微型涡轮喷气发动的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种微型涡轮喷气发动机，包括压气机组件和燃烧室组件，所述压气机组件与所述燃烧室组件分别位于所述微型涡轮喷气发动机的进气端与喷气端，所述压气机组件包括压气机和涡轮，其中，所述压气机与所述涡轮为一体化设计。本发明所述的微型涡轮喷气发动机由于使用了一体化的压气涡轮叶片设计，减小了设计的难度，并且有利于微型结构的加工组装。并且由于采用了回流式燃烧室，有助于整体布局的紧凑型，很好地控制了设计的尺寸，并且留出了充分的空间以提高燃烧效率。另外，轴承的外移有效地降低了整个轴系的温度，提高了系统整体可靠性和使用寿命，降低了对轴承质量的要求，有助于减少整体成本。
【专利说明】微型涡轮喷气发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及发动机领域，具体地，涉及一种微型涡轮喷气发动机。
【背景技术】
[0002]随着航空技术的发展，航空器对推进系统的性能提出了越来越高的要求，涡轮喷气发动机作为一种主要的航空推进发动机，其机械效率高，目前已知的各种转动机械中，一般的来说，涡轮喷气发动机效率为最好。而随着生活方式的多样化，在各个不同领域中，个人化、微小化、轻量化都成了必然的趋势，微小型涡轮喷气发动机也必然成为了一个热门的课题。
[0003]微型涡轮发动机的工作原理与传统的燃气涡轮发动机相同，主要由微型压气机、微型涡轮以及微型燃烧腔室等部件组成。其基本工作过程如图1所示，首先当发动机开始工作，压气机高速旋转压片对空气做功，将空气吸入并压缩，空气经过气道进入燃烧室，在燃烧室里来自压气机的压缩空气与参与反应的燃料混合燃烧，燃烧放出大量的能量使得燃烧室内部气体膨胀并且变热，燃烧后高温高压的气体最后经过燃烧室出气口喷出，高温高压气体推动涡轮叶片使其高速旋转，高速旋转的涡轮带动压气机工作并通过转轴输出一定的扭矩，之后气体从喷管内高速喷出，高速喷出的气体对发动机产生反响作用力，发动机输出推力。
[0004]具体地，图2是表示图1中微型涡轮喷气发动机的轴承的原理图。参照图2，轴承均位于涡轮(图2的左侧)与压气机(图2的右侧)之间。
[0005]然而，微型涡轮喷气发动机结构尺寸小，并且微型涡轮喷气发动机的设计并不是将传统的发动机简单的小型化，由于其是有普通航空发动机的百分之一大小，其推重比更是达到了普通发动机的百倍以上，但是整个发动机的工作效率比普通发动机较小，因为结构空间的限制内部气体流动的机械损失较大，由于发动机燃烧室尺寸小也同样导致了燃烧效率偏低的现象，其关键部件的加工以及装配都是相对比较难实现。同时，由于结构较小，推重比较大，使得轴承的温度比较高，所以轴承容易损坏，使用寿命很短。
【发明内容】
[0006]本发明就是为解决上述技术问题而做出的，其目的在于提供一种微型涡轮喷气发动机。该微型涡轮喷气发动机整体结构简单，易于加工组装，并且能够同时提供很大的推力，同时轴承可以提供转动动力，以驱动发其他装置。
[0007]本发明提供一种微型涡轮喷气发动机，包括压气机组件和燃烧室组件，所述压气机组件与所述燃烧室组件分别位于所述微型涡轮喷气发动机的进气端与喷气端，所述压气机组件包括压气机和涡轮，其中，所述压气机与所述涡轮为一体化设计。
[0008]优选地，所述压气机组件还包括转子，所述压气机为位于所述转子的进气侧的叶片，所述涡轮为位于所述转子的喷气侧的叶片。
[0009]优选地，所述压气机组件还包括多个轴承，所述多个轴承位于所述涡轮和所述压气机的外部。
[0010]优选地，所述燃烧室组件是回流式燃烧室，即经所述压气机吸入的空气经过两次180°转弯后流到所述涡轮。
[0011]优选地，所述微型涡轮喷气发动机的直径为5厘米或以下。
[0012]根据上述方法，本发明所述的微型涡轮喷气发动机由于使用了一体化的压气涡轮叶片设计，减小了设计的难度，并且有利于微型结构的加工组装。并且由于采用了回流式燃烧室，有助于整体布局的紧凑型，很好地控制了设计的尺寸，并且留出了充分的空间以提高燃烧效率。另外，轴承的外移有效地降低了整个轴系的温度，提高了系统整体可靠性和使用寿命，降低了对轴承质量的要求,有助于减少整体成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是表示现有技术中所述的微型涡轮喷气发动机的原理图。
[0014]图2是表示现有技术中所述的微型涡轮喷气发动机的轴承的原理图。
[0015]图3是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机的剖视图。
[0016]图4是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机的立体结构示意图。
[0017]图5a、图5b是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机转子的结构示意图。
