专利名称：微型压气机隔热式静子轮盘的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种用于减少燃烧室向压气机的传热量，以提升压 气机的性能的微型压气机隔热式静子轮盘。属于微型压气机设计技术领域。
技术背景微型涡轮发动机(MTE)重量轻、功率大、能量密度高，可作为各种 微小型导弹、无人机、乃至未来单兵飞行器的推进系统，是一种具有很好应 用前景的新兴喷气推进动力装置。目前，国内外均已研制出了实用的机型，并 且国外已将之投入了实用。微型涡轮发动机(MTE)还可用于发电装置，例如 与燃料电池结合，构成高能量密度的分布式电源系统，具有热效率高、污染物 排放量小等优点。微型涡轮发动机设计具有不同于常规发动机的特殊性 一方 面，因为微型化而产生的低雷诺数流动、燃烧驻留时间短、制造工艺限制等问 题对MTE的主要部件的设计和工作特性都产生了显著的影响；另一方面，由于 微型涡轮发动机(MTE)整机结构紧凑、尺度小，因此其部件尺度(如盘体厚 度)、部件与部件的间距都尽量縮短(达到毫米量级)，这样一来整机环境下的 部件特性受其他部件或环境影响的程度就会很明显。目前关注微型涡轮发动机(MTE)设计特殊性的研究多集中在第一方面(如微型压气机(B。rislavSimkov，Yifang Gong, /U肌Epstein, Choon T肌Design and Characterization of Micro-compressor Impellers. Vie腿a, Austria: Proceedings of ASME Turbo Expo,GT2004-53332, 2004) 、 ^呙轮(Zhengping FENG, QinghuaDENG, JunLI. Aerothermodyn柳icDesign and NumericalSi咖lation of Radial Inflow Turbine Impeller for A 100kW Microturbine. Nevade， USA: Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2005-68276,2005)的气动设计，微尺度流动(樊菁，沈青.微尺度气体流动.力学进展，2002， vol. 32(3))，微型环形燃烧室等曹海亮，徐进良.微尺度环形燃烧室的燃烧特性.自 然科学进展，2006， vol. 16(7))，然而对整机环境下各部件相互影响及匹配工作 的研究还不多。国内外最新研究己揭示了靠近压气机的高温部件会向压气机 大量传热，能显著影响循环工况、明显降低效率(如德国亚琛大学的D. Bohn等对车载涡轮增压器的厘米级压气机开展的研究，通过CFD计算(D. Bohn， T.Heuer， and K. Kusterer. ConjugateFlow and Heat Tranfer Investigation of A Turbo Charger: Part I: NumericalResults. In尸i"oceeoY/^ /IS", 7kr6o 尸cwer/b/"Z朋A 5"ea, a/^A>，Atlanta, Georgia, USA, 2003)和实验测量(D. Bohn，N. Moritz, and M. Wolff， Conjugate Flow and Heat Tranfer Investigation of A TurboCharger: Part II _ Experimental Results. In尸/"oceeAV^ of A 厥7""/"6o户wer/br乙a/ t/, 5"ea,朋G^j'r, Atlanta, Georgia, USA， 2003)说明了 高温涡轮向压气机的传热会显著影响循环工况、使效率明显降低)。 发明内容本实用新型的目的旨在克服现有技术所存在的缺陷，提出在微型发动机 中热效应大于常规发动机，传热效应主要降低压气机性能，在压气机静子轮 盘背部采用双层隔热结构，从而减少燃烧室向压气机的传热量，提高压气机 及发动机整，性能。实现主要隔热功能的内隔热层釆用由氧化铝纤维制成的 陶瓷纤维隔热材料，外隔热层为反射热辐射的金属膜。本实用新型的技术解决方案，其结构是压气机静子轮盘背部，采用双层 隔热层结构。本实用新型的机理发动机微型化后传热效应大体会增大Ri^倍(RL为微型发动机与常规发动机尺寸之比)。微型涡轮发动机的地面试车实验表明，燃烧室向压气机传递的热量使压气机出口温度增加了40K以上， 达压气机最大转速时有效温升的30%。此外压气机进口也受到传热影响，在 各转速下均出现了几K的温升。燃烧室向压气机的传热造成压气机效率的大 幅下降。由该微型涡轮发动机内部结构(见图l)可知，燃烧室前端面通过热辐 射散发的热量被压气机静子轮盘背面吸收，并传递到压气机转子通道，造成 压气机效率降低。因此，要减少燃烧室向压气机的传热，主要应隔绝压气机 静子轮盘所吸收的热量，故在压气机静子盘背采取隔热措施效果最佳。