CN116838623A - 一种超紧凑宽速域组合压气机结构 - Google Patents

一种超紧凑宽速域组合压气机结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超紧凑宽速域组合压气机结构，属于辅助动力装置领域，所述结构包括轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮、一体化非均匀稠度扩压器、齿轮传动装置、内置起动发电一体电机和内连接环；其关键在于超紧凑宽速域组合压气机结构包括轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮、一体化非均匀稠度扩压器、齿轮传动装置、内置起动发电一体电机和内连接环。本发明提出的组合压气机结构紧凑，部件效率高，稳定工作范围宽，有利于降低辅助动力装置的耗油率，提高辅助动力装置的经济性。

Description

一种超紧凑宽速域组合压气机结构
技术领域
本发明属于辅助动力装置技术领域，具体而言，涉及一种超紧凑宽速域组合压气机结构。
背景技术
辅助动力装置(APU)是一种小型涡轮发动机，在军民用飞机上已得到广泛应用，APU主要为飞机主发动机起动和环控系统提供压缩空气，其工作特性决定了该发动机工作范围较大，从而使得离心叶轮工作时所需喘振裕度大。当APU引气时，无论是主发起动模式还是环控引气模式，为满足工作要求，引气压力均较高，压气机工作点接近喘振边界；同时由于引气量变化不可预测，使得出口负载变化，从而引起压气机工作点波动，当出口需气量减小时，有可能使工作点逼近喘振边界，进而引发喘振。由于辅助动力装置主要功能是引气，无论出口负载如何变化，始终要求保持引气的出口压力维持在一定范围，与大发动机喘振控制不同，不能采用诸如放气方法或切油降转退喘，因此如何尽可能地提高离心压气机喘振裕度是辅助动力装置压缩系统一项重要研究内容。
辅助动力装置大多采用离心叶轮，但离心叶轮具有加工和装配误差大、相对叶尖间隙大、附面层占比大等不良影响，易导致辅助动力装置压缩系统重量大、效率偏低、耗油率偏高，大大限制了飞行器性能的提升。为此，亟需提出新兴的超紧凑压缩系统结构，以实现辅助动力装置宽速域高效运行。
发明内容
(一)本发明要解决的技术问题是：
为了克服上述现有技术的至少一种缺陷，突破压缩系统的极限，最大程度提升辅助动力装置压缩系统的性能，本发明提出了一种超紧凑宽速域组合压气机结构，解决辅助动力装置耗油率高、稳定工作范围窄的难题。
(二)本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超紧凑宽速域组合压气机结构，包括轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮、一体化非均匀稠度扩压器、齿轮传动装置、内置起动发电一体电机和内连接环；
所述高速前掠离心叶轮安装在主轴上，并可随主轴同步旋转，齿轮传动装置安装在轴流转子、高速前掠离心叶轮之间，并分别与轴流转子、高速前掠离心叶轮连接，齿轮传动装置驱动轴流转子转动；
所述可变弯度进口可调导叶安装在机匣上，一体化非均匀稠度扩压器设置在高速前掠离心叶轮外侧，并与机匣连接；
所述内置起动发电一体电机设置在高速前掠离心叶轮后方，驱动主轴转动，所述的内连接环设置在齿轮传动装置外部，内连接环、轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮以及机匣内壁形成气流通道。
优选地，所述轴流转子折转角为10°～60°，转子数目为30～60，轴流转子的总压比为1.5～3。
优选地，所述可变弯度进口可调导叶由三个叶高截面的叶型积叠而成，分别为叶根、叶中与叶尖截面；
