一种增材制造的微型涡喷发动机的制作方法

文档序号:15578988发布日期:2018-09-29 06:21

本发明涉及航空发动机技术领域,更具体而言,涉及一种增材设计制造的微型涡喷发动机。



背景技术:

微型涡轮喷气发动机的部件多,部件支撑和连接结构复杂。现有技术的微型涡轮喷气发动机中的各部件的设计及制造流程复杂。



技术实现要素:

本发明实施方式提供一种增材设计制造的微型涡喷发动机。

本发明实施方式的微型涡喷发动机包括机匣和与所述机匣的头部连接的径向扩压器,所述径向扩压器和所述机匣均通过增材制造技术一体化制造。

本发明实施方式的机匣和径向扩压器都通过增材制造技术一体化制造,减少了各部件间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重和降低加工及维护的成本和难度。

在某些实施方式中,所述机匣包括机匣侧壁及自所述机匣侧壁的内表面延伸的网状加强件。

在某些实施方式中,所述机匣还包括自所述机匣侧壁的内表面延伸的限位件,所述微型涡喷发动机还包括设置在所述机匣内的燃烧组件,所述限位件用于对所述燃烧组件进行限位。

在某些实施方式中,所述径向扩压器包括扩压部和连接部,所述扩压部和连接部通过增材制造技术一体成型。

在某些实施方式中,所述扩压部包括扩压顶壁、自所述扩压顶壁延伸的内筒壁、和自所述扩压顶壁延伸并环绕所述内筒壁的外筒壁,所述内筒壁与外筒壁之间形成有收容空间,所述扩压部还包括自所述扩压顶壁延伸并收容在所述收容空间的多个叶片,所述多个叶片用于限制气流的流动方向。

在某些实施方式中,所述连接部自所述外筒壁延伸,所述连接部自所述外筒壁延伸,所述连接部包括自内侧壁延伸的安装柱,所述安装柱包括安装段和加固段,所述机匣与所述径向扩压器连接的一端开设有安装孔,所述微型涡喷发动机还包括连接件,所述连接件穿设所述安装孔和所述安装段将所述径向扩压器和所述机匣连接。

在某些实施方式中,所述微型涡喷发动机还包括电机支架和电机,所述微型涡喷发动机还包括电机支架和电机,所述电机支架包括第一安装部和第二安装部,当所述第一安装部与所述第二安装部结合,所述第一安装部和第二安装部之间形成容置腔,所述电机收容在所述容置腔,所述第一安装部和第二安装部均通过增材制造技术一体成型。

在某些实施方式中,所述微型涡喷发动机还包括进气道,所述进气道的一端与所述电机支架连接,所述进气道的另一端与所述扩压部连接,所述微型涡喷发动机还包括压气机,所述压气机与所述电机连接并穿设所述进气道。

在某些实施方式中,所述微型涡喷发动机还包括尾喷管,所述尾喷管与所述机匣的另一端固定连接,所述尾喷管通过增材制造技术一体化成型。

在某些实施方式中,所述机匣的尾部形成有第一翻边,所述第一翻边开设有多个第一固定孔,所述尾喷管与所述机匣连接的一端形成有与所述第一翻边配合的第二翻边,所述第二翻边开设有多个第二固定孔,所述连接件穿设所述第二固定孔和所述第一固定孔将所述尾喷管与所述机匣固定连接。

本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实施方式的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解,其中:

图1为本发明实施方式的微型涡喷发动机的结构示意图;

图2为本发明实施方式的微型涡喷发动机的平面示意图;

图3为图2中微型涡喷发动机沿III-III线的剖面示意图;

图4为本发明实施方式微型涡喷发动机中的电机支架的立体示意图;

图5为本发明实施方式电机支架中的第二安装部的立体示意图;

图6为本发明实施方式微型涡喷发动机中的进气道的立体示意图;

图7为图6中进气道沿VII-VII线的剖面示意图;

图8为本发明实施方式微型涡喷发动机中的径向扩压器的立体示意图

图9为本发明实施方式的径向扩压器的另一视角的立体示意图;

图10为本发明实施方式微型涡喷发动机中的机匣的立体示意图;

图11为本发明实施方式的机匣的另一视角的立体示意图;

图12为本发明实施方式微型涡喷发动机中的尾喷管的立体示意图;

图13为图12中尾喷管沿XIII-XIII线的剖面示意图;

图14为本发明实施方式微型涡喷发动机中的燃烧组件的立体示意图;

图15为图9中的燃烧组件的结构示意图;

图16为本发明实施方式的燃烧组件的局部结构示意图;

图17为本发明实施方式的燃烧组件的平面示意图;

图18为本发明实施方式的燃烧组件的平面示意图;

图19为本发明实施方式的燃烧组件的立体图;

图20为图14的燃烧组件的结构示意图;

图21为本发明实施方式的两段式火焰筒的结构示意图;

图22为本发明实施方式的火焰筒的第一段的结构示意图;

图23为本发明实施方式的火焰筒的第二段的结构示意图;和

图24为本发明实施方式的火焰筒的局部结构示意图。

主要元件符号说明:

