一种低气动惯性的快速响应高空两级涡轮增压器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压技术领域，具体来说，是一种低气动惯性的快速响应高空两级涡轮增压器。
【背景技术】
[0002]飞行器在高空飞行时，由于海拔升高，大气压力下降，空气密度减小，空气中含氧量降低，平均气温下降，其结果是进入发动机的空气量减少，发动机的功率下降，为了恢复发动机功率，必须要在航空发动机上安装涡轮增压器，以满足飞行器高空、长航时和飞行可靠性的要求。
[0003]涡轮增压器本身不是一种动力源，它是利用发动机排气中的剩余能量来工作的。发动机气缸排出的废气推动涡轮转动，再带动压气机叶轮转动，将经空气滤清器过滤的空气加压后送入气缸，从而使发动机产生更大的功率，因此涡轮增压器被广泛作为动力辅助装置使用。
[0004]用于航空活塞动力的涡轮增压器与用于地面活塞动力的增压器是有很大区别的，由于高空的空气密度非常稀薄，在压气机端，进入到涡轮增压器离心压气机的空气总温、总压及密度要小得多，要保证发动机进气的质量流量，则体积流量随飞行高度增加而迅速增大，因此，航空用涡轮增压器有着自己独有的技术特点，如高空环境的适应性及高安全性、涡轮增压器性能对高空低雷诺数的敏感性、涡轮增压器体积的小型化和重量的轻量化、多级涡轮增压器的匹配和控制等。另外，由于飞机在起飞、巡航、降落等过程中，增压器处于不同的工作状态，尤其是部分转速状态，因而要求航空涡轮增压器有较高的失速裕度，可以使增压器在不同流量和高度下稳定可靠并高效的工作。其关键指标也具有特殊性，如在不同高度快速机动时的动力系统随飞机机动能力的综合指标一高度适应系数，考虑系统安全性的堵转流量、风车阻力系数等指标。而地面活塞动力增压技术多数是对发动机性能的强化，很少考虑环境高度变化对匹配的影响，尤其是3000米以上高空。
[0005]常规的航空涡轮增压器通常采用一个涡轮带动一个压气机的单级增压形式(ITlC)或者两个涡轮分别带动两个压气机的串联形式(1T1C+1T1C)，前者对飞行器飞行高度的提升十分有限，后者在占用较大体积的同时会显著增加发动机的质量，不利于高空飞行。
[0006]此外，现有的航空活塞发动机用增压器还存在以下问题:
[0007]1.发动机低转速下增压器响应慢，导致低转速下加速性能差。
[0008]2.传统的浮动轴承机械效率低、抗冲击性差、对高空低雷诺数的敏感性差。
[0009]3.蜗壳多采用铸造成型，质量大且热惯性高。
[0010]4.润滑方式单一，柔性差。
[0011]5.涡轮和压气机轮盘腔内流场和压力场不稳定，导致增压器轴向力不稳定。
[0012]6.工作在8000米以上高度时，压气机效率、总压比较低，导致发动机功率恢复程度不够，无法满足高空飞行的要求。
[0013]为了解决或改善以上问题，发明了一种由一个涡轮同时带动两个压气机工作的适用于高空环境的结构紧凑的两级涡轮增压器(1T2C)。
【发明内容】
[0014]针对上述问题，本发明提出一种结构简单、重量轻、高可靠性、满足高空密封要求的1T2C两级涡轮增压器。
[0015]本发明低气动惯性的快速响应高空两级涡轮增压器，包括转子总成，以及由前至后安装在转子总成上的低压端压气机壳合件、前支撑总成、高压端压气机壳合件、后支撑总成和涡轮蜗壳。
[0016]所述转子总成包括涡轮、涡轮轴、低压压气机叶轮和高压压气机叶轮。涡轮、高压压气机叶轮和低压压气机叶轮分别由前至后同轴安装在涡轮轴上。前支撑总成位于高压压气机叶轮和低压压气机叶轮之间。后支撑总成位于涡轮和高压压气机叶轮之间，内部集成有水冷系统与油气润滑回路系统。
[0017]涡轮蜗壳采用薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳，包括流道组件、出口外壳体组件和定位组件。其中，流道组件由上流道壳体、下流道壳体和进口法兰组成；上流道壳体和下流道壳体焊接为一体，形成蜗壳流道，进口法兰直接焊接在蜗壳流道的进口端面上。上述流道组件中靠近蜗壳流道进口的位置设有放气孔。
[0018]出口外壳体组件由外壳体、放气阀基体、放气阀、出口异形法兰和蜗壳出口壳体构成。其中，外壳体侧壁开有放气阀安装孔；放气阀基体作为放气阀的载体，焊接在放气阀安装孔处，用来安装放气阀。蜗壳出口壳体为渐变收缩口筒状结构，截面形状从圆弧过渡为直线；蜗壳出口壳体焊接在外壳体底部。出口异形法兰焊接在外壳体顶部。上述出口外壳体组件底部与流道组件焊接成一体。
[0019]定位组件由轴向定位板、径向定位环和补气管构成；径向定位环预留有补气管的定位孔。径向定位环外圆柱面预留有定位槽，定位槽作为轴向定位板和径向定位环连接的轴向和径向定位基准，进而将轴向定位板通过定位槽与径向定位环精确定位后，同轴与径向定位环焊接成一体；定位组件与流道组件中下流道组件焊接成一体；
