一种油冷涡轮动叶片的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及涡轮/冲压或火箭/冲压组合发动机领域。
【背景技术】
[0002]高超声速飞行器(包括单级\两级入轨空天飞机、天地往返运输器和高超声速巡航导弹等)是当前研究的热点。以涡轮/冲压或火箭/冲压组合发动机以及超燃冲压发动机为推进系统的吸气式高超声速飞行器长时间飞行的关键问题之一是解决发动机的电力来源。高超声速飞行器中存在着多种能量需求，包括雷达通讯系统、飞行控制系统、电子设备和环境控制系统等。目前，飞行器供电多采用燃料电池方式，但是燃料电池功率密度相对较低，对于长时间飞行是不利的，会带来巨大的质量和体积惩罚。
[0003]亚燃冲压发动机中成熟运用空气涡轮供电及燃料供给。然而，当马赫数高于6之后，主流总温达到1650K以上，超过涡轮材料许用温度，限制了空气涡轮的应用。因此，如果采用空气涡轮进行发电和燃料供给，就必须解决涡轮叶片的冷却问题。
[0004]对于入口温度高的涡轮，可采用冲动式结构设计，其静叶设计为超声速喷嘴。空气在喷嘴中基本完成膨胀需求，温度大幅降低，能够减弱动叶冷却的需求;冲动式结构的动叶片通常叶片中部厚度较大，为冷却结构的设计提供了可能
[0005]吸气式涡轮发动机中涡轮动叶片通常采用气膜冷却。从压气机中引出一股低温气体并引入涡轮动叶片内的冷却腔室，最后从叶片表面的气膜孔喷出，在叶片表面形成一层低温保护层。然而，在高超声速飞行条件下，来流温度超过材料许用温度，要想采用气膜冷却，就需要额外携带冷却气源以及冷却剂供给装置，给飞行器带来质量和体积惩罚。
[0006]高超声速飞行条件下，飞行器上可用的冷源仅有发动机的燃料。燃料冷却成为解决涡轮/冲压或火箭/冲压组合发动机以及超燃冲压发动机大多数热端部件热防护问题的方案。设计一种油冷叶片的空气涡轮，成为解决高超声速飞行条件下空气涡轮使用受限的一种方案。
【发明内容】
[0007]本发明要解决空气涡轮在高马赫数飞行条件下使用受限的技术问题，而提供一种油冷涡轮动叶片。
[0008]—种油冷涡轮动叶片包括燃料箱、燃料栗、空心轴和空气涡轮，空心轴内部的中空管状结构为冷却通道，空气涡轮转子部分由轮盘和叶片组成，轮盘和叶片内部分布冷却通道，其中燃料箱出口与燃料栗进口联通，燃料栗与空气涡轮依次安装在空心轴上，燃料栗出口与空心轴内冷却通道进口联通，空心轴的末端通入燃烧室。
[0009]工作原理:
[0010]燃料栗将燃料增压至冷却通道所需的压力后通过空心轴入口端输入旋转部件中，燃料充满冷却通道之后将高温高压空气通入空气涡轮膨胀做功，空气涡轮带动燃料栗实现燃料加压，从而实现了燃料的供给。燃料经过叶片过程中对叶片进行冷却，保证空气涡轮能够正常工作。冷却过叶片之后的燃料通过空心轴出口端流出旋转部件，进而通入燃烧室燃
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[0011]本发明的有益效果是:本发明利用自身所带的燃料作为冷却剂对涡轮动叶片进行冷却，解决了高马赫数飞行下空气温度过高而导致空气涡轮使用受限的问题，使得空气涡轮能够在高马赫数飞行时得以应用。利用燃料作为冷却剂，无需额外增加冷源存储及供应装置;高温高压空气具有较强的做功能力，在带动燃料栗之后，额外的能量可以用于发电；高温空气经过涡轮膨胀后温度大大降低，可作为气膜冷却的冷却剂;轴、轮盘、叶片中的冷却通道有利于减轻系统的重量。
[0012]本发明利用燃料对动叶进行冷却，使空气涡轮可以在高超声速飞行器上应用。
【附图说明】
[0013]图1为【具体实施方式】一所述的一种油冷涡轮动叶片的示意图，其中a代表高温空气，b代表低温空气；
[0014]图2为【具体实施方式】一所述的一种油冷涡轮动叶片中空气涡轮的示意图；
[0015]图3为【具体实施方式】一所述的一种油冷涡轮动叶片中叶片结构剖面图；
[0016]图4为图3中A-A截面的剖面图；
[0017]图5为图3中B-B截面的剖面图。
【具体实施方式】
[0018]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0019]【具体实施方式】一:本实施方式一种油冷涡轮动叶片包括燃料箱1、燃料栗2、空心轴3和空气涡轮4，空心轴3内部的中空管状结构为冷却通道7，空气涡轮4转子部分由轮盘5和叶片6组成，轮盘5和叶片6内部分布冷却通道7，其中燃料箱I出口与燃料栗2进口联通，燃料栗2与空气涡轮4依次安装在空心轴3上，燃料栗2出口与空心轴3内冷却通道7进口联通，空心轴3的末端通入燃烧室。
