡段转子轮毂、工作段螺旋波毂，进气整流罩后方连接无叶涡轮旋转轴，无叶涡轮旋转轴上安装尖劈支板，工作段螺旋波毂安装在尖劈支板上，工作段螺旋波毂前方安装过渡段转子轮毂，外层机匣安装在最外一层的工作段螺旋波毂外部，相邻的工作段螺旋波毂构成一个级，最内层的一个级为第一级。本发明不仅能够满足工作于从亚音速到超音速乃至高超音速的来流条件，结构也更加简单，质量也更轻，尤其是不再需要从压缩机中抽取大量工质作为冷却气体，并能够在超音速来流条件下显著提升发动机性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机的涡轮。
背景技术
涡轮是一种流体机械，可以通过流体工质的膨胀过程不断提取机械能。涡轮通常包含多个静子叶片和转子叶片，用相邻叶片间的周向间隙来定义单个流道。涡轮动叶两侧流道内流体工质的压力差推动涡轮叶片旋转，该压力差产生旋转扭矩并传递到旋转轴上。
超音速涡轮机可以在更小功率单位体积产生更多的功率输出，然而，由于超声速通道中的激波和起动问题带来的高额损失，传统的带叶片式的流体机械几乎不可能采用高超声速工质。关于高超音速轴向进气涡轮的设计和性能分析，国内外也很少有公开的文献。
Lichtfuss H.J.和StarkenH在文献《超声速叶栅流动-航天科学进展》展示了一种超音速进口和亚音速轴向速度流动条件的组合形式涡轮，该涡轮必须工作在一定进气攻角的条件下，限制了涡轮的工作范围。美国Ramgen公司曾开发了一种轴向进气超音速压气机，压力比可达7.8；20世纪20年代起，有研究人员开始首次尝试设计超音速汽轮机，该汽轮机用于工业汽轮机的高压级部分。然而，由于无法处理涡轮出口的高温蒸汽，这项研究一直持续到本世纪中叶。20世纪50年代左右，超音速涡轮的研究方向又重新转向了蒸汽轮机、喷气发动机和火箭推进技术。超音速涡轮因其高比功越来越引起业界的广泛关注，因为它可以减少低压涡轮级的数量，从而使涡轮质量更轻更小，生产和运营成本可以降到更低。在1999年3月在英国伦敦举行的第三届欧洲涡轮机械会议:流体动力学和热力学的“用于火箭发动机的超音速涡轮的气动设计和试验”中，介绍了用于火神火箭发动机的LH2和LOX超音速涡轮。Verdonk G.和Dufournet T..在“发电机和机械驱动单级压比为200的超音速汽轮机的研制”中，1987年6月，冯·卡门研究所关于“小高压比汽轮机”的系列讲座里，介绍了一种由单级超音速涡轮组成的涡轮发电机。上述所有超声速涡轮级都包括一个收敛-扩张喷嘴和一段等截面平直流道，以便在极低反力度转子进口处实现更加均匀的相对超声速流动条件。
近年来，关于超音速燃烧过程的研究越来越引起科研人员对新型热循环发电和航空运输的注意。在这些新循环的基础上，如何实现能量转换的一个根本挑战是缺乏高效可用的流体机械来有效地应对燃烧室出口的超音速流动。2007年9月，在ISABE会议上,一项关于传统涡轮机械在超音速脉动条件基于爆轰的数值研究了证明，传统流体机械(带叶片式涡轮等)在超音速燃烧条件下，空气动力学性能上存在着无法接受的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供利用激波系在波毂突起两侧产生的压差和流体粘性效应推动涡轮旋转做功的一种超音速轴流复合无叶涡轮。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：包括进气整流罩、无叶涡轮旋转轴、外层机匣、过渡段转子轮毂、工作段螺旋波毂，进气整流罩后方连接无叶涡轮旋转轴，无叶涡轮旋转轴上安装尖劈支板，工作段螺旋波毂安装在尖劈支板上，工作段螺旋波毂前方安装过渡段转子轮毂，外层机匣安装在最外一层的工作段螺旋波毂外部，相邻的工作段螺旋波毂构成一个级，最内层的一个级为第一级。
本发明还可以包括：
1、过渡段转子轮毂面从圆形过渡到螺旋形，过渡形式为沿着轴向的进气方向，圆形轮毂对应于工作段螺旋波毂的部分逐渐突起以贴合工作段螺旋波毂的前缘部分。
2、螺旋波毂为实体轮毂，其上外表面的几何形式为以轴心为原点，以转子半径为中心线，沿着中心线所做的多段正弦曲线沿着轴向排气方向，旋转并轴向拉伸所做的旋转面。