所述叶根截面到叶尖截面的最大叶片厚度逐渐减少，叶根截面的最大叶片厚度为叶尖截面或叶中截面最大叶片厚度的1.5-3倍；
所述可变弯度进口可调导叶，沿周向彼此隔开，数目为6-30个，可变弯度进口可调导叶高度为h，轴向长度为L，其中0.3<L/h<2.0。
优选地，高速前掠离心叶轮包括交替分布的主叶片和分流叶片，主叶片和分流叶片都具有前缘掠特征，前缘掠的幅度为各自叶片弦长的5％～20％，且分流叶片尾缘和主叶片尾缘平齐；
所述主叶片和分流叶片前缘均向叶片旋转方向的相反方向偏移，偏移幅度为5％～10％离心叶轮栅距，所述离心叶轮栅距为两个相邻离心叶轮的距离；
所述主叶片对应的机匣上涂有0.5mm～1mm厚的涂层，以减少装配间隙的同时避免运行时的刮磨，涂层材料为硅树脂。
优选地，所述一体化非均匀稠度扩压器相邻叶片的周向距离不一致，最大距离和最小距离的比值为1.1～2.0；
所述一体化非均匀稠度扩压器数目为17～29，楔角为5～10°，造型由径向逐渐转为轴向；且一体化非均匀稠度扩压器具有燕尾形前尾缘，涂有防垢防腐涂层，与轮盖的内壁采用圆角光滑过渡，圆角半径为0.5～1.5mm。
优选地，所述齿轮传动装置为单排或双排行星齿轮，通过3-5个行星齿轮实现功率分流，保证轴流转子和离心叶轮在不同的转速下工作，实现组合压气机转子高效运行。
优选地，所述齿轮传动装置通过内连接环与高速前掠离心叶轮之间的流道提供的冷空气冷却齿轮。该布局允许以紧凑且有效的方式，在较低复杂性的情况下冷却齿轮箱，有利减轻压缩系统的总重量。
优选地，所述齿轮传动装置包括同轴设置的太阳齿轮、行星齿轮、行星架和环形齿轮，多个行星齿轮被布置在环形齿轮内，围绕太阳齿轮进行行星旋转，每个行星齿轮的轴心处通过连接轴与行星架固定连接，多个行星齿轮共同驱动一个行星架，太阳齿轮使用中心直线正齿轮驱动行星齿轮，中心直线正齿轮与行星齿轮之间存在少量齿隙以便确保正确啮合；每个行星齿轮与环形齿轮啮合；行星齿轮、行星架和环形齿轮为功率输出端，与离心叶轮相连接；太阳齿轮为功率输入端，与轴流转子相连接。
优选地，内置起动发电一体电机带动组合压气机结构，并输出电功率给飞机的环控系统，电功率范围为20kVA～400kVA。
(三)同现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的组合压气机结构紧凑，部件效率高，稳定工作范围宽，有利于降低辅助动力装置的耗油率，提高辅助动力装置的经济性。
附图说明
图1是超紧凑宽速域组合压气机的示意图；
图2是齿轮传动装置的示意图；
图3是可变弯度进口可调导叶的示意图；
图4是高速前掠离心叶轮的示意图；
图5是一体化非均匀稠度扩压器的示意图。
图中，1-轴流转子，2-可变弯度进口可调导叶，3-高速前掠离心叶轮，4-一体化非均匀稠度扩压器，5-齿轮传动装置，6-内置起动发电一体电机，7-内连接环，8-主叶片，9-分流叶片，11-太阳齿轮、12-行星齿轮、13-行星架，14-环形齿轮。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明旨在提供一种超紧凑宽速域组合压气机结构，解决辅助动力装置耗油率高、稳定工作范围窄的难题。
具体地，本发明的一种超紧凑宽速域组合压气机结构在实施时至少包括：
一种超紧凑宽速域组合压气机结构，包括轴流转子1、可变弯度进口可调导叶2、高速前掠离心叶轮3、一体化非均匀稠度扩压器4、齿轮传动装置5、内置起动发电一体电机6和内连接环7；
所述高速前掠离心叶轮3安装在主轴上，并可随主轴同步旋转，齿轮传动装置5安装在轴流转子1、高速前掠离心叶轮3之间，并分别与轴流转子1、高速前掠离心叶轮3连接，齿轮传动装置5驱动轴流转子1转动；
所述可变弯度进口可调导叶2安装在机匣上，一体化非均匀稠度扩压器4设置在高速前掠离心叶轮3外侧，并与机匣连接；