[0018]图6是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动的进气法兰的结构示意图。
[0019]图7是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机的外壳的结构示意图。
[0020]图8是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件的空气流动过程示意图。
[0021]图9是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件外腔的结构示意图。
[0022]图10是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件内腔的结构示意图。
[0023]图11是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件端盖的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将参考附图来描述本发明所述的微型涡轮喷气发动机的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
[0025]图3是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机的剖视图。图4是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机的立体结构示意图。如图3、图4所示，左侧为微型涡轮喷气发动机的喷气端，右侧为进气端。本发明所述的微型涡轮喷气发动机包括压气机组件100和燃烧室组件200。压气机组件100包括进气法兰110、螺母120、主轴130、轴承140、套筒150、导气法兰160以及转子170。所述燃烧室组件200包括:外壳210、外腔220、端盖230、燃气嘴240、内腔250、火花塞260以及定子270。
[0026]在本发明中，将压气机与涡轮合为一体，同时起到两者的作用。
[0027]具体而言，图5a、图5b是表示本发明所述的微型涡轮喷气发动机转子170的结构示意图，如图5a、图5b所示，转子170两侧均设有叶片，位于进气侧(即压气机组件侧)的叶片171起到将空气吸入的作用，称为压气机，用于将外界空气吸入，位于出气侧(即燃烧室组件侧)的叶片172因受燃烧的高压气体冲击而带动主轴130旋转，称为涡轮。
[0028]并且，再次参照图3、图4，由于将压气机与涡轮合为一体，两个轴承140均位于一体化后的涡轮172和压气机171右侧，也位于燃烧室组件200右侧，即位于燃烧室组件200、涡轮172、压气机171的外部，即实现了轴承140的外移。
[0029]具体而言，如图6所示，进气法兰110设有进气孔111、中心通孔112、通孔113以及定位圈114(见图3)。中心通孔112用于安装轴承140，在中心通孔112的右端设有一段内螺纹，用于连接螺母120。所述主轴130为阶梯轴，主轴130的与定子270配合的轴131处设有外螺纹，用于连接转子170，轴肩132用于转子170轴向定位。轴肩133、轴肩134分别用于两个轴承140内圈的轴向定位。主轴130的轴135直径小于螺母120的中心通孔直径。两个轴承140之间设有套筒150，图3中左侧的轴承140外圈靠在进气法兰110的定位圈114上，套筒150压紧左侧轴承140的外圈，右侧轴承140外圈压紧套筒150，螺母120设有中心通孔和外螺纹，螺母120通过螺纹连接与进气法兰110固定，压紧轴承140的外圈。所述导气法兰160位于进气法兰110与外壳210之间，通过螺栓固定。导气法兰160内部为圆滑曲面，减少进气阻力。导气法兰160设有中心通孔，通孔直径大于主轴，用于进气。所述转子170位于主轴130的轴131处，转子170的中心通孔处设有内螺纹，用于与主轴130连接固定。转子170外侧沿周向设有多条半圆槽173,半圆槽相当于动密封,防止气体从定子270与转子170之间的狭小缝隙泄露。
[0030]外壳210与导气法兰160、进气法兰110用螺栓连接，外壳210为微型涡喷发动机提供了密闭的空间，同时用于安装固定端盖230。图7是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机的外壳的结构示意图。如图7所示，外壳210内部设有多个条形凸台211，凸台211用于安装固定定子270，且保证定子270与外壳210之间留有用于过气的缝隙。定子270与外壳210的凸台211之间为过盈配合，无相对运动。定子270与转子170共轴，位于转子170外侧，定子270通过内腔250和导气法兰160进行轴向定位。定子270靠近进气端一侧设有叶片271，叶片271的弯曲方向与转子170的叶片171的弯曲方向相反，片271沿圆周均匀分布，用于将叶片171吸入的空气引导至外壳210与外腔220之间的空间内。定子270靠近燃烧室组件一侧设有叶片272，叶片272的弯曲方向与转子170的叶片172的弯曲方向相反，片272沿圆周均匀分布，用于将燃烧室组件内的高温高压气体引导至叶片172。