微型涡喷发动机1000;燃烧组件100、进气道200、扩压组件300、机匣400、尾喷管500、电机组件600、涡轮700、转子组件800、连接件900;火焰筒10、主体11、通孔110、燃烧腔111、头部1111、尾部1112、第一孔112、第二孔113、内筒114、底座1141、安装孔1142、外筒115、内腔116、外环腔117、挡板118、第三孔119、第一段12、第一开口121、凹槽122、定位块123、第二段13、第二开口131、凸起132;喷嘴20、喷嘴侧壁21、螺旋管22、喷射孔221、喷嘴进口23、喷嘴出口24、喷嘴顶壁25、喷嘴底壁26、喷油腔27;涡轮导叶30、第一连接端31、第二连接端32、气膜孔33;燃油管路40、主管41、分配腔42、支管43;第二穿孔210、第一连接孔220;压气机310、径向扩压器320、扩压部322、扩压顶壁3221、内筒壁3222、外筒壁3223、叶片3224、收容空间3225、第二连接孔3226、连接部324、内侧壁3241、安装柱3242、安装段3243、加固段3244;机匣侧壁410、网状加强件420、限位件430、安装孔440、头部450、第一端面460、第一固定孔462、紧固件464、尾部470。侧壁510、凸缘520、第二端面522、第二固定孔524;电机支架610、第一安装部612、第二安装部614、第一穿孔616、容置腔618、电机620;动叶710;转子支架810、轴套812、轴向扩压器814、侧壁8142、轴向扩压叶片8144、连接轴820。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外,下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明的实施方式,而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

相关技术的微型涡喷发动机的部件繁多,部件之间的连接结构复杂,例如:一个扩压器与机匣连接的结构,需要扩压器、连接部件和机匣,需要在扩压器上设置连接结构如结合孔等,需要利用其它工艺再加工进行开孔,同时在连接部件上设置于扩压器的连接结构配合的结构,在将扩压器和连接部件连接后,利用类似的方法将连接部件与机匣连接,结构复杂且连接结构众多,加工工序较多,结合强度也一般。为此,本发明提供了一种基于增材设计制造的微型涡喷发动机。

请参阅图1至图3,本发明实施方式的微型涡喷发动机1000包括燃烧组件100、进气道200、扩压组件300、机匣400、尾喷管500、电机组件600、涡轮700、转子组件800、和多个连接件900。微型涡喷发动机1000可以为无人机的发动机或汽车动力系统的发动机等等。

电机组件600与进气道200的一端连接,扩压组件300与进气道200的另一端连接,扩压组件300与机匣400的头部450连接,尾喷管500与机匣400的尾部470连接,燃烧组件100、涡轮700和连接轴820设置在机匣400内。转子组件800的一端与扩压组件300连接,转子组件800的另一端穿设燃烧组件100并与涡轮700连接。

请参阅图2至图5,电机组件600包括电机620和电机支架610。电机支架包括第一安装部612、第二安装部614、及至少两个第一穿孔616,当第一安装部612与第二安装部614结合时,第一安装部612和第二安装部614之间形成容置腔618,电机12收容在容置腔618。其中,第一安装部612和第二安装部614均通过增材制造技术一体成型,无需利用其它工艺进行开孔形成第一穿孔616。

请参阅图1、图2、图3、图6和图7,进气道200的顶面开设有至少两个与第一穿孔616配合的第二穿孔210和多个第一连接孔220,当电机支架610与进气道200结合时,连接件900穿设第一穿孔616和第二穿孔210将电机支架610与进气道200固定连接。在其他实施方式中,第一穿孔616和第二穿孔210可以大于两个,例如,第一穿孔616和第二穿孔210的数量为三个、四个等。如此,电机支架610与进气道200连接更为稳固。本发明实施方式的第一穿孔616和第二穿孔210的数量为两个。进气道200通过增材制造技术一体成型,无需利用其它工艺进行开孔形成第二穿孔210和第一连接孔220。连接件900可以为螺钉、螺栓等。

请参阅图1、图2、图3、图8和图9,扩压组件300设置在靠近燃烧组件100头部的位置。扩压组件300包括压气机310及径向扩压器320。压气机310穿设进气道200并与电机620连接,压气机310用于从进气道200吸入气体。压气机310与径向扩压器320连接的位置形成有狭窄通道,微型涡喷发动机1000外界的气体被压气机310吸入并在穿过狭窄通道的过程中加速。径向扩压器320用于减小气体的速度以增大气体的压强。径向扩压器320将气体压入燃烧组件100。径向扩压器320包括扩压部322与连接部324。扩压部322包括扩压顶壁3221、自扩压顶壁3221延伸的内筒壁3222、自扩压顶壁3221延伸并环绕内筒壁3222的外筒壁3223、及自扩压顶壁3221延伸的多个叶片3224,内筒壁3222与外筒壁3223之间形成有收容空间3225,多个叶片3224收容在收容空间3225内并用于限制气流的流动以减小气体的速度从而增大气体的压强。扩压顶壁3221开设有多个与第一连接孔220配合的第二连接孔3226,第二连接孔3226贯穿扩压顶壁3221以及自扩压顶壁3221延伸的多个叶片3224,当进气道200与径向扩压器320连接时,连接件900穿设第一连接孔220和第二连接孔3226将进气道200和径向扩压器320牢固的连接在一起。连接部324自外筒壁3223的顶部延伸,连接部324包括自内侧壁3241延伸的安装柱3242,安装柱3242包括安装段3243和加固段3244,安装段3243为自内侧壁3241延伸的柱体结构,且柱体结构开设有通孔,该通孔贯穿连接部324的侧壁及该柱体结构,加固段3244为支撑柱体结构的侧壁的楔形结构,用于对该柱体结构起到加固的作用。其中,径向扩压器320的扩压部322和连接部324融合为一体,通过增材制造技术一体成型,无需多余的连接部件,通过连接部324即可与机匣连接。