所述内置起动发电一体电机6设置在高速前掠离心叶轮3后方，驱动主轴转动，所述的内连接环7设置在齿轮传动装置5外部，内连接环7、轴流转子1、可变弯度进口可调导叶2、高速前掠离心叶轮3以及机匣内壁形成气流通道。
优选地，所述轴流转子折转角为10°～60°，转子数目为30～60，轴流转子的总压比为1.5～3。
优选地，所述可变弯度进口可调导叶由三个叶高截面的叶型积叠而成，分别为叶根、叶中与叶尖截面；
所述叶根截面到叶尖截面的最大叶片厚度逐渐减少，叶根截面的最大叶片厚度为叶尖截面或叶中截面最大叶片厚度的1.5-3倍；
所述可变弯度进口可调导叶，沿周向彼此隔开，数目为6-30个，可变弯度进口可调导叶高度为h，轴向长度为L，其中0.3<L/h<2.0。
优选地，高速前掠离心叶轮包括交替分布的主叶片和分流叶片，主叶片和分流叶片都具有前缘掠特征，前缘掠的幅度为各自叶片弦长的5％～20％，且分流叶片尾缘和主叶片尾缘平齐；
所述主叶片和分流叶片前缘均向叶片旋转方向的相反方向偏移，偏移幅度为5％～10％离心叶轮栅距，所述离心叶轮栅距为两个相邻离心叶轮的距离；
所述主叶片对应的机匣上涂有0.5mm～1mm厚的涂层，以减少装配间隙的同时避免运行时的刮磨，涂层材料为硅树脂。
优选地，所述一体化非均匀稠度扩压器相邻叶片的周向距离不一致，最大距离和最小距离的比值为1.1～2.0；
所述一体化非均匀稠度扩压器数目为17～29，楔角为5～10°，造型由径向逐渐转为轴向；且一体化非均匀稠度扩压器具有燕尾形前尾缘，涂有防垢防腐涂层，与轮盖的内壁采用圆角光滑过渡，圆角半径为0.5～1.5mm。
优选地，所述齿轮传动装置为单排或双排行星齿轮，通过3-5个行星齿轮实现功率分流，保证轴流转子和离心叶轮在不同的转速下工作，实现组合压气机转子高效运行。
优选地，所述齿轮传动装置通过内连接环与高速前掠离心叶轮之间的流道提供的冷空气冷却齿轮。该布局允许以紧凑且有效的方式，在较低复杂性的情况下冷却齿轮箱，有利减轻压缩系统的总重量。
优选地，所述齿轮传动装置包括同轴设置的太阳齿轮11、行星齿轮12、行星架13和环形齿轮14，多个行星齿轮12被布置在环形齿轮14内，围绕太阳齿轮11进行行星旋转，每个行星齿轮12的轴心处通过连接轴与行星架13固定连接，多个行星齿轮12共同驱动一个行星架13，太阳齿轮11使用中心直线正齿轮驱动行星齿轮12，中心直线正齿轮与行星齿轮12之间存在少量齿隙以便确保正确啮合；每个行星齿轮12与环形齿轮14啮合；行星齿轮12、行星架13和环形齿轮14为功率输出端，与离心叶轮相连接；太阳齿轮11为功率输入端，与轴流转子相连接。
优选地，内置起动发电一体电机带动组合压气机结构，并输出电功率给飞机的环控系统，电功率范围为20kVA～400kVA。
优选地，本发明提出的组合压气机的工作原理在于内置起动发电一体电机驱动高速前掠离心叶轮，然后通过齿轮传动装置减速比驱动轴流转子，以实现气流依次通过轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮、一体化非均匀稠度扩压器，具有部件效率高，稳定工作范围宽的优势，有利于辅助动力装置的耗油率降低，经济性提升。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (9)

1.一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述结构包括轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮、一体化非均匀稠度扩压器、齿轮传动装置、内置起动发电一体电机和内连接环；