3、工作段螺旋波毂沿圆周方向展开，以旋转轴轴向方向为笛卡尔坐标系Z轴，从进气方向到排气方向为Z轴正方向，建立工作段螺旋波毂起始段上表面曲线的参数的方程，R＝r+A*sin(2π*m*t)，其中，A代表振幅，波数为m，波毂旋转半径定义为r，0≤t≤1。
4、所述的级包括四级，第一级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径为r1为240mm，波数m1为18，螺旋角为b1为41度，振幅A1为8mm；第二级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r2为280mm，波数m2为20，螺旋角b2为43度，振幅A2为7.5mm；第三级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r3为320mm，波数m3为22，螺旋角b3为44度，振幅A3为7mm；第四级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r4为360mm，波数m4为24，螺旋角b4为47度，振幅A4为6.8mm。
本发明的优势在于：与传统的叶片式涡轮相比，当来流为轴向超音速来流时，传统叶片式涡轮无法适应这种极端复杂的工况，本发明所述的超音速轴流复合无叶涡轮可在所述工况下工作。如图所示，轴向超音速来流经过整流罩，从所述涡轮入口进入，超音速来流首先通过过渡段转子轮毂表面，进而平滑进入螺旋波毂段开始做功。为便于描述，本文将轮毂表面沿着圆周方向展开为平面，如图3所示，由于波浪形轮毂方向和来流方向存在一个螺旋角，如图3所示螺旋角b，超音速来流在越过波浪突起部分时会被压缩，产生强激波，高音速来流产生的强激波会在流道中发生轴向移动和切向移动，激波系越过的轮毂表面处的流体工质，由于强压缩的原因，流体工质粘性增强，且激波系发生着越过波浪突起部分的切向运动，由于流体工质和波毂表面间粘性效应以及波浪轮毂两侧存在压差的原因，无叶涡轮轮毂表面产生切向力，此切向力产生旋转扭矩并传递到旋转轴，产生功率输出。
传统的叶片式涡轮，由于叶片本身和涡轮轮毂被分别生产制造，生产制造完成后再进行组装。由于涡轮叶片本身的工作环境处在高温高压下，涡轮叶片本身材料强度一般要远远优于轮毂材料，这样的思路使得涡轮设计难度复杂化，由此带来的涡轮叶片冷却和涡轮轮毂燃气侵蚀等问题也使得广大专家学者投入了大量心血进行研究。即便如此，传统的叶片式涡轮仍然不能工作于超音速来流条件。本发明所述的超音速轴流无叶涡轮发动机，不仅能够满足工作于从亚音速到超音速乃至高超音速的来流条件，结构也更加简单，质量也更轻，尤其是不再需要从压缩机中抽取大量工质作为冷却气体，以及在叶片上进行复杂的冷却通道设计，极大的降低了涡轮的设计成本，制造成本，维护成本，并能够在超音速来流条件下显著提升发动机性能。
附图说明
图1为本发明午面剖视图；
图2为本发明超音速轴流复合无叶涡轮移除外层机匣的三维视图；
图3为过渡段转子轮毂对应于螺旋波毂突起的过渡面示意图；
图4为螺旋波毂表面沿圆周方向展开视图；
图5为超音速轴流复合无叶涡轮某级轮毂在图1中的B-B剖面；
图6为超音速轴流复合无叶涡轮在支板位置处的轴向剖视图；
图7为超音速轴流复合无叶涡轮尖劈支板结构示意图；
图8为单级涡轮内子午面流道内激波结构示意图；
图9为涡轮变工况下功率随转速变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-9，本发明公开了一种超音速轴流复合无叶涡轮，所述轴流复合无叶涡轮包括：具有使得流体工质能够从圆形轮毂面过渡到螺旋波毂的过渡段转子轮毂；超音速轴流无叶涡轮螺旋波毂；相邻的两个波毂构成无叶涡轮的一个级，从内向外分别称为无叶涡轮的第一级，第二级等(依递增序类推)；外层机匣；来流气体整流罩；尖劈支板；可以旋转的轴；所述超音速轴流无叶涡轮螺旋波毂通过尖劈支板联结到所述轴；其中，每一级的过渡段转子轮毂分别与每一级的螺旋波毂联结；无叶涡轮级级数至少为两个；超音速轴流无叶涡轮级的子午面通流形式为等截面形式或者渐扩形式，不仅防止超音速来流在流道内减速，还在螺旋波毂作用下产生反射旋转激波系，利用激波系在波毂突起两侧产生的压差和流体粘性效应推动涡轮旋转做功。
