一种进气结构及离心压气机与涡桨发动机的制作方法

文档序号:31727281发布日期:2022-10-05 00:55阅读:159来源:国知局
一种进气结构及离心压气机与涡桨发动机的制作方法

1.本发明涉及航空发动机技术领域,更具体地,涉及一种进气结构及离心压气机与涡桨发动机。


背景技术:

2.为了防止航空发动机压气机喘振,很多压气机装有放气活门,一般在92%~95%ng转速区间以下打开放气活门,将一部分压缩空气直排到大气,以此增加通过压气机的空气流量,使压气机工作点远离喘振线。压气机放气不仅会造成能量损失,而且会使航空发动机起动过程燃烧室温度更高,消耗更多的起动电能和燃油,但是不放气会致使叶面气流分离,压气机喘振而且效率急剧下降,使零件疲劳裂纹扩展,严重时会发生故障。现有防喘放气活门(见附图5),将进气道直接与大气相通,实现将一部分压缩空气直排到大气,以满足使压气机工作点远离喘振线的功能,不可避免地造成了能量的损失,无法实现能源利用的最优化及最大化。
3.中国专利公开了一种涡轴发动机多通道压气机引气循环装置,在压气机匣上设有多条气体回流通道,通过使用多通道抽气再循环结构,可以有效拓宽涡轴发动机离心压气机低压比和高压比状态下的喘振裕度和工作范围,同时减少压气机放气量,提升发动机功率,降低油耗率和污染物排放。但该结构通过将不同位置的气体进行回流来粗略地控制进入扩压器的空气压力,进而使压力机远离喘振点,由于压力无法实现精准控制,因而无法确保压气机始终在高效区进行工作。


技术实现要素:

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种进气结构,可通过调节气体回流量使压气机在维持一定的空气流量与压力下始终处于高效区工作,可提升发动机功率,降低油耗率和污染物排放。
5.为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
6.提供一种进气结构,包括进气机匣、外罩、叶轮罩、叶轮、隔离法兰,所述进气机匣与所述外罩连接,所述外罩罩设于所述叶轮及所述叶轮罩外,且叶轮罩罩设于叶轮外,叶轮与叶轮罩之间形成气流通道,沿着气流方向,气流通道的截面积由大变小,所述隔离法兰装设于叶轮罩外且与外罩连接;所述进气机匣中部设有用于装设压气机轴的安装孔,所述安装孔与叶轮同轴设置,在进气机匣内设有若干进气通道,所述进气通道沿气流方向的末端与所述气流通道连通;还包括调节气体回流量的放气回流结构,所述放气回流结构分别与进气通道及气流通道连通。
7.具体地,空气进入进气通道,并在高速旋转的叶轮作用下,空气由离心叶轮中心被离心力甩向离心叶轮外缘,即进入气流通道,压力也逐渐提高;而本发明的进气结构是位于扩压器前的进气部分,从气流通道流出的空气会进入到扩压器中。本发明摒弃了现有技术将放气直排至大气的方案,而是将放气引回进气通道,使一部分空气在进气结构内循环,使
压气机既在放气,又能回收利用放气的可用能,使压气机的核心机燃烧室温度不至于增加太高。高压放气回流到压气机进气通道形成一股射流,高速吹向进气通道的内流道壁面和叶轮的叶背。气流引射作用使进气通道气流轴向加速,从而使叶轮叶片前沿气流攻角减小,延缓叶背的气流分离,使压气机效率提升,压比也有微弱的提升。通过放气回流结构调整回流的空气量可以调整进入扩压器的空气量,使压气机调节到优选的高效工作点。因此可使压气机效率提高,浪费的能量减少,燃油消耗率降低。不可否认,现有放气活门放出的压缩空气进入发动机周边大气,有可能流到发动机进气口,也“回流”到离心压气机。但这种情形,空气回流了,但可用能却没有回收。本发明要解决的技术问题是实现离心压气机放气回流,并对放气中的可用能进行高效地回收利用,使离心压气机可以抵抗更多的从进气通道流入的气流畸变并且不发生喘振,并通过放气回流结构调节回流空气的流量,使燃烧室得到的空气流量小于压气机的空气流量,使发动机在部分负荷时在95%ng转速区间以下更宽的范围正常高效稳定工作。
8.优选地,所述放气回流结构包括调压组件、高压气室与调压气室、若干回流通道,所述高压气室由外罩、隔离法兰、叶轮罩围成,所述调压气室由进气机匣、叶轮罩、隔离法兰围成,高压气室与调压气室分隔于隔离法兰的两侧,隔离法兰上开设有使高压气室与调压气室连通的通孔,所述调压组件装设于隔离法兰通孔处,高压气室与气流通道连通,所述回流通道一端与调压气室连通,另一端与进气通道连通。
9.优选地,所述调压组件包括旋板阀、驱动电机、控制器、气压传感器与温度传感器,所述气压传感器与所述温度传感器均安装于所述调压气室内,所述旋板阀位于通孔处,旋板阀与所述驱动电机连接,驱动电机与所述控制器信号连接。
10.优选地,驱动电机为数码舵机。
11.优选地,所述回流通道与安装孔连通,回流通道靠近安装孔处朝向叶轮设置,回流通道的轴线与安装孔的轴线呈一倾斜角α,所述倾斜角α为30
°
~40
°

