专利名称：同轴反旋式涡轮发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，特别涉及一种航空涡轮发动机。公知，涡轮发动机主要包括压气机、燃烧室、涡轮及附件，用于飞机的涡轮发动机，在涡轮尾部还装有排气喷管，称之为喷气涡轮发动机。除少数小型涡轮发动机采用离心式结构外绝大多数涡轮发动机的压气机和涡轮均采用多级轴流式结构，轴流式压气机需采用许多级来产生高增压比，但随着级数的增多，就越难保证每级在发动机的整个转速范围内都能有效地工作，因此出现了双转子、三转子结构。但多级压气机的每一级都有一定的流量特性，而与相邻级的流量特性有所不同，因此欲设计一个在很宽的转速范围内高效率工作的压气机以消除喘振，必须对各级的特性加以仔细地匹配，而双转子、三转子结构无法做到根据各级的特性逐级合理地匹配。涡轮级的输出功率一定时，涡轮叶片的平均速度对涡轮的最大效率有显著影响，这是因为涡轮的燃气压力降与叶片速度的平方成正比。当输出功率给定时，燃气速度偏转以及损失随叶片平均速度的增高而降低，但涡轮盘的应力也随叶片速度的平方而增大，所以轮盘的厚度和材料强度制约了叶片的速度。
现有的涡轮发动机的压气机和涡轮均包括转子叶片和装于机匣上的静子叶片，静子叶片仅起导向扩压作用，同时还产生沿轴向前的力，增大了飞机前飞的阻力和气流的阻力，而且静子叶片装于机匣上工艺复杂。为了减少涡轮的级数和质量，曾出现过将涡轮中装有导向叶片的内机匣与转子反向旋转，并通过变速箱将反向旋转的动力传递到同一根动力输出轴上，这样涡轮可以取消级间的导向叶片，即经转子叶片流出的气流可直接进入反向旋转的内机匣叶片中，不仅提高单级涡轮的平均有效功率，而且使叶片总数减少了80％左右，但增加了大功率齿轮箱，在涡轮前机匣小空间设计这样大的功率减速箱十分困难，还出现了旋转机匣与外机匣密封的新问题，因而该方案的现实性较差。
上述内容参阅1.国防工业出版社75年10月出版〔英〕罗耳斯·罗伊斯公司编《喷气涡轮发动机》。
2.国防工业出版社85年12月出版，张逸民编《航空涡轮风扇发动机》454～455页。
本发明的目的在于针对现有技术所存在的1.无法根据压气机各级的特性实现逐级匹配，而造成的一定范围内喘振。2.涡轮的效率受转速的限制，而转速受涡轮盘材料性能的限制，即涡轮盘的厚度和材料性能影响到涡轮发动机的效率。3.反旋内机匣结构所造成的大功率变速箱和机匣间的封严难题。4.气流的涡旋损失和陀螺效应等问题。
本发明是在反旋机匣式结构的基础上进行突破性发展，在保留其优势的同时，消除了大功率变速箱及封严等难题，简化了整机结构，并进一步提高涡轮发动机的性能。另一方面，本发明取消了机匣上的导向叶片，大大简化了组装、维修工艺，降低了成本。
本发明的核心部分是在压气机和涡轮单元体中，每个叶轮通过轴承装配于一静止轴上，且每个叶轮轮盘两侧加工有圆锥齿轮，相邻的叶轮轮盘之间安装一特制传动装置，该装置内径有若干键槽，装配于同一静止轴上，外径上带有若干径向短轴，短轴上装有一个特殊圆锥轴承，该圆锥轴承的外圈加工成圆锥齿轮，且与叶轮轮盘上的齿轮相啮合，该传动装置不仅可将相邻的叶轮形成反向旋转，而且传输动力，相邻叶轮的转速可通过传动装置上圆锥齿轮的半径、齿数及距轴心的距离进行变化。根据本发明设计的涡轮发动机工作时，涡轮的每级叶轮通过本发明的传动装置将气流能量逐级传递到同一根动力输送轴上，该轴另一端驱动压气机叶轮，并通过本发明的传动装置逐级传递到压气机的每个叶轮上，而且可根据每级的气体流动特性实现最佳速度匹配。
本发明与现有技术相比，具有以下特点一、取消了机匣上静止的导向叶片，简化整机结构，最大程度地发挥每个零部件的作用，减小了整机体积、质量和阻力，提高了发动机的推重比，同时简化了工艺、降低了制造、维护成本。
二、同轴反旋式叶轮结构，使气流更近似于直线流动，消除了气流的涡旋和撞击所造成的能量损失，从而提高了涡轮发动机的效率，同时可使气流沿直线进入排气系统，消除气流尾旋而造成对排气喷管的损坏。