[0031]在本发明中，微型涡轮喷气发动机的燃烧室组件属于回流式燃烧室，即经所述压气机吸入的空气经过两次180°转弯后流到所述涡轮。图8是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件的空气流动过程示意图。如图8所示，从压气机流出的空气流动过程用加粗黑线表示，经过四次90度转弯，即两次180°转弯后流到涡轮。
[0032]具体而言，图9是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件外腔的结构示意图。外腔220位于壳体210内部且与壳体210同轴，外腔220通过定子270和内腔250来进行轴向定位，图3中外腔220的最右端压在定子270的轴肩273处(见图5a)。在外腔220靠近排气端处设有多排沿圆周均匀分布的小孔221，压气机从外界吸入的空气通过小孔221进入燃烧室组件。端盖230位于排气端，通过螺栓与内腔250、外壳210固定在一起，如图11所示，端盖230上设中心通孔231、螺纹孔232、233以及通孔234。中心通孔231用于排气，螺纹孔232用于固定火花塞260，螺纹孔233用于固定燃气嘴240。[0033]图10是示出本发明所述的微型涡轮喷气发动机燃烧室组件内腔的结构示意图。所述内腔250位于壳体210内部且与壳体210同轴，内腔250设有燃气孔251、通孔252、点火孔253、以及中心通孔254。内腔250通过螺栓与外壳210、端盖230固定在一起，实现了轴向定位和圆周向定位。内腔250轮廓面为光滑曲面，可以减少可燃气体燃烧后形成的高温高压气体遇到的阻力。燃烧室组件内形成的高温高压气体经过涡轮后从中心通孔254喷出。火花塞260的点火嘴通过点火孔253伸入到燃烧室组件内部，点燃可燃气体，燃气孔251是燃气从燃气嘴240进入燃烧室组件的通道。
[0034]具体而言，本发明涉及的微型涡轮喷气发动机的工作原理如下，先用高压气源对着进气法兰Iio的进气孔111吹气，启动转子170，转子170旋转，压气机叶片171将外界空气经进气孔111吸入，空气经导气法兰160中心通孔，再经过叶片171和转子叶片271进入壳体210与外腔220之间的空间，又经过外腔220的通孔221进入燃烧室组件。与此同时，可燃气体从燃气嘴240进入端盖230与内腔250之间的空间，再通过内腔250上的小孔251进入燃烧室组件，可燃气体与空气混合。同时，火花塞260点火，将燃烧室组件内的可燃气体点燃，可燃气体燃烧形成高温高压气体推动涡轮叶片172，带动定子170高速旋转，定子170旋转不断将空气吸入燃烧室组件，同时高温高压气体从内腔中心通孔254喷出，形成强大的推动力。
[0035]优选地，本发明所述微型涡轮喷气发动机的直径为5厘米或以下。
[0036]根据上述方法，本发明所述的微型涡轮喷气发动机由于使用了一体化的压气涡轮叶片设计，减小了设计的难度，并且有利于微型结构的加工组装。同时由于采用了回流式燃烧室，有助于整体布局的紧凑型，很好地控制了设计的尺寸，并且留出了充分的空间以提高燃烧效率。另外，轴承的外移有效地降低了整个轴系的温度，提高了系统整体可靠性和使用寿命，降低了对轴承质量的要求。有助于减少整体成本。
[0037]本领域技术人员应当理解，对于上述发明涉及的微型涡轮喷气发动机，还可以在不脱离本
【发明内容】
的基础上做出各种改进和组合。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
【权利要求】
1.一种微型涡轮喷气发动机，包括压气机组件和燃烧室组件，所述压气机组件与所述燃烧室组件分别位于所述微型涡轮喷气发动机的进气端与喷气端，所述压气机组件包括压气机和涡轮， 其中，所述压气机与所述涡轮为一体化设计。
2.根据权利要求1所述的微型涡轮喷气发动机，其中，所述压气机组件还包括转子，所述压气机为位于所述转子的进气侧的叶片，所述涡轮为位于所述转子的喷气侧的叶片。
3.根据权利要求1或2所述的微型涡轮喷气发动机，其中，所述压气机组件还包括多个轴承，所述多个轴承位于所述涡轮和所述压气机的外部。
4.根据权利要求1或2所述的微型涡轮喷气发动机，其中，所述燃烧室组件是回流式燃烧室，即经所述压气机吸入的空气经过两次180°转弯后流到所述涡轮。
5.根据权利要求1所述的微型涡轮喷气发动机，其中，所述微型涡轮喷气发动机的直径为5厘米或以下。
【文档编号】F02K3/00GK103758661SQ201410022402
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】吕琼莹, 万渊, 全亚洲, 梅玉石, 陶希家 申请人:长春理工大学