12.优选地,回流通道内的拐角处采用圆环过渡转弯。
13.优选地,在进气通道与安装孔靠近叶轮端部处设有喷嘴,且喷嘴位于回流通道与安装孔连通处旁侧。
14.优选地,所述气流通道靠近截面积小的端部处设有缺口,所述缺口与所述高压气室连通。
15.优选地,所述高压气室、调压气室、喷嘴、缺口均为环形结构。
16.优选地,所述进气通道与回流通道的数目相等,均为3~5个,且一一对应,进气通道在进气机匣内均布。
17.本发明还提供一种离心压气机,包括如上所述的进气结构、扩压器、导风轮、压气机轴、电机,所述导风轮装设于所述进气结构的前端,所述扩压器装设于叶轮后端,所述压气机轴装设于安装孔内,电机与压气机轴连接。
18.具体地,空气通过进入进气通道,并在高速旋转的叶轮作用下,空气由离心叶轮中心被离心力甩向离心叶轮外缘,即进入气流通道,压力也逐渐提高,由气流通道流出的空气进入扩压器后速度降低,压力再次提高,最后流出压气机。
19.本发明还提供一种涡桨发动机,包括发动机本体、如上所述的离心压气机,所述离心压气机装设于所述发动机本体内。
20.与现有技术相比,本发明的有益效果是:
21.(1)本发明的离心压气机具有气压信号正反馈回路,放气压力越高,扩压器前的进气道处的气体流速越高,引射增压效果越强,压气机出口气压越高。该离心压气机具有稍高的压缩比和更宽的高效工作区。通过调整旋板阀的角度改变放气回流空气流量,使压气机工作点位于高效区。
22.(2)本发明的离心压气机喘振裕度高,使涡桨发动机的稳定工作转速范围拓宽,燃油消耗率降低。由于部分小功率工况的涡轮转速下降(30~40)%,噪声水平显著降低。
23.(3)本发明的离心压气机回流通道进入进气通道的位置选择在靠近离心叶轮的进口端部有利于提高进气机匣内和叶轮叶背附面层的能量,延缓气流分离。
24.(4)回流通道采用光滑圆角转弯减少流道损失。环形结构的喷嘴可以提高射流速度,加强引射增压效果。高速空气射流可以吹转叶轮,具有高压空气起动功能。
25.(5)本发明的离心压气机具有放气回流控制功能,因此具有更高的安全性。数码舵机损坏的情况下旋板阀静止,保持固定开度,最小放气回流量仍能避免压气机喘振。而现有技术中普通防喘放气活门失效后,航空发动机不能顺利起动,喘振、超温、功率低、熄火停转、刮磨、断裂等故障都可能发生。
26.(6)数码舵机及旋板阀均具有健康状况自检功能,气动的普通防喘放气活门自检功能很差,经常出现指示灯虚报故障的现象。
附图说明
27.图1为本发明一种进气结构的结构示意图;
28.图2为本发明叶轮罩与调压组件及隔离法兰的安装示意图;
29.图3为图1的剖视图;
30.图4为图3的a处局部放大图;
31.图5为现有技术中的防喘放气活门的结构示意图;
32.图6为离心压气机的压气机特性曲线图。
33.图示标记说明如下:
34.1、进气机匣;11、喷嘴;2、外罩;3、叶轮罩;4、叶轮;5、隔离法兰;61、进气通道;62、气流通道;71、调压组件;711、旋板阀;712、驱动电机;72、高压气室;73、调压气室;74、回流通道;75、缺口;8、压气机轴;9、防喘放气活门;α为回流通道的轴线与安装孔的轴线形成的倾斜角。
35.箭头表示气流方向。
具体实施方式
36.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
37.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该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个、三个等,除非另有明确具体的限定。
38.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。
39.实施例1
