CN115013153B - 一种通道收敛的波转子系统 - Google Patents

Abstract

一种通道收敛的波转子系统，其包括：波转子，向所述波转子供应气体的上游部件，以及被所述波转子供应气体的下游部件，所述波转子包括若干工质通道，其中，所述下游部件的气体流速大于标准流速，沿着通道进口到通道出口的方向，各所述工质通道逐渐收敛。本发明通过合理设计波转子的工质通道结构，利用收敛的工质通道，在保持波转子进排气端气体压比近似不变的前提下实现波转子内气体流速增加，满足了下游需较高气体流速的部件的需求。

Description

一种通道收敛的波转子系统

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种通道收敛的波转子系统。

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中转子部分普遍采用均匀直线形状的通道，波转子结构仅提供压力交换，但不能自由控制压力交换后气体流速。若在某些应用场景中，波转子下游的部件需要较快的气流速度，则相对地出现波转子出口端气体流速过慢的问题。若通过调整波转子进出端气体的压比来提高通道内部气体流速，则需重新调整上下游部件的压力与之匹配。因此如何在保持波转子压比近似不变的前提下提高通道内气体流速，为波转子下游部件输出较高流速的气体是一个亟需解决的难题。

CN106895439A中国专利文献提出了一种高效低污染核心机，该核心机包括波转子，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，但该文献中未提及如何增大提供给下游部件的气体的流速。

CN113756876A中国专利文献提出了一种气动自旋的波转子，其中提出了利用波转子自身性能实现波转子的自驱动，但该文献也未提及如何增大提供给下游部件的气体的流速。

CN113390196A中国专利文献提出了一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，采用了回弯、渐扩压力振荡管来保证较小的射流损失，以及提高波转子膨胀制冷程度。该文献同样未提及如何增大提供给下游部件的气体的流速。

发明内容

本发明的目的是提供一种通道收敛的波转子系统，在保持波转子进排气端气体压比近似不变的前提下实现波转子内气体流速提高，满足下游需较高气体流速的部件的需求。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种通道收敛的波转子系统，其包括：波转子，向所述波转子供应气体的上游部件，以及被所述波转子供应气体的下游部件，所述波转子包括若干工质通道，所述下游部件的气体流速大于标准流速，沿着通道进口到通道出口的方向，各所述工质通道逐渐收敛。

收敛的工质通道，使得工质通道的横截面积由通道进口至通道出口不断减小。当鼓筒转动时，各工质通道周期性地将进气端盘的进气管道与排气端盘的排气管道连通，工质通道内产生非定常激波与膨胀波，实现波转子内不同能量的气体进行能量交换，收敛形式的工质通道使通道内的气流加速，从而使得提供给下游部件的气体流速得以增大。

优选地，所述工质通道的轮毂壁面为圆柱面、且与鼓筒轴线平行，所述工质通道的机匣壁面为圆锥面、且沿着通道进口到通道出口的方向向靠近通道中心线的方向逐渐收敛。

收敛角优选不大于10度。

优选地，所述波转子的进气端盘设有进气管道，所述进气管道为四边形管道，所述进气管道的轮毂壁面和机匣壁面为圆柱面，所述进气管道的其它两个壁面与进气端盘之间形成有夹角β1，所述波转子的排气端盘设有排气管道，所述排气管道为四边形管道，所述排气管道的轮毂壁面和机匣壁面为圆柱面，所述排气管道的其它两个壁面与排气端盘之间形成有夹角β2，所述夹角β2大于所述夹角β1。

当波转子的鼓筒转速一定，气流经过收敛形的工质通道增速后，其沿通道轴向速度分量增加，气流偏转角度发生变化。通过设计排气管道与排气端盘夹角β2大于进气管道与进气端盘夹角β1，实现了排气管道与排气端盘的夹角与工质通道出口气体偏转角度对应，工质通道出口气流沿排气管道轴向运动，可减小气体流动损失。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

通过合理设计波转子的工质通道结构，利用收敛通道，在保持波转子进排气端气体压比近似不变的前提下实现波转子内气体流速增加，满足了下游需较高气体流速的部件的需求。

通过合理设计进气管道与进气端盘、排气管道与排气端盘的夹角，实现了收敛通道出口处气体流动方向和排气管道设计方向一致，减小了排气口气体流动损失。

附图说明

图1为波转子系统的示意图；

图2为波转子的外部结构示意图；

图3为鼓筒的结构示意图；

图4为鼓筒的截面图；

图5为进气端盘和进气管道的示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为排气端盘和排气管道的示意图；

图8为图7的侧视图。

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。

图1中示意性表示了一种波转子系统的构成。

该系统包括波转子300、压气机100、涡轮400和燃烧室200。燃烧室200连接在波转子300的一个进气管道和一个排气管道之间，压气机100与波转子300的另一个进气管道相连，涡轮400与波转子300的另一个排气管道相连。

图1中用箭头表示气流的流向。空气经压气机100预压缩后，从一个进气管道进入波转子300，在波转子300内增压后，从一个排气管道进入燃烧室200，向燃烧室200提供燃烧所需的空气，燃料在燃烧室200燃烧后产生高温高压燃气。高温高压燃气从另一个进气管道进入波转子300，与波转子300内的空气快速发生能量交换，高温高压燃气膨胀后从另一个排气管道进入涡轮400，波转子300内的空气则被高温高压燃气压缩后进入燃烧室200。

上述系统中，涡轮400构成了波转子300的下游部件，压气机100构成了波转子300的上游部件，燃烧室200则既是波转子300的下游部件，也是波转子300的上游部件。