涡轮发动机不包含叶片，通过来流工质与轮毂面的相互作用使得涡轮发生旋转，进而产生功率输出。
涡轮发动机过渡段转子轮毂面从圆形逐渐过渡到螺旋形，过渡形式为沿着轴向的进气方向，圆形轮毂对应于螺旋波毂的部分逐渐突起以贴合螺旋波毂的前缘部分。
螺旋波毂是具有一定厚度的实体轮毂，其上外表面的几何形式为以轴心为原点，以转子半径为中心线，沿着中心线所做的多段正弦曲线沿着轴向排气方向，旋转并轴向拉伸所做的旋转面，并赋予其一定厚度使之成为实体轮毂。
超音速轴流复合无叶涡轮的涡轮级级数至少为两个，多级无叶涡轮之间使用尖劈支板联结到所述旋转轴，整流支板的形状、数量和排列方式可根据工程实际和涡轮机工作状况进行调整。
涡轮级螺旋波毂为具有一定厚度的实体，其内表面同时作为其内层涡轮级的轮缘使用，且内层涡轮级的子午面通流形式为等截面形式或者渐扩形式。
超音速轴流无叶涡轮发动机，螺旋波毂表面会使得超音速轴向来流产生额外的强压缩波系、膨胀波系、冲击和切向力，以此来推动涡轮旋转做功。
具有使得流体工质能够从圆形轮毂面过渡到螺旋波毂的过渡段转子轮毂，如图3所示，对应于螺旋波毂起始段凸起部分的圆弧曲线101逐渐突起以逐渐平滑过渡至螺旋波毂突起部分曲线102；过渡段转子轮毂长度t为50mm,涡轮级每一级通流部分平均径向高度h为14mm，最外层机匣外表面半径为400mm，厚度为8mm，螺旋波毂轴向长度L为1200mm，尖劈支板个数为6个，支板厚度s为10mm，整流罩为半球形状，半球半径与最内层波毂半径一致；
如螺旋波毂沿圆周方向展开图3所示，其中，A代表振幅，b代表螺旋角，波数为m，波毂旋转半径定义为，沿垂直于螺旋波毂轴向切面处，图中所示中间虚线与旋转轴心的距离r；以旋转轴轴向方向为笛卡尔坐标系Z轴，从进气方向到排气方向为Z轴正方向，建立螺旋波毂起始段上表面曲线(此曲线即为图中A-A截面与某级螺旋波毂在螺旋波毂上表面的交线)的参数的方程，R＝r+A*sin(2π*m*t),其中t为参数，0≤t≤1,
涡轮级设置为四级，其中第一级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径为r1为240mm，波数m1为18，螺旋角为b1为41度，振幅A1为8mm；第二级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r2为280mm，波数m2为20，螺旋角b2为43度，振幅A2为7.5mm；第三级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r3为320mm，波数m3为22，螺旋角b3为44度，振幅A3为7mm；第四级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r4为360mm，波数m4为24，螺旋角b4为47度，振幅A4为6.8mm。
通过实验和CFD仿真计算，可对涡轮工作状态进行分析；下面是在实验和仿真计算中使用的边界条件：来流总压为2-30Mpa，来流总温为900K-1400K，出口背压为1个标准大气压，来流马赫数在1.3-5.0的范围内；数值模拟时工质选择为空气，工质采用理想气体模型；旋转速度在10000-120000r/min；涡轮在最佳转速下工作时，输出峰值功率为84kw；经过CFD面积分计算，得到螺旋波毂表面扭矩产生来源的比例，其中压力差约占扭矩总和的60％，粘性力约占扭矩总和的40％；
无叶涡轮的各个级的子午面通流形式均为等截面通流形式，经过仿真计算，在预先给定的边界条件下，涡轮级流道内均产生反射旋转激波系，如图8为子午面激波结构示意图，强激波压缩波毂突起两侧流体工质使其产生压力差作为推动涡轮旋转的一部分力；同时，流体工质发生着沿着圆周方向，越过波毂突起部分的旋转运动，利用该旋转运动产生的流粘性效应对波毂产生切向作用力；在波毂两侧压力差和粘性效应产生的粘性力共同作用下，促使无叶涡轮机旋转做功；