40.如图1至图4所示为本发明一种进气结构的实施例,包括进气机匣1、外罩2、叶轮罩3、叶轮4、隔离法兰5,进气机匣1与外罩2连接,外罩2罩设于叶轮4及叶轮罩3外,且叶轮罩3罩设于叶轮4外,叶轮4与叶轮罩3之间形成气流通道62,沿着气流方向,气流通道62的截面积由大变小,隔离法兰5装设于叶轮罩3外且与外罩2连接;进气机匣1中部设有用于装设压气机轴8的安装孔,安装孔与叶轮4同轴设置,在进气机匣1内设有若干进气通道61,进气通道61沿气流方向的末端与气流通道62连通;还包括调节气体回流量的放气回流结构,放气回流结构分别与进气通道61及气流通道62连通。
41.通过将气流通道62截面积由大变小设置,优选地,进气通道61的截面积也随着气流方向呈由大变小设置,且进气通道61末端截面积大于气流通道62前端的截面积,在空气流入过程中随着流道面积减小,流速增加,气压增大。
42.作为本发明的一个实施方式,放气回流结构包括调压组件71、高压气室72与调压气室73、若干回流通道74,高压气室72由外罩2、隔离法兰5、叶轮罩3围成,调压气室73由进气机匣1、叶轮罩3、隔离法兰5围成,高压气室72与调压气室73分隔于隔离法兰5的两侧,隔离法兰5上开设有使高压气室72与调压气室73连通的通孔,调压组件71装设于隔离法兰5通孔处,高压气室72与气流通道62连通,回流通道74一端与调压气室73连通,另一端与进气通道61连通。
43.调压组件71用于调节气压,具体地,通过把控从高压气室72进入调压气室73的空气流量来调节气压,高压气室72与气流通道62末端即高压气体进入扩压器前的位置连通,回流通道74设置在调压气室73与进气通道61之间,具体地,通过将准备进入扩压器的一部分高压气体回流至高压气室72,经过调压组件71进入到调压气室73,然后通过回流通道74回流至进气通道61的进气口附近,形成了对放气的回收,既可以减少进入扩压器中的高压气体的气流量,又可以避免将高压气体直排大气,通过回流而重复利用,实现离心压气机放气回流和可用能的高效回收利用,使离心压气机可以抵抗更多的进气口气流畸变并且不发生喘振。
44.具有放气回流控制功能的离心压气机需要解决高压空气放气流量控制的问题。如附图6,横轴为气体流量,单位是公斤每秒;纵轴为增压比,等高线为等效率线,肋骨线为等转速线,红线为喘振线。从离心压气机特性曲线图(map图)可以看出邻近喘振线的工作点向流量增加和压比降低的方向移动都能使工作点远离喘振线。在喘振边界,放气活门打开即可增加流量并降低压比,使工作点进入压气机map图的狭长的高效区,过度放气并降压则会向斜下方跳出高效区。普通放气活门只有开、关两个状态,很难实现放气流量精细控制。而本发明通过采用调压组件71可精确地控制回流的气流量,进而使压气机始终在高效区内进
行工作。
45.作为本发明的一个实施方式,调压组件71包括旋板阀711、驱动电机712、控制器、气压传感器与温度传感器,气压传感器与温度传感器均安装于调压气室73内,旋板阀711位于通孔处,旋板阀711与驱动电机712连接,驱动电机712与控制器信号连接。
46.旋板阀711设置在高压气室72与调压气室73之间,用于阻挡高压气室72与调压气室73连通口的通孔,通过控制旋板阀711的位置进而控制通孔开放的大小,从而把控回流的气流量;气压传感器用于采集调压气室73内的气压信息,并将其反馈给控制器,温度传感器用于监测调压气室73内的温度,并将结果反馈给控制器,通过控制器控制驱动电机712使旋板阀711进行转动,以实现旋板阀711旋转的角度,来把控连通口的开放幅度。优选地,将驱动电机712与控制器集成为数码舵机,可以是90
°
数码舵机,使旋板阀711可以逐渐开启或关闭。旋板阀711的切冠圆角形状使其在狭窄空间旋转90
°
也不与进气机匣1干涉。专用90
°
数码舵机的输出轴偏置,使数码舵机不会遮挡连通口,输出齿轮安装在稍高一些的凸腔内。该数码舵机采用步进电机驱动和堵转位置检测,具有健康诊断功能。通过把控空气流量与流速,可以调整空气的压力,实现调压功能。
47.作为本发明的一个实施方式,回流通道74与安装孔连通,回流通道74靠近安装孔处朝向叶轮4设置,回流通道74的轴线与安装孔的轴线呈一倾斜角α,倾斜角α为30
°
~40
°

