CN114857044B - 一种全气浮支承的多级对转轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全气浮支承的多级对转轴流压气机，包括由气体轴承支承在机匣上共轴对转的内转子组件(1)和外转子组件(2)，内、外转子叶片交替排列并相互对转使气流增压。支承内、外转子的气体轴承均通过引气系统获得高压高密度气体以增强支承能力、便于启动时起浮。由于内、外转子对转提高了轴流压气机级压比，且使用了全气体轴承支承的设计，本发明所述全气浮支承的多级对转轴流压气机具有级压比高、长度短、刚度高、重量轻、无滑油系统、寿命长的特点，适合于以高推重比为目标的先进航空涡轮发动机压气系统。

Description

一种全气浮支承的多级对转轴流压气机

技术领域

本发明涉及一种全气浮支承的多级对转轴流压气机。

背景技术

压气机是航空涡轮发动机的重要部件之一，其中多级轴流式压气机以流量大、效率高的优点广泛应用于大中型航空发动机，带引气系统的传统多级轴流式压气机结构如图1所示。传统多级轴流式压气机由固定在机匣上的静子5和旋转的转子6两大部分组成，转子叶片61和静子叶片51沿轴向交替排列，在气流通道中做功增压；整个转子前支承通常由固定在机匣上的滚动轴承担任；双层机匣内壁上环向分布的引气孔将一部分高压气体引入两层机匣间的储气腔，经均匀稳压后可从机匣外壁上的外放气孔引出，作为涡轮间隙调整、气动伺服装置、客舱空调等用气系统的气源。

这种传统多级轴流式压气机具有结构成熟简单、效率高、迎风面积小的优点，但也存在级压比低、长度较长、重量大、转子刚性小、滑油系统复杂、轴承寿命短等不足。对航空涡轮发动机来说，压气机的总压比越高，单位推力耗油率越低。随着总压比需求的不断提高，传统压气机所需的级数越来越多，转子长度的增加导致其重量增加刚性下降、振动增强、滚动轴承支承结构故障率升高，进而阻碍了发动机推重比和使用寿命的提高。

发明内容

为了解决所述压气机的级压比低的问题，本发明提供了一种全气浮支承的多级对转轴流压气机，该全气浮支承的多级对转轴流压气机具有两个共轴对转的转子组件，全部由气体轴承支承，对转的转子叶片共同对气流做功，提高了气流通过压气机级的扭速，因此这种全气浮支承的多级对转轴流压气机具有级压比高、级数少、长度短、重量轻等优点，且气体轴承支承结构阻尼小、发热少、寿命长、无需滑油冷却系统，因此本发明适用于以高推重比为目标的先进航空涡轮发动机压气系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全气浮支承的多级对转轴流压气机，包括机匣以及内外共轴对转的内转子组件和外转子组件，内转子组件和外转子组件通过气体轴承结构支承在机匣中，内转子组件含有沿轴向设置的多个内转子叶片组，每个内转子叶片组均含有沿周向设置的多个内转子叶片，外转子组件含有沿轴向设置的多个外转子叶片组，每个外转子叶片组均含有沿周向设置的多个外转子叶片，内转子叶片组与外转子叶片组沿轴向交替排列，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的一端设有气流入口，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的另一端设有气流出口。

本发明的有益效果是：

1、单级压比高：由于内转子组件的叶片和外转子组件的叶片对转，气体相对叶片流速增加，提高了气流通过压气机级的扭速，对转轴流压气机级压比能达到传统轴流压气机级压比约1.5倍。

2、级数少、长度短、刚度大，重量轻：由于单级压比高，相同总压比情况下全气浮支承的多级对转轴流压气机级数相比传统轴流压气机可以减少近一半，长度也可以缩短近一半，转子刚度可以提高约8倍，具有更大的结构减重空间。

3、无需滑油系统，寿命长：气体轴承支承结构与传统滚子轴承不同，几乎没有阻尼、发热和磨损，无需滑油系统润滑散热，结构简单，可以大幅降低设计、生产、维护的工作量。

基于上述特点，本发明尤其适用于以高推重比为目标的先进航空涡轮发动机压气系统。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是现有轴流压气机的示意图。