请参阅图1、图3、图10和图11,机匣400包括机匣侧壁410、自机匣侧壁410的内表面402延伸的网状加强件420、自机匣侧壁410的内表面402延伸的限位件430、及设置在机匣侧壁410的尾部470处的第一端面460。网状加强件420用于加强机匣400的强度,限位件430用于对燃烧组件100进行限位。机匣侧壁410的头部450开设有多个安装孔440。当连接部324与机匣400的头部450连接时,机匣400的头部450环绕连接部324的侧壁(即,连接部324伸入机匣侧壁410内),连接件900依次穿设安装孔440和安装段3243将径向扩压器320和机匣400牢固的连接在一起。第一端面460开设多个第一固定孔462、第一端面460还设置有自第一端面460朝扩压组件300延伸的紧固件464,第一固定孔462贯穿第一端面460和紧固件464。在其他实施方式中,限位件430的数量也可以大于一个。例如,限位件430的数量为两个或三个等等。较优的,限位件430的数量为三个且限位件430围成一个圆,相邻限位件430与圆心的夹角为120°,如此,可以对燃烧组件100限位且使得燃烧组件100的侧壁与机匣侧壁410的距离相等,使得机匣400均匀受力。当然,限位件430的数量也可以是更多个如四个,对燃烧组件100的限位更为稳固。本发明实施方式的限位件430为三个。其中,机匣侧壁410、网状加强件420、限位件430、安装孔440、第一端面460、第一固定孔462和紧固件464融合为一体,通过增材制造技术一体化成型,无需多余的安装结构。

请参阅图1、图3、图12和图13,尾喷管500与机匣400连接的一端形成有自尾喷管500的侧壁510延伸的凸缘520,凸缘520包括与第一端面460配合的第二端面522,第二端面522开设有与多个第一固定孔462配合的多个第二固定孔524,连接件900穿设第二固定孔524和第一固定孔462将尾喷管500与机匣400固定连接。其中,尾喷管500上的各部件融合为一体,通过增材制造技术一体化成型。

请继续参阅图1和图3,燃烧组件100设置在扩压组件300与涡轮700之间。扩压组件300用于向燃烧组件100输入高压气体,燃油与高压气体在燃烧组件100中进行混合与燃烧,以将燃油中的化学能转化成为高温气体中的热能。

涡轮700设置在靠近燃烧组件100的尾部的位置。涡轮700包括动叶710。涡轮700用于将从燃烧组件100流出的高温气体的热能转换成机械能。具体地,从燃烧组件100排出的高温高压气体冲击涡轮700的动叶710,使动叶710转动。涡轮700通过增材制造技术一体化成型,无需其他的工艺进行加工形成动叶710。

请参阅图1、图3、图8和图9,转子组件800包括转子支架810和连接轴820。转子支架810包括轴套812、及与轴套812的一端连接的轴向扩压器814。轴套812包裹住连接轴820以隔绝燃烧组件100的高温从而保护连接轴820。轴向扩压器814包括侧壁8142、及自侧壁8142延伸的多个与安装柱3242配合的轴向扩压叶片8144,当转子支架810与径向扩压器320连接时,轴向扩压器814伸入径向扩压器320内,具体地,轴向扩压器814伸入收容空间3225内并位于叶片3224与外筒壁3223之间,通过旋转轴向扩压器814使得轴向扩压叶片8144与安装柱3242卡合以将转子支架810和径向扩压器320牢固的连接在一起。连接轴820的一端与压气机310固定连接,连接轴820的另一端穿设轴套812和涡轮700固定连接。转子支架810通过增材制造技术一体化成型,即将轴套812和轴向扩压器814融合为一体,一体成型。

在工作时,电机620启动压气机310,压气机310从进气道200吸入气体,然后气体经过径向扩压器320扩压后进入燃烧组件100,气体在燃烧组件100中与燃油混合并燃烧,从而将燃油的化学能转化为热能,从而带动涡轮700的动叶710转动,涡轮700转动带动连接轴820转动从而带动压气机310持续转动,如此,压气机310能够持续地为微型涡喷发动机1000吸入气体。

本发明实施方式的微型涡喷发动机的燃烧组件100、进气道200、径向扩压器320、机匣400、尾喷管500、电机支架610、涡轮700和转子支架810均通过增材制造技术一体化制造,每个部件包含多个子部件,例如:机匣400包括机匣侧壁410、网状加强件420、限位件430、安装孔440、第一端面460、第一固定孔462和紧固件464,将这些分离组装、或需要其他工艺进行再处理的的子部件一体化制造,将多个部件融合为一个整体,减少了各部件间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重和降低加工及维护的成本和难度。

在某些实施方式中,机匣400厚度为0.3mm。如此,机匣400厚度较小的同时通过一体成型的网状加强件,保证了机匣400的刚度同时减少了机匣400的质量,有利于提高推重比。

请一并参阅图1、图14及图15,在某些实施方式中,燃烧组件100包括火焰筒10及喷嘴20。火焰筒10包括主体11。主体11形成有燃烧腔111。燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112。气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。喷嘴20设置在头部1111,喷嘴20与火焰筒10融合为一个整体,通过增材制造技术一体化制造。