本发明还涉及由超音速/跨音速涡轮级组成的燃气轮机和喷气发动机，以及由此类燃气轮机或喷气发动机驱动的飞机、船舶、发电厂和燃气管道泵站。
Claims (5)
1.一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：包括进气整流罩、无叶涡轮旋转轴、外层机匣、过渡段转子轮毂、工作段螺旋波毂，进气整流罩后方连接无叶涡轮旋转轴，无叶涡轮旋转轴上安装尖劈支板，工作段螺旋波毂安装在尖劈支板上，工作段螺旋波毂前方安装过渡段转子轮毂，外层机匣安装在最外一层的工作段螺旋波毂外部，相邻的工作段螺旋波毂构成一个级，最内层的一个级为第一级。
2.根据权利要求1所述的一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：过渡段转子轮毂面从圆形过渡到螺旋形，过渡形式为沿着轴向的进气方向，圆形轮毂对应于工作段螺旋波毂的部分逐渐突起以贴合工作段螺旋波毂的前缘部分。
3.根据权利要求1所述的一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：螺旋波毂为实体轮毂，其上外表面的几何形式为以轴心为原点，以转子半径为中心线，沿着中心线所做的多段正弦曲线沿着轴向排气方向，旋转并轴向拉伸所做的旋转面。
4.根据权利要求1所述的一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：工作段螺旋波毂沿圆周方向展开，以旋转轴轴向方向为笛卡尔坐标系Z轴，从进气方向到排气方向为Z轴正方向，建立工作段螺旋波毂起始段上表面曲线的参数的方程，R＝r+A*sin(2π*m*t)，其中，A代表振幅，波数为m，波毂旋转半径定义为r，0≤t≤1。
5.根据权利要求1所述的一种超音速轴流复合无叶涡轮，其特征是：所述的级包括四级，第一级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径为r1为240mm，波数m1为18，螺旋角为b1为41度，振幅A1为8mm；第二级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r2为280mm，波数m2为20，螺旋角b2为43度，振幅A2为7.5mm；第三级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r3为320mm，波数m3为22，螺旋角b3为44度，振幅A3为7mm；第四级无叶涡轮螺旋波毂旋转半径r4为360mm，波数m4为24，螺旋角b4为47度，振幅A4为6.8mm。
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| Title |
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| 杨彤, 王松涛: ""叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响"", 《科学技术与工程》, vol. 14, no. 12, 28 April 2014 (2014-04-28), pages 193 - 200 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117195593A (zh) * | 2023-11-06 | 2023-12-08 | 陕西空天信息技术有限公司 | 叶片的气体流动参数的获取方法、装置、设备及介质 |
| CN117195593B (zh) * | 2023-11-06 | 2024-01-26 | 陕西空天信息技术有限公司 | 叶片的气体流动参数的获取方法、装置、设备及介质 |
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