图2是本发明所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的示意图。

1、内转子组件；2、外转子组件；3、机匣；4、主流道；5、静子；6、转子；

11、内转子叶片组；12、盘-鼓-轴式复合传动结构；

21、外转子叶片组；22、外转子传动结构；23、外转子盘；24、外转子驱动轴；

31、气流入口；32、气流出口；33、第一气体轴承；34、第一止推式气体轴承；35、径向气体轴承；36、第二止推式气体轴承；37、轴承座；38、第二引气通孔；39、可调导叶调节机构；310、机匣内腔；311、导叶；312、第三引气通孔；

51、静子叶片；

61、转子叶片；

111、内转子叶片；

121、前段；122、中部段；123、驱动轴段；124、增压通孔；125、第一引气通孔；126、内转子盘；127、支撑盘；128、内腔体；

211、外转子叶片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，如具体的叶片级数、内外转子传动结构的具体方案与尺寸、气体轴承的结构类型、引气孔的具体位置尺寸等。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种全气浮支承的全气浮支承的多级对转轴流压气机，包括机匣3以及内外共轴对转的内转子组件1和外转子组件2，内转子组件1和外转子组件2通过气体轴承结构支承在机匣3中，内转子组件1含有沿轴向排列的多个内转子叶片组11，每个内转子叶片组11均含有沿周向排列的多个内转子叶片111，外转子组件2含有沿轴向排列的多个外转子叶片组21，每个外转子叶片组21均含有沿周向排列的多个外转子叶片211，内转子叶片组11与外转子叶片组21沿轴向交替排列，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的一端设有气流入口31，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的另一端设有气流出口32，如图2所示。

在本发明中，内转子组件1、外转子组件2和机匣3从内向外依次套设，内转子叶片111的旋向与外转子叶片211的旋向相反，内转子组件1能够以内转子组件1的轴线为轴转动，外转子组件2能够以外转子组件2的轴线为轴转动，内转子组件1和外转子组件2在工作时的转动方向相反。内转子叶片111与外转子叶片211可以分别由共轴反转的内转子传动结构与外转子传动结构驱动，气体能够从气流入口31进入并从气流出口32排出，气体在所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的气流通道内能够被压缩。

在本实施例中，内转子组件1还含有盘-鼓-轴式复合传动结构12，盘-鼓-轴式复合传动结构12为空心结构，盘-鼓-轴式复合传动结构12内含有内腔体128，多个内转子叶片组11均固定套设于盘-鼓-轴式复合传动结构12外。盘-鼓-轴式复合传动结构12的一端朝向气流入口31，盘-鼓-轴式复合传动结构12的一端为封闭状态，盘-鼓-轴式复合传动结构12的另一端朝向气流出口32，盘-鼓-轴式复合传动结构12的另一端为开放状态。

在本实施例中，沿气流入口31向气流出口32的方向，盘-鼓-轴式复合传动结构12含有依次设置的前段121、中部段122和驱动轴段123，前段121、中部段122和驱动轴段123均为筒形结构，前段121的内部、中部段122的内部和驱动轴段123的内部依次连通。前段121、中部段122和驱动轴段123的壁厚大致相同，中部段122的外径大于前段121的外径，中部段122的外径大于也驱动轴段123的外径。

在本实施例中，内转子组件1的轴线和外转子组件2的轴线和机匣3的轴线均重合，外转子组件2套设于机匣3内，所述气体轴承结构含有第一气体轴承33，第一气体轴承33位于机匣3与盘-鼓-轴式复合传动结构12的前段121之间，第一气体轴承33为双锥轴承，前段121上设有增压通孔124，内腔体128通过增压通孔124与第一气体轴承33的内部连通。增压通孔124可以将盘-鼓-轴式复合传动结构12的内腔体128中的高压高密度气体引入第一气体轴承33内，以提高第一气体轴承33的承载能力。启动过程中也可以通过向盘-鼓-轴式复合传动结构12的内腔体128中增压，使第一气体轴承33在静压作用下起浮，如图2所示。

机匣3含有可调或不可调导叶311，导叶311位于气流入口31和气流出口32处，前段121外套设有支撑盘127，支撑盘127为圆环形结构，第一气体轴承33位于支撑盘127和气流入口31处的导叶311之间。增压通孔124位于支撑盘127内，增压通孔124沿支撑盘127的直径方向延伸。第一气体轴承33采用双锥轴承，可以同时起到径向支承和双轴向止推的作用，第一气体轴承33也可以使用独立的径向和止推气体轴承。第一气体轴承33也可以采用双锥形气体轴承或使用独立的径向和止推气体轴承。