具体地,主体11为中空的、圆筒状的薄壁结构。主体11上开设有通孔110。燃油在燃烧腔111燃烧主要分为主燃区、补燃区、掺混区。主燃区位于靠近头部1111位置,补燃区位于主体11的中部,掺混区位于靠近尾部1112的位置。由扩压组件300输入的高压气体一部分从头部1111进入主燃区,与燃油混合并进行燃烧。在主燃区燃烧后的燃油与气体在补燃区进一步燃烧,以提高燃油的燃烧效率。然后在掺混区与来自火焰筒10外界的剩余空气掺混。掺混后的高温高压气体从燃烧腔111的尾部1112流出火焰筒10,并进入涡轮700。

通孔110连通燃烧腔111与火焰筒10的外界。在本实施例中,火焰筒10的外界指燃烧腔111以外的区域,包括火焰筒10的外侧壁与机匣400形成的空间,即外环腔117(图1所示),还包括内腔116(图14所示)。通孔110包括至少两个第一孔112,第一孔112设置在主体11靠近头部1111的位置。由扩压组件300输入的气体沿主体11的外侧壁流动。一部分气体继续沿主体11的外侧壁流动,一部分气体从第一孔112进入燃烧腔111,并继续向尾部1112流动,从而在主体11的内侧壁上形成冷却气膜。由于从第一孔112进入的气体温度较低,冷却气膜覆盖在主体11的侧壁上以冷却火焰筒10,从而避免了火焰筒10温度过高。进一步地,第一孔112与主体11的侧壁之间的夹角为锐角或者直角,如此,气体以射流的形式进入燃烧腔111,增大冷却气膜与主体11侧壁接触的面积,从而更好地冷却火焰筒10。

通孔110还包括至少两个第二孔113。具体地,第二孔113设置在主体11靠近尾部1112的位置。第二孔113的直径大于第一孔112的直径。沿主体11的外侧壁流动的气体从第二孔113进入燃烧腔111,从而与燃烧腔111内的高温气体掺混,使气体达到燃烧腔111出口要求的温度。

喷嘴20设置在头部1111。具体地,请参阅图16,喷嘴20包括喷嘴侧壁21及设置在喷嘴侧壁21内的至少两个中空的螺旋管22,至少两个螺旋管22连通火焰筒10的外界与燃烧腔111。喷嘴20还包括喷嘴进口23及喷嘴出口24。喷嘴进口23朝向压气机310的吸入口,喷嘴出口24朝向燃烧腔111。从扩压组件300输入的高压高速气体从喷嘴进口23进入螺旋管22,经螺旋管22加速后从喷嘴出口24射出喷嘴20,从而形成一定锥角张度的旋流,并进入燃烧腔111内。另外,喷嘴20还包括喷嘴顶壁25及喷嘴底壁26。螺旋管22的侧壁上开设有喷射孔221,从而使螺旋管22的内部及螺旋管22的外部连通。螺旋管22的侧壁、喷嘴侧壁21、喷嘴顶壁25及喷嘴底壁26共同形成的喷油腔27。燃油进入喷油腔27并存储在喷油腔27内,当燃烧组件100工作时,燃油在喷油腔27内膨胀、蒸发,然后通过喷射孔221喷入螺旋管22内。燃油被螺旋管22内的高速空气冲击并进一步雾化及蒸发,从而形成燃油空气混合气体,然后从螺旋管22喷出后进入燃烧腔111燃烧。

其中,喷嘴20的类型包括但不限于蒸发管式、离心雾化式、气动雾化式。燃烧组件100的类型包括但不限于直流式、折流式、回流式。

本发明实施方式还包括微型涡喷发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法,包括步骤:

将火焰筒10与喷嘴20融合为一个整体,通过增材制造技术一体化制造火焰筒10和喷嘴20。其中,火焰筒10包括主体11。主体11形成有燃烧腔111。燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112。气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。喷嘴20设置在头部1111。也即是说,将喷嘴20和火焰筒10融合为一个部件。

请继续一并参阅图1、图14及图15,在某些实施方式中,火焰筒10的主体11包括内筒114和外筒115。内筒114位于外筒115内,且内筒114与外筒115之间形成燃烧腔111,喷嘴20连接内筒114与外筒115。

具体地,内筒114呈中空的、圆筒状的薄壁结构。由内筒114的侧壁形成远离燃烧腔111的内腔116。内腔116与火焰筒10的外界连通。包裹在轴套812内的连接轴820穿设于内腔116中。在内筒114的靠近头部1111的位置,内筒114形成有第一孔112。内筒114的第一孔112连通内腔116与燃烧腔111。扩压组件300输入的气体从内筒114的头部进入内腔116,然后穿过内筒114的第一孔112进入燃烧腔111。由于从内筒114的第一孔112进入的气体与燃烧腔111内燃烧后的高温气体之间存在温差,以进一步冷却内筒114。在内筒114的靠近尾部1112的位置,内筒114形成有第二孔113。内筒114的第二孔113连通燃烧腔111与内腔116。内腔116内的气体从内筒114的第二孔113进入燃烧腔111,从而为燃烧腔111内的高温燃油及气体补充氧气,以使燃油充分燃烧,并且进一步降低燃烧腔111内的高温燃油及气体的温度,从而降低尾部1112出口气体的温度。