48.调压气室73位于进气通道61的侧部,回流通道74是使回流气体回流至靠近进气通道61入口处的,具体地,回流通道74与进气通道61的连通位置十分关键,在进气结构靠近安装孔的端部设有轴承安装位,用于安装轴承以支撑压气机轴8,本发明通过回流通道74与压气机轴8安装孔连通,而安装孔与进气通道61连通,进而使回流气体回流至进气通道61中;回流通道74与安装孔连通段的方向设置也至关重要,关系到回流气体入射角的问题,将回流通道74靠近安装孔处朝向叶轮4方向设置可与空气流入进气通道61的方向一致,最终均是流至扩压器处,若将回流通道74反向设置,会导致部分气体从安装孔的端部轴承安装位出去造成回流气体的流失,也会导致部分气体碰撞到压气机轴8壁与安装孔壁之后再返回的过程中造成能量损失;回流通道74需避开轴承安装位与进气通道61,避免造成干涉;回流通道74的轴线与安装孔的轴线呈一倾斜角α,优选地,倾斜角α为35度,可使气流顺畅进入安装孔壁与压气机轴8壁形成的旋壁室中,流通面积足够,动能损失小。
49.作为本发明的一个实施方式,在进气通道61与安装孔靠近叶轮4端部处设有喷嘴11,且喷嘴11位于回流通道74与安装孔连通处旁侧。
50.具有放气回流控制功能的离心压气机首先需要解决高压空气引回进气通道61入口附近回收大量可用能(减少火用损失)的问题。优选地,扩压器前方的气流即气流通道62末端的气流通过回流通道74折向叶轮4的头部。喷嘴11为进气通道61与安装孔的连通口,喷嘴11位于回流通道74与安装孔连通处的后方,更靠近叶轮4的位置,由于回流气体沿着压气机轴8方向遭到叶轮4的阻挡,故回流空气顺势流入进气通道61内;优选地,喷嘴11为环形结构;从不同回流通道74回流的空气均通过环形的喷嘴11进入到相近的进气通道61内。压气机轴8的外表面与进气道中心孔构成射流喷嘴11。压气机轴8转速约54000rpm,其外表面切线速度124m/s,与中心孔一起形成旋转塞式环形收扩喷管。高压气流从射流喷嘴11以很高的轴线速度冲向叶轮4。由于切线速度也很大,空气分子会在进气通道61径向和周向洒开,对进入进气通道61的主干气流引射增压。由于相对运动关系支干射流相对叶轮4的切线速
度几乎为零,但其轴线动量很大,会在叶型斜面上产生推动叶轮4旋转的扭矩,从而回收高压气体的可用能。
51.作为本发明的一个实施方式,气流通道62靠近截面积小的端部处设有缺口75,缺口75与高压气室72连通。
52.进入扩压器前的部分高压气体从缺口75进入高压气室72开始放气回流;优选地,缺口75为环形结构,从不同的进气通道61进行回流的气体均通过缺口75进入到高压气室72,高压气室72与调压气室73也均为环形结构,回流的气体从高压气室72经过旋板阀711进入调压气室73后再从不同的回流通道74进行分流回到不同的进气通道61内进行循环。当然,高压气室72与调压气室73也可以不是环形结构,此时高压气室72与调压气室73及调压组件71均为多个,且三者的数量一一对应,而相应的,缺口75也需要设置多个,使空气得以从气流通道62进入到回流通道74.
53.作为本发明的一个实施方式,进气通道61、回流通道74的数目相等,均为5个,且一一对应,进气通道61在进气机匣1内均布。
54.进气通道61与回流通道74的数目可根据需要而进行设计,优选地,常规尺寸的压气机中,设置5个进气通道61,每个进气通道61对应设置一个回流通道74,可将进气与放气的效果控制得较好。
55.实施例2
56.以下为本发明一种离心压气机的实施例,包括如上述的进气结构、扩压器、导风轮、压气机轴8、电机,导风轮装设于进气结构的前端,扩压器装设于叶轮4后端,压气机轴8装设于安装孔内,电机与压气机轴8连接。
57.导风轮将空气引入进气结构,空气进入进气通道61经过叶轮4的离心作用形成高压气体,一部分从气流通道62末端进入扩压器,一部分从缺口75进入高压气室72经过调压组件71进入调压气室73后,经过回流通道74返回进气通道61内叶轮4端部,与新进入的气体一起重新开始在叶轮4作用下进行新一轮的进气。
58.本发明的离心压气机具有放气回流控制功能,可实现较高的压缩比和更宽的高效工作区。
59.实施例3
60.以下为本发明一种涡桨发动机的实施例,包括发动机本体、如上述的离心压气机,离心压气机装设于发动机本体内。
61.本发明的发动机喘振裕度高,可拓宽稳定工作转速范围,降低燃油消耗率。由于部分小功率工况的涡轮转速下降(30~40)%,噪声水平显著降低。
62.显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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