[0020]本实施方式燃料箱I用于储存燃料，燃料栗2用于燃料增压，空心轴3有双重作用，首先用于固定燃料栗2和空气涡轮4，其次作为冷却通道7静止与旋转部件的衔接。在系统启动时首先将燃料栗2入整个冷却通道7中，然后将高温高压空气通入涡轮4中，此后空气推动涡轮4做功，进而带动燃料栗2。燃料通过冷却通道7之后将叶片6冷却降温，使空气涡轮4能够持续正常工作。从而实现了持续的燃料供给。高温空气膨胀做功之后温度大大降低，可通入燃烧室进行气膜冷却。
[0021]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:该油冷涡轮动叶片利用燃料进行冷却。其它与【具体实施方式】一相同。
[0022]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:燃料栗2和空气涡轮4采用空心轴3作为连接轴。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0023]轮盘5中的冷却通道7的位置要根据涡轮动叶片的数目与叶片6中冷却通道7的位置进行确定。
[0024]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:叶片6中冷却通道7为U型结构，并且叶片6中冷却通道7的中心线与空心轴3的轴线在同一平面内。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0025]本实施方式的设计能够消除高速转动产生的附加扭矩。
[0026]采用以下实施例验证本发明的有益效果:
[0027]实施例一:
[0028]本实施例一种油冷涡轮动叶片包括燃料箱1、燃料栗2、空心轴3和空气涡轮4，空心轴3内部的中空管状结构为冷却通道7，空气涡轮4转子部分由轮盘5和叶片6组成，轮盘5和叶片6内部分布冷却通道7，其中燃料箱I出口与燃料栗2进口联通，燃料栗2与空气涡轮4依次安装在空心轴3上，燃料栗2出口与空心轴3内冷却通道7进口联通，空心轴3的末端通入燃烧室。
[0029]其中，燃料栗2和空气涡轮4采用空心轴3作为连接轴，叶片6中冷却通道7为U型结构，并且叶片6中冷却通道7的中心线与空心轴3的轴线在同一平面内。
[0030]本实施例油冷涡轮动叶片利用自身所带的燃料作为冷却剂对涡轮动叶片进行冷却，解决了高马赫数飞行下空气温度过高而导致空气涡轮使用受限的问题，使得空气涡轮能够在高马赫数飞行时得以应用。利用燃料作为冷却剂，无需额外增加冷源存储及供应装置;高温高压空气具有较强的做功能力，在带动燃料栗之后，额外的能量可以用于发电；高温空气经过涡轮膨胀后温度大大降低，可作为气膜冷却的冷却剂;轴、轮盘、叶片中的冷却通道有利于减轻系统的重量。
【主权项】
1.一种油冷涡轮动叶片，其特征在于该油冷涡轮动叶片包括燃料箱(I)、燃料栗(2)、空心轴(3)和空气涡轮(4)，空心轴(3)内部的中空管状结构为冷却通道(7)，空气涡轮(4)转子部分由轮盘(5)和叶片(6)组成，轮盘(5)和叶片(6)内部分布冷却通道(7)，其中燃料箱(I)出口与燃料栗(2)进口联通，燃料栗(2)与空气涡轮(4)依次安装在空心轴(3)上，燃料栗(2)出口与空心轴(3)内冷却通道(7)进口联通，空心轴(3)的末端通入燃烧室。2.根据权利要求1所述的一种油冷涡轮动叶片，其特征在于该油冷涡轮动叶片利用燃料进行冷却。3.根据权利要求1所述的一种油冷涡轮动叶片，其特征在于燃料栗(2)和空气涡轮(4)采用空心轴(3)作为连接轴。4.根据权利要求1所述的一种油冷涡轮动叶片，其特征在于叶片(6)中冷却通道(7)为U型结构，并且叶片(6)中冷却通道(7)的中心线与空心轴(3)的轴线在同一平面内。
【专利摘要】一种油冷涡轮动叶片，本发明涉及涡轮/冲压或火箭/冲压组合发动机领域。本发明要解决空气涡轮在高马赫数飞行条件下使用受限的技术问题。系统包括燃料箱、燃料泵、空心轴和空气涡轮，空心轴内部的中空管状结构为冷却通道，空气涡轮转子部分由轮盘和叶片组成，轮盘和叶片内部分布冷却通道。本发明利用飞行器自身所带的燃料作为冷却剂对涡轮叶片进行冷却，解决了高马赫数飞行条件下空气温度过高而导致空气涡轮使用受限的问题。
【IPC分类】F01D5/08, F01D5/18, F02C7/22, F01D5/06
【公开号】CN105673088
【申请号】CN201610035442
【发明人】秦江, 孙红闯, 鲍文, 张铎, 常军涛, 于达仁
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月19日