请结合图16,外筒115呈中空的、圆筒或者椭圆筒状的薄壁结构。内筒114位于外筒115内,且内筒114与外筒115之间形成燃烧腔111。外筒115的直径在靠近尾部1112的位置逐渐减小以与涡轮700的进口对应。外筒115与机匣400形成外环腔117(如图1所示)。在外筒115靠近头部1111的位置,外筒115形成第一孔112。外筒115的第一孔112连通燃烧腔111与外环腔117。扩压组件300输入的部分气体沿着外筒115的外侧壁及机匣400的内侧壁在外环腔117流动,然后穿过外筒115的第一孔112进入燃烧腔111。由于从外筒115的第一孔112进入燃烧腔111的气体与燃烧腔111内燃烧后的高温气体之间存在温差,以进一步冷却外筒115。在外筒115靠近尾部1112的位置,外筒115形成有第二孔113。外筒115的第二孔113连通燃烧腔111与外环腔117。外环腔117内的气体从外筒115的第二孔113进入燃烧腔111,从而为燃烧腔111内的高温燃油及气体补充氧气,以使燃油充分燃烧,并且进一步降低燃烧腔111内的高温燃油及气体的温度,从而降低尾部1112出口气体的温度。

由于内筒114在靠近头部1111的位置设置有第一孔112及在靠近尾部1112的位置设置有第二孔113,且外筒115在靠近头部1111的位置设置有第一孔112及在靠近尾部1112的位置设置有第二孔113,可以有效降低主体11的温度。

在某些实施方式中,至少两个第一孔112排布在内筒114及外筒115的靠近头部1111的位置。

具体地,主体11的截面为圆形或者椭圆形。第一孔112在主体11上的排列关于主体11的中心轴对称。以主体11的截面为圆形为例,内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上。排列的方式可以为N个内筒114的第一孔112以θN=360°/N(N≥2,N为正整数,例如2,3,4)的角度间隔设置在内筒114的同一个圆周上,或/和,N个外筒115的第一孔112以θN=360°/N(N≥2,N为正整数,例如2,3,4)的角度间隔设置在外筒115的同一个圆周上,也即是说,内筒114的第一孔112沿着内筒114的侧壁呈圆周排列,或/和,外筒115的第一孔112沿着外筒115的侧壁呈圆周排列。内筒114上的第一孔112的中心对称点可以与外筒115上的第一孔112的中心对称点重叠,也可以错开。例如,12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的同一个圆周上,12个外筒115的第一孔112以30°的间距设置在外筒115的同一个圆周上,同时内筒114的第一孔112的中心对称点可以与外筒115的第一孔112的中心对称点重叠。排列的方式还可以为多个内筒114的第一孔112为一组,多组内筒114的第一孔112以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,多个外筒115的第一孔112为一组,多组外筒115的第一孔112以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。具体地,一共有N个内筒114的第一孔112,每m个内筒114的第一孔112为一组,共M=N/m组内筒114的第一孔112以θM=360°/M(M为正整数,例如1,2,3,4;1<m≤N,m为正整数,例如2,3,4)的角度设置在内筒114的同一个圆周上,或/和,一共有N个外筒115的第一孔112,每m个外筒115的第一孔112为一组,M=N/m组外筒115的第一孔112以θM=360°/M(M为正整数,例如1,2,3,4;1<m≤N,m为正整数,例如2,3,4)的角度设置在外筒115的同一个圆周上。例如,60个内筒114的第一孔112,每5个内筒114的第一孔112为一组,共有12组。每组中的相邻两个内筒114的第一孔112的间距相等,间距为L1。相邻的两组内筒114的第一孔112的间距也相等,间距为L2。本发明实施例中,L2大于L1。12组内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的同一个圆周上,或/和,60个外筒115的第一孔112,每5个外筒115的第一孔112为一组,共有12组,12组外筒115的第一孔112以30°的间距设置在外筒115的同一个圆周上(如图14所示)。如此,使冷却气膜均匀覆盖在内筒114及外筒115的侧壁上,有利于散热冷却。

在其他实施方式中,内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上,或/和,外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上。主体11的不同圆周的直径可以相等,也可以不相等。每一个圆周中,第一孔112的排列方式可以为上述实施方式中的排列方式。也即是说,内筒114的第一孔112可以以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,外筒115的第一孔112可以以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上,也可以为多个内筒114的第一孔112为一组,多组内筒114的第一孔112以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,多个外筒115的第一孔112为一组,多组外筒115的第一孔112以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。仍以主体11的截面为圆形为例,N个内筒114的第一孔112以θN=360°/N的角度设置在内筒114的圆周1上,N个内筒114的第一孔112以θN=360°/N的角度设置在内筒114的圆周2上。在沿火焰筒10的轴向上,圆周1的第一孔112与圆周2的第一孔112可以同时设置在圆周对应的角度的位置上,也可以交错设置。例如,12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的圆周1上,12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的圆周2上。圆周1上的12个第一孔112与圆周2上的12个第一孔112依次排列在内筒114的圆周1及圆周2的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°的位置上;或/和,圆周1上的12个内筒114的第一孔112依次排列在圆周1的0°(360°)、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°的位置上,圆周2上的12个内筒114的第一孔112依次排列在圆周2的15°、45°、75°、105°、135°、165°、195°、225°、255°、285°、315°、345°的位置上。外筒115的第一孔112排列在外筒115的方式与内筒114的第一孔112排列在内筒114的方式一样,在此不再赘述。其中,内筒114上的第一孔112的中心对称点可以与外筒115上的第一孔112的中心对称点重叠,也可以错开。内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上,或/和,外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上,增大冷却气膜覆盖在内筒114及外筒115的侧壁上的面积,有利于散热冷却。