三、本发明的传动装置，不仅具有传递反向扭矩的特点，而且具有变速功能，可根据压气机级与级之间的流量特性，调整每一级叶轮的转速，实现更好的匹配，进一步扩大喘振裕度，使发动机在更宽的转速范围内高效地工作。同理该传动装置的变速功能，可对涡轮的每一级转速进行调整，可使气流速度与涡轮叶轮转速的比值(即c/u)减小而进一步提高效率。
四、气动负荷沿反旋的两个方向合理分配，即增大了叶轮之间的相对速度，又消除了陀螺效应，减小了振动，提高了发动机的安全性，延长了整机的使用寿命。
五、本发明的相邻叶轮反向旋转，当气流通过时，前一级叶轮叶片相当于后一级叶轮叶片的动态导向叶片，当发动机变工况工作时，反向旋转的相邻叶轮速度同步变化，起到自行调整气流冲角的作用，减少失速，所以具有本发明结构的发动机在变工况条件下，具有更好的适应性。
如下图1为本发明核心单元的半剖主视图。
图2为本发明的传动装置半剖视图。
图3为本发明的传动装置左视图。
图4为本发明的涡轮进出口速度三角形图。
现结合说明书附图作进一步详述图1所示涡轮叶轮1和叶轮2通过轴承7装配于静止轴8上、叶轮1和叶轮2的叶片扭角方向相反，叶轮轮盘两侧加工有圆锥齿轮，在气流作用下形成反向旋转，传动装置6由键槽装配于静止轴8上，该传动装置将相邻叶轮1、叶轮2反向旋转的扭力传递到动力传输轴4上，带动轴另一端的压气机叶轮，通过传动装置10，将动力逐级传输到压气机相邻的叶轮11和叶轮12，并使其反向旋转，叶轮11和叶轮12的叶片扭角方向相反，使气流连续加速扩压，且前一级叶轮11为后一级叶轮12起动态导向作用。相邻叶轮上还装有气封3、油封5。
图2所示本发明的传动装置，它的内径加工有键槽与图1中所示的静止轴8配合，只能作轴向移动，不能转动，传动装置外径带有若干径向短轴，短轴上装有特制圆锥滚子轴承，该轴承的外圈加工成圆锥齿轮，且与叶轮两侧的圆锥齿轮相啮合。
图3所示本发明的涡轮进出口速度三角形，u表示涡轮圆周速度，c表示涡轮进口气流绝对速度，w表示进口气流相对速度。
本发明在具体实施中，传动部分的散热、润滑有两种方法，其一如图1所示，每个叶轮油封均为机械式密封，材料可选用石墨、聚四氟乙烯、陶瓷等。每个叶轮均开有通油孔，使润滑油贯通单元体的每个叶轮的传动装置，另一方法取消油封，采用压缩空气冷却，油雾润滑，可简化结构。
本发明在具体实施中，叶轮叶片采用气动力翼型型面，在涡轮单元体中，为保证叶轮有效地工作，相邻的两组叶片构成的气流通道分布规律为其中一组叶片的冲动度大于50％，即气流通道收敛，相邻一组的冲动度小于50％，气流通道逐渐扩大，以此类推，依次排列。
本发明在具体实施中，每个单元体的压气机前端和涡轮末端各装配推力轴承和弹性夹紧装置，以保证单元体中各叶轮间的有效传动。
权利要求
1.本发明涉及一种涡轮发动机，包括压气机、燃烧室和涡轮等，其特征在于在涡轮和压气机内，取消静止的导向叶片，且相邻叶轮的叶片扭角相反，每个叶轮通过轴承装配于同一静止轴〔8〕，工作时，涡轮内，气流驱动相邻的叶轮〔1〕、〔2〕反向旋转，在相邻叶轮间装有一种特制传动装置〔6〕逐级将反向转矩传输到同一动力传输轴〔4〕，在该轴另一端的压气机内，再通过特制传动装置〔10〕逐级将动能传输到每个叶轮，且使相邻叶轮〔11〕、〔12〕形成反向旋转。
2.根据权利要求1所述的特制传动装置是一个内径加工有键槽，外径带有若干径向短轴，每个短轴上装配一个外圈为圆锥齿轮的圆锥滚子轴承等元件共同构成的机械装置。
3.根据权利要求1所述压气机和涡轮中相邻叶轮，其轮盘上加工有圆锥齿轮，并与权利要求2所述的特制传动装置相配合。
4.根据权利要求1所述压气机和涡轮中叶轮的叶片扭角，均满足使气流沿同一方向连续流动的条件。
全文摘要
同轴反旋式涡轮发动机涉及一种燃气涡轮发动机,本发明用一特制传动装置,将发动机中相邻的叶轮形成反向旋转,省去级间导向叶片,具有以下特点:一、简化整机结构,减少体积和质量,增大推重比。二、消除气流的涡旋和撞击损失,提高效率。三、可根据压气机级与级之间的流量特性,实现逐级匹配,并随工况变化,自行调节气流冲角。四、气动负荷沿反旋的两个方向合理分配,消除陀螺效应,提高了安全性和使用寿命。
文档编号F01D1/02GK1182825SQ9612212
公开日1998年5月27日 申请日期1996年11月18日 优先权日1996年11月18日
发明者王伟国 申请人:王伟国