所述高速前掠离心叶轮安装在主轴上，并可随主轴同步旋转，齿轮传动装置安装在轴流转子、高速前掠离心叶轮之间，并分别与轴流转子、高速前掠离心叶轮连接，齿轮传动装置驱动轴流转子转动；
所述可变弯度进口可调导叶安装在机匣上，一体化非均匀稠度扩压器设置在高速前掠离心叶轮外侧，并与机匣连接；
所述内置起动发电一体电机设置在高速前掠离心叶轮后方，驱动主轴转动，所述的内连接环设置在齿轮传动装置外部，内连接环、轴流转子、可变弯度进口可调导叶、高速前掠离心叶轮以及机匣内壁形成气流通道。
2.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述轴流转子折转角为10°～60°，转子数目为30～60，轴流转子的总压比为1.5～3。
3.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述可变弯度进口可调导叶由三个叶高截面的叶型积叠而成，分别为叶根、叶中与叶尖截面；
所述叶根截面到叶尖截面的最大叶片厚度逐渐减少，叶根截面的最大叶片厚度为叶尖截面或叶中截面最大叶片厚度的1.5-3倍；
所述可变弯度进口可调导叶，沿周向彼此隔开，数目为6-30个，可变弯度进口可调导叶高度为h，轴向长度为L，其中0.3<L/h<2.0。
4.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，高速前掠离心叶轮包括交替分布的主叶片和分流叶片，主叶片和分流叶片都具有前缘掠特征，前缘掠的幅度为各自叶片弦长的5％～20％，且分流叶片尾缘和主叶片尾缘平齐；
所述主叶片和分流叶片前缘均向叶片旋转方向的相反方向偏移，偏移幅度为5％～10％离心叶轮栅距，所述离心叶轮栅距为两个相邻离心叶轮的距离；
所述主叶片对应的机匣上涂有0.5mm～1mm厚的涂层，以减少装配间隙的同时避免运行时的刮磨，涂层材料为硅树脂。
5.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述一体化非均匀稠度扩压器相邻叶片的周向距离不一致，最大距离和最小距离的比值为1.1～2.0；
所述一体化非均匀稠度扩压器数目为17～29，楔角为5～10°，造型由径向逐渐转为轴向；且一体化非均匀稠度扩压器具有燕尾形前尾缘，涂有防垢防腐涂层，与轮盖的内壁采用圆角光滑过渡，圆角半径为0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述齿轮传动装置为单排或双排行星齿轮，通过3-5个行星齿轮实现功率分流，保证轴流转子和离心叶轮在不同的转速下工作，实现组合压气机转子高效运行。
7.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述齿轮传动装置通过内连接环与高速前掠离心叶轮之间的流道提供的冷空气冷却齿轮。
8.根据权利要求6所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，所述齿轮传动装置包括同轴设置的太阳齿轮、行星齿轮、行星架和环形齿轮，多个行星齿轮被布置在环形齿轮内，围绕太阳齿轮进行行星旋转，每个行星齿轮的轴心处通过连接轴与行星架固定连接，多个行星齿轮共同驱动一个行星架，太阳齿轮驱动行星齿轮，太阳齿轮与行星齿轮之间存在少量齿隙以便确保正确啮合；每个行星齿轮与环形齿轮啮合；行星齿轮、行星架和环形齿轮为功率输出端，与离心叶轮相连接；太阳齿轮为功率输入端，与轴流转子相连接。
9.根据权利要求1所述的一种超紧凑宽速域组合压气机结构，其特征在于，内置起动发电一体电机带动组合压气机结构，并输出电功率给飞机的环控系统，电功率范围为20kVA～400kVA。
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