在某些实施方式中,至少两个第二孔113排布在内筒114及外筒115的靠近尾部1112的位置。

具体地,主体11的截面为圆形或者椭圆形。第二孔113在主体11上的排列关于主体11的中心轴对称。至少两个第二孔113的排列方式可以参照上述实施方式所述的至少两个第一孔112的排列方式。具体地,内筒114的第二孔113以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,外筒115的第二孔113以一定的间距均匀排布在外筒116的同一个圆周上。内筒114的第二孔113也可以以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上,或/和,外筒115的第二孔113也可以以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上。主体11的不同圆周的直径可以相等,也可以不相等。每一个圆周中,内筒114的第二孔113可以以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上(如图14所示),或/和,外筒115的第二孔113可以以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上,也可以为多个内筒114的第二孔113为一组,多组内筒114的第二孔113以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上,或/和,多个外筒115的第二孔113为一组,多组外筒115的第二孔113以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。在沿火焰筒10的轴向上,内筒114的不同圆周的第二孔113可以同时设置在内筒114的不同圆周对应的角度的位置上,也可以交错设置,或/和,外筒115的不同圆周的第二孔113可以同时设置在外筒115的不同圆周对应的角度的位置上,也可以交错设置。如此,从尾部1112进入的气体与燃烧腔111内的高温气体掺混得更加充分,提高燃油的燃烧效率。

请参阅图15,在某些实施方式中,主体11还包括自外筒115和内筒114的侧壁向燃烧腔111延伸的挡板118,内筒114上的挡板118与内筒114的第一孔112的位置对应,且外筒115上的挡板118与外筒115的第一孔112的位置对应。各个挡板118为连续的层状结构。外筒115上的挡板118与外筒115的夹角,内筒114上的挡板118与内筒114的夹角均为锐角。内筒114上的挡板118与内筒114的第一孔112的位置对应,且外筒115上的挡板118与外筒115的第一孔112的位置对应,以引导从内筒114的第一孔112及外筒115的第一孔112进入燃烧腔111的气体的流动,从而使从内筒114的第一孔112及外筒115的第一孔112进入的气体在外筒115及内筒114的侧壁上形成气膜,以对外筒115及内筒114进行冷却。

请一并参阅图14及图15,在某些实施方式中,通孔110还包括形成有设置在内筒114及外筒115中间的位置上的至少两个第三孔119,第三孔119与补燃区对应。内筒114的至少两个第三孔119设置在内筒114的第一孔112与内筒114的第二孔113之间,或/和,外筒115的至少两个第三孔119设置在外筒115的第一孔112与外筒115的第二孔113之间。一方面温度较低的气体穿过内筒114及外筒115的第三孔119进入燃烧腔111,起到进一步冷却内筒114及外筒115的作用;另一方面,进入燃烧腔111的气体与来自头部1111的燃油及气体进一步混合,起到补充燃烧的作用。

请一并参阅图17及图18,在某些实施方式中,喷嘴20的数量为至少两个,至少两个喷嘴20环绕内筒114设置。具体地,Q个喷嘴20以θQ=360°/Q(Q≥2,Q为正整数,例如2,3,4)的角度设置在内筒114与外筒115的相接处上。例如,12个喷嘴20以30°的间距设置在内筒114的圆周上。如此,设置在主体11头部的喷嘴20能均匀地向燃烧腔111内喷入燃油空气混合气体,从而使燃烧腔111内的燃油与混合气体燃烧的更加成分。喷嘴20与火焰筒10的连接方式包括但不限于融合、包覆、镶嵌、多点支撑,也可以为融合、包覆、镶嵌、多点支撑的组合。例如,火焰筒10的头部设置有多个安装槽,安装槽包裹整个喷嘴侧壁21以将喷嘴20固定在火焰筒10的头部;或安装槽仅包裹住喷嘴20的底部以将喷嘴20镶嵌在安装槽内。又例如,火焰筒10的内筒114及外筒115均设置有多个爪状支撑架,内筒114上的爪状支撑架沿喷嘴侧壁21延伸并抵持住喷嘴底壁26,外筒115上的爪状支撑架沿喷嘴侧壁21延伸并抵持住喷嘴顶壁25,如此,以将喷嘴20固定在火焰筒10的头部。

请一并参阅图1及图15,在某些实施方式中,燃烧组件100还包括涡轮导叶30,涡轮导叶30设置在尾部1112,且连接内筒114与外筒115,涡轮导叶30位于火焰筒10与涡轮700之间,涡轮导叶30与火焰筒10融合为一个整体,通过增材制造技术一体化制造。

涡轮导叶30的作用是使高温高压的气体工质(实现热、功转换的工作物质)加速膨胀,获得动能以推动涡轮700的动叶710做功,同时工质膨胀后温度降低,可改善动叶710进口工质的条件,提高涡轮700的动叶710的寿命和安全性。

具体地,涡轮导叶30包括第一连接端31、第二连接端32、及气膜孔33。第一连接端31与外筒115的靠近尾部1112的位置连接,第二连接端32与内筒114的靠近尾部1112的位置连接。涡轮导叶30内部为中空结构。气膜孔33的数量为至少两个。至少两个气膜孔33以阵列的形式排列在涡轮导叶30靠近燃烧腔111的一侧。气膜孔33连通涡轮导叶30的内部及涡轮导叶30的外界。涡轮导叶30的内部通有冷却空气,冷却空气从气膜孔33喷出较低温空气,从而在涡轮导叶30的表面形成气膜,以对涡轮导叶30进行冷却保护并降低燃烧腔111的出口气体的温度。在某些实施方式中,至少两个气膜孔33以阵列的形式排列在涡轮导叶30靠近涡轮700的一侧,靠近燃烧腔111一侧的气膜孔33的数量大于靠近涡轮700一侧的气膜孔33的数量,如此,以进一步地对涡轮导叶30进行冷却保护并降低燃烧腔111的出口气体的温度。