在本实施例中，内转子组件1和外转子组件2之间形成主流道4，在主流道4内，内转子叶片组11和外转子叶片组21沿轴向交替排列。盘-鼓-轴式复合传动结构12含有多个内转子盘126，内转子盘126为圆环形结构，内转子盘126位于中部段122外，内转子盘126与内转子叶片组11一一对应的内外连接固定为一体，与气流出口32最近的内转子盘126内设有第一引气通孔125，第一引气通孔125沿内转子盘126的直径方向延伸，内腔体128通过第一引气通孔125与主流道4连通。第一引气通孔125可以将部分高压气体引入盘-鼓-轴式复合传动结构12的内腔体128中，用于下游涡轮冷却等场合，以及为第一气体轴承33供气。

在本实施例中，外转子组件2还含有外转子传动结构22，外转子传动结构22为筒形结构，外转子传动结构22套设于内转子组件1和机匣3之间，盘-鼓-轴式复合传动结构12、外转子传动结构22和机匣3从内向外依次套设，多个外转子叶片组21均固定套设于外转子传动结构22内。

在本实施例中，外转子组件2还含有多个外转子盘23，外转子盘23为圆环形结构，外转子盘23套设于内转子组件1外，外转子盘23与外转子叶片组21一一对应的内外连接固定为一体，外转子盘23可以给外转子叶片组21和外转子传动结构22增强。内转子叶片组11、内转子盘126、外转子叶片组21和外转子盘23均位于主流道4内。

在本实施例中，外转子组件2还含有外转子驱动轴24，外转子驱动轴24位于气流出口32处，外转子驱动轴24为筒形结构，外转子驱动轴24套设于内转子组件1的驱动轴段123外，与气流出口32最近的外转子盘23和外转子驱动轴24连接固定，外转子驱动轴24与外转子传动结构22连接固定。内转子叶片组11和盘-鼓-轴式复合传动结构12连接固定为一体，外转子叶片组21、外转子传动结构22、外转子盘23和外转子驱动轴24连接固定为一体。

在本实施例中，所述气体轴承结构还含有第一止推式气体轴承34、径向气体轴承35和第二止推式气体轴承36，(沿内转子组件1的轴线方向)外转子传动结构22的一端通过第一止推式气体轴承34与机匣3连接，(沿内转子组件1的轴线方向)外转子传动结构22的中部通过径向气体轴承35与机匣3连接，(沿内转子组件1的直径方向)径向气体轴承35位于机匣3的主体和外转子传动结构22之间，(沿内转子组件1的轴线方向)外转子传动结构22的另一端通过第二止推式气体轴承36与机匣3连接，机匣3的主体与外转子传动结构22之间形成机匣内腔310，机匣内腔310与主流道4通过第一止推式气体轴承34连通，机匣内腔310与主流道4还通过第二止推式气体轴承36连通，如图2所示。

机匣3在压气机最后一级设有第三引气通孔312，第三引气通孔312的一端与机匣内腔310连通，第三引气通孔312的另一端与气流出口32连通，第三引气通孔312可以将部分高压气体引入机匣内腔310中，一方面可以为第一止推式气体轴承34、径向气体轴承35和第二止推式气体轴承36提供高压、高密度气体以提高其承载能力，另一方面可以通过下述第二引气通孔38引出至其他需要高压气体的部分，如图2所示。

在本实施例中，机匣3内设有轴承座37，(沿内转子组件1的直径方向)径向气体轴承35位于轴承座37和外转子传动结构22之间，轴承座37内设有第二引气通孔38，机匣内腔310依次通过径向气体轴承35和第二引气通孔38与机匣3的外部连通，第二引气通孔38与径向气体轴承35连通。在启动阶段，第二引气通孔38可以向机匣3上的轴承座37处反向供高压气，使第一止推式气体轴承34、径向气体轴承35和第二止推式气体轴承36在静压作用下起浮。另外，机匣3的两端均设有导叶311，导叶311可以为可调或不可调静子导叶。当导叶311为可调静子导叶时，导叶311连接有可调导叶调节机构39。

下面介绍所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的工作过程。

在图2中，压气机启动时需要先由外部气源向盘-鼓-轴式复合传动结构12的内腔体128和第二引气通孔38中增压，使第一气体轴承33、第一止推式气体轴承34、径向气体轴承35和第二止推式气体轴承36在静压作用下起浮降低摩擦力，内转子组件1与外转子组件2转动方向相反，分别由相应驱动轴加速至额定转速，气体从所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的左端的气流入口31进入，经过内转子叶片111和外转子叶片211的压缩作用，再从所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的右端的气流出口32排出，在此过程中所述气体被压缩。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (7)