[0020]所述高压端压气机壳合件包括高压压气机壳、高压流形板、压气机壳连接板；低压端压气机壳合件包括低压压气机壳和流量调节阀阀座；其中，高压压气机壳后端安装压气机壳连接板；压气机壳连接板的前侧面周向布置有个消旋叶片，消旋叶片的外弧面搭接在高压流形板的前侧外弧面上；高压流形板与高压压气机壳间固定；所述高压压气机壳的流道内周向均布有凹槽，分别用于安装导流叶片；
[0021]低压端压气机壳合件包括流量调节阀座、流量调节阀机械合件；其中，流量调节阀阀座为具有内部空腔的环形结构，套在低压压气机壳的压气机进口的外圆柱面上。在低压压气机壳靠近压气机进口的外圆柱面上均布有个级间放气孔；通过级间放气孔使压气机进口与流量调节阀阀座的内腔联通。所述低压压气机壳上有沿其内壁的周向均匀布置有扩压叶片。
[0022]上述高压压气机壳上靠近压气机出口的位置沿高压压气机壳轴向设计有放气通道A ;低压压气机壳上设计有与放气通道A同轴的放气通道B，使放气通道A、放气通道B以及流量调节阀阀座的内腔联通，形成了气流通道，内部安装有流量调节阀机械合件。
[0023]所述流量调节阀机械合件包括流量调节阀阀体、柱塞、步进电机支架、步进电机；其中，流量调节阀阀体通过外螺纹与流量调节阀阀座的内螺纹连接，柱塞设置在流量调节阀阀体的内孔，柱塞与步进电机主轴连接柱塞一端设有堵盖；上述步进电机通过步进电机支架与流量调节阀阀体相连。
[0024]本发明的优点在于:
[0025](I)本发明增压器采用了一个涡轮带动两个压气机的结构，既满足了飞行器高空飞行的要求，又减轻了发动机重量，具有高可靠性，密封性好等特点，实现了增压系统的高功率密度、小型化和高转子稳定性，可以满足高空飞行要求；
[0026](2)本发明增压器中1T2C的结构及三点内支撑的支撑方式使增压器的转子较短，降低了整机重量和体积，同时增加了轴的刚性，提高了转子的动力学特性；轴承不妨碍气体的流动，低压压气机能够轴向进气，流阻损失减小；在相同轮廓尺寸的情况下，通过压气机的空气流量增大；
[0027](3)本发明增压器中涡轮蜗壳和后支撑总成均摒弃了传统的铸造成型，采用薄壁不锈钢焊接的成型方式，降低了整机质量，提高了功率密度；
[0028](4)本发明增压器中后支撑总成内部设有辐射喷溅式水冷结构，可对后轴承座进行冷却，防止后轴承过热；
[0029](5)本发明增压器中涡轮蜗壳为具有较低毕渥数的低热惯性蜗壳，与铸造式厚壁蜗壳相比，薄壁不锈钢材料的蜗壳具有相对较低的厚度和较高的导热系数，这决定了该蜗壳具有相对较低的毕渥数，因而温度变化响应快，具有较低的温度迟滞性和热惯性，同时降低了增压系统的热惯性，提高了温度响应速度。
[0030](7)本发明增压器中涡轮蜗壳改变传统的涡轮蜗壳的等环量气动设计为非等环量设计，对绝热等环量蜗壳的涡轮进口截面进行了修正，降低了涡轮的气动惯性；
[0031](8)本发明增压器中星形轮盘式的涡轮结构，轮盘流道入口处收缩，在降低了涡轮的质量和机械惯量，使涡轮的动态响应快，扩大了增压器对发动机工作的转速适用范围；涡轮叶片的压力面和吸力面布置的小翼，减小了泄露损失，提高了涡轮效率，抑制了吸力面叶背间隙附近涡旋的产生，提高了叶片的实际做功能力；
[0032](9)本发明增压器中对于有叶扩压和管式扩压的混合扩压形式，通过调整有叶扩压和无叶扩压的比例，降低了压气机气动惯性；
[0033](10)本发明增压器中压气机壳后支撑连接板装有周向均布的消旋叶片，可有效降低压缩空气的不平衡动量矩，提高压气机效率；
[0034](11)本发明增压器中通过共轴背靠背的离心压气机级间匹配设计技术、压气机与涡轮的匹配技术解决了一级和二级压气机共同工作匹配问题，实现负载均衡，在整个工作范围内工作协调；
[0035](12)本发明增压器中组合式压气机壳装有控制精确、工作可靠的防喘振阀，能够有效避免涡轮增压器喘振；
[0036](13)本发明增压器中后支撑总成采用了多层薄壁不锈钢焊接的结构形式，增大了零件间的内摩擦，降低了后支撑刚度，使后支撑总成类化为库伦阻尼器，有效降低了转子对轴承的振动冲击并控制了转子各截面的位移，保证转子工作稳定；
[0037](14)本发明增压器中涡轮和涡轮轴的连接方式为异种材料轴向摩擦焊，具有较高的焊接强度且易得到可靠的焊接点；
[0038](15)本发明增压器中组合式压气机壳降低了成型难度，提高了组合精度，降低了气动阻力损失；“部分装配一机加工一整体装配”的组合式压壳机加工工艺方法保证了低压端和高压端两个压壳流道的同轴度，提高了流道圆弧面的组合精度；
[0039](16)本发明增压器中前轴承和前轴承座之间装有径向阻尼器，可缓解转子的径向冲击，且轴承座带有锁紧结构，可防止阻尼器脱落；
[0040](17)本发明增压器中前支撑总成内部设有可将高压压气机叶轮的盘背腔和低压压气机叶轮的盘背腔连通的流道，可利用高、低压压气机盘背腔内的压差将部分高压气体从高压压气机流道引回低压压气机流道，从而在盘腔内实现二次空气循环，平衡盘