本波转子系统中，涡轮400的工作气体的流速大于标准流速。其中，标准流速是指波转子采用常规波转子，即波转子上的工质通道为直线等截面积通道时，波转子输出给涡轮的气体的流速。在本波转子系统中，由于涡轮400的工作气体的流速大于标准流速，如果采用常规波转子，波转子输出的气体流速过小，无法与涡轮400匹配。为此，本发明中采用了通道收敛的波转子。图2至图8示出了该波转子的构造。

图4中示出了工质通道的形状。图中，阴影部表示鼓筒及其转轴，空白部表示工质通道。通道的左端为进口，右端为出口，图中示出了两个通道，即鼓筒上边沿的通道和下边沿的通道，鼓筒上的所有工质通道的形状均相同。以图4中的上边沿的通道为例，沿着通道进口到通道出口的方向，工质通道逐渐收敛，当鼓筒转速保持一定，气流经过该收敛的通道后，沿通道轴向速度分量增加，从而达到了增大气体流速的目的。

在图4中，工质通道呈直角梯形。其中，工质通道的轮毂壁面31为圆柱面，该壁面与鼓筒轴线平行。工质通道的机匣壁面32为圆锥面，该壁面沿着通道进口到通道出口的方向向靠近通道中心线的方向逐渐收敛。其中，轮毂壁面31是指与波转子的轮毂相邻的壁面，即横截面为圆形并且半径较小的壁面；机匣壁面32是指与波转子的机匣相邻的壁面；即横截面为圆形并且半径较大的壁面。应当理解地，工质通道的形状也可设计为其它形状，例如等腰梯形，通道为收敛形式时，也可达到提高气体流速的效果。

如图2和图3所示，通过转轴8和轴承7的配合，将鼓筒安装在机匣4中，可绕转轴8转动，机匣4左端固定有进气端盘2，右端固定有排气端盘5，进气端盘2设置有连通机匣内部和外部的进气管道1，排气端盘5设置有连通机匣内部和外部的排气管道6，鼓筒的进气端与进气端盘2相对，鼓筒的排气端与排气端盘5相对。

当鼓筒绕转轴8转动时，带动其上的工质通道3转动，周期性地将进气端盘的进气管道1与排气端盘的排气管道6连通，工质通道3内产生非定常激波与膨胀波，实现波转子内不同能量的气体进行能量交换。而由于工质通道3为收敛形式的通道，气流通过时，沿通道轴向速度分量增大，使通道内的气流逐渐加速，从而使得最终从排气管道6输出的气体流速得以增大，能够与需要较高流速的涡轮相匹配，驱动涡轮工作。

图4中收敛角表示为α，收敛角越大，气体流速提高幅度将越大，但气体流动损耗也会增大。

如图3所示，鼓筒的左端较粗、右端较细，整体呈圆锥台结构。其中，各工质通道之间的隔板为平板，这使得工质通道没有弯曲部分，通道成形方便。

当气流通过上述收敛的工质通道3时，气流偏转角度发生变化，在排气端口会产生气流损失。为此，进一步对进气管道与进气端盘、排气管道与排气端盘进行了改进。

如图5和图6所示，进气端盘2上的进气管道1为四边形管道，其中，进气管道1的邻近波转子轮毂的壁面，即进气管道1的轮毂壁面11为圆柱面，进气管道1的邻近波转子机匣的壁面，即进气管道1的机匣壁面12也为圆柱面，进气管道1的其它两个壁面13、14与进气端盘2之间的夹角为β1。

如图7和图8所示，排气端盘5上的排气管道6为四边形管道，其中，排气管道6的邻近波转子轮毂的壁面，即排气管道6的轮毂壁面61为圆柱面，排气管道6的邻近波转子机匣的壁面，即排气管道6的机匣壁面62也为圆柱面，排气管道6的其它两个壁面63、64与排气端盘5之间的夹角为β2。

上述夹角β2大于夹角β1。

当鼓筒转速保持一定，气流经过收敛的工质通道加速后，其沿通道轴向速度分量增大，气流偏转角度发生变化。通过设计排气管道与排气端盘夹角β2大于进气管道与进气端盘夹角β1，实现了排气管道与排气端盘的夹角与工质通道出口气体偏转角度对应，工质通道出口气流沿排气管道轴向运动，可减小气体流动损失。

可见，上述波转子系统中，采用通道收敛的波转子，通过合理设计波转子的收敛通道结构，在保持波转子进排气端气体压比近似不变的前提下实现波转子内气体流速提高，满足了下游需较高气体流速的部件的需求。此外，还通过合理设计进气管道与进气端盘、排气管道与排气端盘的夹角，实现了收敛通道出口处气体流动方向和排气管道设计方向一致，减小了排气口气体流动损失。

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 (3)

1.一种通道收敛的波转子系统，包括：波转子，向所述波转子供应气体的上游部件，以及被所述波转子供应气体的下游部件，所述波转子包括若干工质通道，其特征在于，所述下游部件的气体流速大于标准流速，沿着通道进口到通道出口的方向，各所述工质通道逐渐收敛。

2.根据权利要求1所述的波转子系统，其特征在于，所述工质通道的轮毂壁面为圆柱面、且与鼓筒轴线平行，所述工质通道的机匣壁面为圆锥面、且沿着通道进口到通道出口的方向向靠近通道中心线的方向逐渐收敛。

3.根据权利要求1所述的波转子系统，其特征在于，所述波转子的进气端盘设有进气管道，所述进气管道为四边形管道，所述进气管道的轮毂壁面和机匣壁面为圆柱面，所述进气管道的其它两个壁面与进气端盘之间形成有夹角β1，所述波转子的排气端盘设有排气管道，所述排气管道为四边形管道，所述排气管道的轮毂壁面和机匣壁面为圆柱面，所述排气管道的其它两个壁面与排气端盘之间形成有夹角β2，所述夹角β2大于所述夹角β1。