本发明实施方式的微型涡喷发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法,还包括以下步骤:

将火焰筒10及涡轮导叶30融合为一个整体,通过增材制造技术一体化设计及制造火焰筒10和涡轮导叶30。火焰筒10包括主体11,主体11形成有燃烧腔111,燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112,气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。涡轮导叶30设置在尾部1112,且连接内筒114与外筒115。也即是说,将涡轮导叶30和火焰筒10融合为一个部件。

本发明利用增材制造技术对微型涡喷发动机1000的燃烧组件100进行一体化设计及制造,将火焰筒10及涡轮导叶30融合为一个整体,可以简化燃烧组件100的结构,减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重,提高可靠性,降低加工及维护成本。

请参阅图15,在某些实施方式中,内筒114还包括环形底座1141,底座1141与第二连接端32连接。底座1141上设置有安装孔1142。安装孔1142用于安装涡轮700。由轴套812包裹的连接轴820从内腔116穿设出来与涡轮700连接。如此,底座1141增加了火焰筒10的支撑强度,以更好地支撑涡轮导叶30及涡轮700。在本发明实施例中,安装孔1142的数量为三个,当然,在其他实施方式中,安装孔1142的数量不限于3个,比如2个,4个或者更多。

请一并参阅图19及图20,在某些实施方式中,燃烧组件100还包括燃油管路40,燃油管路40设置在外筒115的侧壁上,燃油管路40与火焰筒10融合为一个整体,通过增材制造技术一体化制造。燃油管路40在燃烧组件100工作时起到预热、蒸发燃油的效果,即起到燃油预热蒸发管的作用。同时,燃油管路40还对薄壁结构的外筒115起到增加强度的效果,即起到外筒115加强筋的作用。

具体地,燃油管路40包括主管41、分配腔42、及支管43。

主管41设置在外筒115的侧壁上,沿头部1111指向尾部1112的方向延伸。主管41的一端用于连接外部燃油源。在本发明实施例中,主管41的数量为一条,当然,在其他实施方式中,主管41的数量也可以是多条。

分配腔42沿垂直于头部1111指向尾部1112的方向延伸且与主管41的另一端连通。分配腔42环绕设置在外筒115上。

支管43沿头部1111指向尾部1112的方向延伸,支管43的一端与分配腔42连通,另一端与喷嘴20连通。支管43设置在外筒115的内侧面上。支管43的数量为至少两条。支管43的数量与喷嘴20的数量相等且位置对应。至少两条支管43以θW=360°/W(W≥2,W为正整数,例如2,3,4)的角度设置在外筒115上。从外部燃油源输入的燃油经过主管41时预热、蒸发,然后通过分配腔42进入多条支管43,在经过多条支管43时进一步蒸发,然后进入喷嘴20。

本发明实施方式的发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法,还包括以下步骤:

将火焰筒10及燃油管路40融合为一个整体,通过增材制造技术一体化设计及制造火焰筒10和燃油管路40。火焰筒10包括主体11,主体11形成有燃烧腔111,燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112,气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。燃油管路40设置在外筒115的侧壁上。燃油管路40包括主管41、分配腔42、及支管43。主管41沿头部1111指向尾部1112的方向延伸,主管41的一端用于连接外部燃油源。分配腔42沿垂直于头部1111指向尾部1112的方向延伸且与主管41的另一端连通。支管43沿头部1111指向尾部1112的方向延伸,支管43的一端与分配腔42连通,另一端喷嘴20连通。也即是说,将燃油管路40和火焰筒10融合为一个部件。

本发明利用增材制造技术对发动机1000的燃烧组件100进行一体化制造,将火焰筒10及燃油管路40融合为一个整体,可以简化燃烧组件100的结构,减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重,提高可靠性,降低加工及维护成本。

在某些实施方式中,喷嘴20与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造;或/和,涡轮导叶30与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造;或/和,燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造。具体地,喷嘴20、涡轮导叶30、燃油管路40可以同时与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造;或先将喷嘴20及燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造,再将由增材制造技术制造的涡轮导叶30组装到火焰筒10上;或先将涡轮导叶30及燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造,再将由增材制造技术制造的喷嘴20组装到火焰筒10上。

本发明利用增材制造技术对微型涡喷发动机1000的燃烧组件100进行一体化设计及制造,将火焰筒10及喷嘴20、涡轮导叶30、及燃油管路40融合为一个整体,可以简化燃烧组件100的结构,减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重,提高可靠性,降低加工及维护成本。

请一并参阅图21、图22及图23,在某些实施方式中,根据振动特性、强度、热变形等要求将火焰筒10设计为一段或多段,也即是说,火焰筒10为一段式结构或火焰筒10为多段式结构。多段指两段或者两段以上。