1.一种全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机包括机匣(3)以及内外共轴对转的内转子组件(1)和外转子组件(2)，内转子组件(1)和外转子组件(2)通过气体轴承结构支承在机匣(3)中，内转子组件(1)含有沿轴向设置的多个内转子叶片组(11)，每个内转子叶片组(11)均含有沿周向设置的多个内转子叶片(111)，外转子组件(2)含有沿轴向设置的多个外转子叶片组(21)，每个外转子叶片组(21)均含有沿周向设置的多个外转子叶片(211)，内转子叶片组(11)与外转子叶片组(21)沿轴向交替排列，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的一端设有气流入口(31)，所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的另一端设有气流出口(32)；

内转子组件(1)还含有盘-鼓-轴式复合传动结构(12)，盘-鼓-轴式复合传动结构(12)为空心结构，盘-鼓-轴式复合传动结构(12)内设有内腔体(128)，多个内转子叶片组(11)均设置于盘-鼓-轴式复合传动结构(12)外；

沿气流入口(31)向气流出口(32)的方向，盘-鼓-轴式复合传动结构(12)含有依次设置的前段(121)、中部段(122)和驱动轴段(123)；

外转子组件(2)套设于机匣(3)内，所述气体轴承结构含有第一气体轴承(33)，第一气体轴承(33)位于机匣(3)与盘-鼓-轴式复合传动结构(12)的前段(121)之间，第一气体轴承(33)为具有止推功能的气体轴承，前段(121)上设有增压通孔(124)，内腔体(128)通过增压通孔(124)与第一气体轴承(33)的内部连通；

内转子组件(1)和外转子组件(2)之间形成主流道(4)，盘-鼓-轴式复合传动结构(12)含有多个用于加强结构的内转子盘(126)，盘-鼓-轴式复合传动结构(12)内设有第一引气通孔(125)，内腔体(128)通过第一引气通孔(125)与主流道(4)连通；

内转子盘(126)位于中部段(122)外，内转子盘(126)与内转子叶片组(11)一一对应的内外连接固定为一体，第一引气通孔(125)位于与气流出口(32)最近的内转子盘(126)内。

2.根据权利要求1所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，内转子组件(1)和外转子组件(2)在工作时的转动方向相反。

3.根据权利要求1所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，外转子组件(2)还含有外转子传动结构(22)，外转子传动结构(22)套设于内转子组件(1)和机匣(3)之间，多个外转子叶片组(21)均固定于外转子传动结构(22)内侧。

4.根据权利要求3所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，外转子组件(2)还含有多个用于加强结构的环形外转子盘(23)，外转子盘(23)套设于内转子组件(1)外。

5.根据权利要求4所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，外转子组件(2)还含有外转子驱动轴(24)，外转子驱动轴(24)位于气流出口(32)的一端，外转子驱动轴(24)为空心轴结构，外转子驱动轴(24)套设于内转子组件(1)外，外转子驱动轴(24)与外转子传动结构(22)连接固定。

6.根据权利要求3所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，所述气体轴承结构含有第一止推式气体轴承(34)、径向气体轴承(35)和第二止推式气体轴承(36)，外转子传动结构(22)的一端通过第一止推式气体轴承(34)与机匣(3)连接，外转子传动结构(22)的中部通过径向气体轴承(35)与机匣(3)连接，外转子传动结构(22)的另一端通过第二止推式气体轴承(36)与机匣(3)连接，机匣(3)与外转子传动结构(22)之间形成机匣内腔(310)，机匣内腔(310)与主流道(4)通过第一止推式气体轴承(34)和第二止推式气体轴承(36)连通；

机匣(3)在所述全气浮支承的多级对转轴流压气机的最后一级设有第三引气通孔(312)，第三引气通孔(312)的一端与机匣内腔(310)连通，第三引气通孔(312)的另一端与气流出口(32)连通。

7.根据权利要求6所述的全气浮支承的多级对转轴流压气机，其特征在于，机匣(3)内设有轴承座(37)，径向气体轴承(35)位于轴承座(37)和外转子传动结构(22)之间，轴承座(37)内设有第二引气通孔(38)，机匣内腔(310)依次通过径向气体轴承(35)和第二引气通孔(38)与机匣(3)的外部连通。