本实用新型的优点由于在压气机静子盘背采取隔热措施，减少了燃烧 室向压气机的传热，在保证压气机气动性能和发动机结构不变的情况下，大 幅提升了压气机及发动机整机性能。由于压气机静子轮盘背部采用双层隔热层结构其内层为主隔热层，釆 用陶瓷纤维隔热材料，贴在压气机静子轮盘盘背；外层为能反射热辐射(主 要是红外线和部分可见光波)的金属膜，贴在主隔热层上。金属膜反射燃烧 室前端面通过热辐射向主隔热层传递的热量，降低主隔热层两端的温差；主 隔热层隔绝大部分向压气机静子轮盘传递的热量，限制了进入静子轮盘的热 流密度；由于在主隔热层表面加一层金属薄膜有效地阻隔了热辐射，减小主 隔热层两端温差，提高隔热效果；主隔热层材料选用由氧化铝纤维制成的陶瓷纤维制品，厚度lmm， 1100 。C时导热系数《0.158 W/m *K，体积密度《75 kg/m3 ，材料最高耐受温度800 。C，耐受时间2h，材料不允许掉渣，并仍有柔韧性。在材料层内侧温度为 60(TC时，材料层外侧温度《165。C,达到了较佳的隔热效果。 地面台架试车表明，压气机出口温度下降40K，压比基本保持不变，最大转 速时发动机推力从78N增大到96N，增加了 23%，同时发动机耗油率降低 了10%以上。
附图1是隔热式压气机静子轮盘应用于微型涡轮发动机的结构示意图。附图2是图1中A的放大示意图。
具体实施方式
图中的l是压气机转子轮盘，安装于发动机转轴之上，在进气道 之后，压縮空气，使之增压；2是压气机静子轮盘，在压气机转子轮盘之 后，将从发动机转子轮盘流出的高压气体从径向导成轴向；3是主隔热层， 安装于压气机静子轮盘靠燃烧室一侧，隔绝传向压气机静子轮盘的热量；4 是外隔热层(金属膜)，安装于主隔热层靠燃烧室一侧，反射燃烧室部件通过 热辐射向压气机传递的热量；5是轴承，是发动机转轴与压气机转子及涡轮 转子之间各一，传递轴向及径向载荷；6是发动机转轴，连接压气机转子及 涡轮转子，传递扭矩；7是燃烧室火焰筒，位于压气机静子及涡轮静子之间， 组织气体燃烧，提供涡轮所需高温高压燃气，温度高于1100K; 8是涡轮静 子轮盘，安装于燃烧室火焰筒之后，加速火焰筒中流出的气体，并对其整流; 9是涡轮转子轮盘，安装于发动机转轴之上，在涡轮静子之后，提供压气机 转子所需功率；IO是喷管，位于发动机尾部，在涡轮转子之后，加速燃气， 提供推力。实心箭头是热量传递方向、直角箭头是气体流动方向。对照附图，其结构是在压气机静子轮盘背部，采用双层隔热层结构。 所述的双层隔热层结构内层为主隔热层，采用陶瓷纤维隔热材料，贴 在压气机静子轮盘盘背，阻止外界热量向压气机静子轮盘的传递；外层为能 反射热辐射电磁波的金属膜，贴在主隔热层上，以减少燃烧室前端面通过热 辐射向主隔热层传递的热量。所述的主隔热层是由氧化铝纤维制成的陶瓷纤维制品隔热材料，厚度 lmm，材料最高耐受温度800。C，耐受时间2h，材料层内侧温度为600。C时， 材料层外侧温度《165。C。在主隔热层表面加一层金属薄膜，对热辐射的反射率达90%。 通过在典型微型涡轮发动机的压气机静子轮盘靠燃烧室一侧按本发明的技 术采取了隔热措施，试车表明，压气机出口温度下降40K，压比基本保持不 变，最大转速时发动机推力从78N增大到96N,增加了23。％，同时发动机 耗油率降低了 10%以上。
权利要求1、微型压气机隔热式静子轮盘，其特征是压气机静子轮盘背部，采用双层隔热层结构。
2、 根据权利要求l所述的微型压气机隔热式静子轮盘，其特征是压气机 静子轮盘背部采用的双层隔热层结构，其内层为主隔热层，采用陶瓷纤维隔 热材料，贴在压气机静子轮盘盘背，外层为能反射热辐射电磁波的金属膜， 贴在主隔热层上。
3、 根据权利要求2所述的微型压气机隔热式静子轮盘，其特征是主隔热层选用氧化铝纤维制成的陶瓷纤维隔热材料用隔热材料，厚度lmm，材料最 高耐受温度800'C，耐受时间2h，材料层内侧温度为60(TC时，材料层外侧温 度《165。C。
4、 根据权利要求2所述的微型压气机隔热式静子轮盘，其特征是在主隔 热层表面加一层反射热辐射的金属薄膜，对热辐射的反射率达90%。
专利摘要本实用新型是微型压气机隔热式静子轮盘，其特征是压气机静子轮盘背部，采用双层隔热层结构。发动机微型化后，传热效应显著增强，大幅降低发动机性能，必须采取有效的隔热措施。压气机静子轮盘盘背，是主要受热部位，在此采用双层隔热结构，减少压气机出口因传热造成的温升，提升发动机性能。外隔热层选用金属薄膜，反射燃烧室部件的热辐射能量；主隔热层选用陶瓷纤维材料，阻止外界热量向压气机静子轮盘的传递。优点双层隔热结构在不改变发动机结构的同时，显著提升了发动机的性能。该隔热式静子轮盘结构简单，易于实现，隔热效果明显。总的说来，本实用新型在保证压气机气动性能和发动机结构不变的情况下，大幅提升了压气机及发动机整机性能。
文档编号F04D29/44GK201053415SQ20072003827
公开日2008年4月30日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者晨 夏, 梁德旺, 马向东, 黄国平 申请人:南京航空航天大学