具体地,通过增材制造技术一体化同时制造喷嘴20、涡轮导叶30、燃油管路40、及火焰筒10,此时火焰筒10为一段式结构。

两段式结构火焰筒10包括第一段12及第二段13。头部1111形成在第一段12,第一段12形成有与头部1111相背的第一开口121,第一段12的外壁上形成有凹槽122。尾部1112形成在第二段13,第二段13形成有与尾部1112相背的第二开口131,第二段13的外壁上形成有凸起132,凸起132与凹槽122配合以连通第一开口121及第二开口131(如图24所示)。凹槽122的数量可以为多个,凸起132的数量与凹槽122数量相等且位置对应。凹槽122以θR=360°/R(R≥2,R为正整数,例如2,3,4)的角度设置在第一段12靠近第一开口121的位置,凸起132以θR=360°/R的角度设置在第二段13靠近第二开口131的位置。例如,3个凹槽122分别以120°间隔设置在第一段12靠近第一开口121的位置,3个凸起132对应地设置在第二段13靠近第二开口131的位置。

请参阅图22,在某些实施方式中,在第一段12上靠近第一开口121的位置形成有定位块123。定位块123的数量为至少两个。在组装第一段12与第二段13时,定位块123抵持住第二段13,便于将第二段13的凸起132卡进第一段12的凹槽122中。

多段式火焰筒10的结构与上述实施方式中的两段式火焰筒10的结构类似。将火焰筒10设计为多段,具有以下有益效果:

1.从振动特性的角度:将火焰筒10分段设计,容易根据火焰筒10的振动特性要求的改变火焰筒10的固有频率,从而在工程上为燃烧腔111设计过程中解决热声振荡问题提供了快捷有效的手段。

2.从强度和刚度的角度:将火焰筒10分段设计,可以改变火焰筒10整体的刚性约束条件,降低结构整体的刚度,有利于降低火焰筒10受外载荷时的应力水平,提高寿命。

3.从热变形和热应力的角度:火焰筒10在工作状态时,要承受高温而发生热变形,当热变形受到约束时,则会产生热应力。将火焰筒10分段设计,可以改变火焰筒10发生热变形时的刚性约束条件,有助于降低火焰筒10工作状态时的热应力水平,提高寿命。

本发明实施方式的微型涡喷发动机1000的一体化设计与制造方法,包括以下步骤:

电机支架610通过增材制造技术一体成型。

进气道200通过增材制造技术一体成型。

扩压部和连接部融合为一个整体形成扩压器,扩压器通过增材制造技术一体成型。

机匣400通过增材制造技术一体成型。

尾喷管500通过增材制造技术一体成型。

将火焰筒10及燃油管路40融合为一个整体,通过增材制造技术一体化设计及制造火焰筒10和燃油管路40。也即是说,将燃油管路40和火焰筒10融合为一个部件。

涡轮700通过增材制造技术一体成型。

转子支架通过增材制造技术一体成型。

本发明利用增材制造技术对微型涡喷发动机1000的燃烧组件100、进气道200、径向扩压器320、机匣400、尾喷管500、电机支架610、涡轮700和转子支架均通过增材制造技术一体化制造,将多个分离组装的部件一体化制造,每个部件包含多个子部件,例如:机匣400包括机匣侧壁410、网状加强件420、限位件430、安装孔440、第一端面460、第一固定孔462和紧固件464,将这些分离组装、或需要其他工艺进行再处理的的子部件一体化制造,减少了各部件间的支撑和连接结构,便于加工,有利于减重和降低加工及维护的成本和难度。本发明涉及的微型涡喷发动机1000整机结构简单,仅包含不多于15个3D打印结构件,包含2件电机支架610(即第一安装部612和第二安装部614)、电机620、轴承和少于30个的连接件900(如螺栓)。

本发明实施方式的增材制造技术的流程为:

将三维CAD设计图纸保存为增材制造设备切片软件能够识别的格式,将文件导入切片软件进行切片,3D打印机执行切片软件生成的代码,进行3D打印。

本发明实施方式的增材制造技术的一体化设计与制造方法是激光选区熔化:通过切片软件对零件三维CAD模型进行切片分层,获得各截面的轮廓数据后,将高能量激光束聚焦在需要成形的区域,逐层选择性地熔化金属粉末,通过逐层铺粉,逐层熔化凝固堆积的方式,以完成增材制造。本发明实施方式的金属材料为钛合金、镍合金等。

具体地,本发明实施方式的增材制造技术的流程包括以下步骤:

1.根据微型涡喷发动机1000性能指标要求,确定微型涡喷发动机1000的气动外形,完成宏观轮廓设计;

2.根据微型涡喷发动机1000减重、强度、冷却和增材制造工艺,完成燃烧组件100、进气道200、径向扩压器320、机匣400、尾喷管500、电机支架610、涡轮700和转子支架的一体化设计;

3.对上述步骤完成的设计模型进行数值模拟,校核功能和结构强度。当其中任意一项技术指标不满足要求时返回上一步骤进行优化设计,直至所有的模拟分析结果全部合格,则进入下一步骤。

4.对所有符合产品设计要求的部件进行增材制造,及后续的热处理、线切割、机加等工艺直至满足部件的装配要求。

综上,本发明实施方式的微型涡喷发动机1000具有以下有益效果:

1.简化微型涡喷发动机1000的结构,减轻微型涡喷发动机1000的整体重量;

2.通过增材制造技术一体化成型使微型涡喷发动机1000的结构更简单,在保证微型涡喷发动机1000的性能的同时,微型涡喷发动机1000的结构稳定性好;

3.通过增材制造技术一体化成型使微型涡喷发动机1000燃烧组件100的制造成本大幅降低,同时降低后期维护成本;

4.减少设计、制造、实验的中间环节,简化流程,缩短研发周期。

在本说明书的描述中,参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个,除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1