一种无主轴型轴流压气机构及压气机的制作方法

本发明属于推进技术与航空动力装置领域，涉及一种无主轴型轴流压气机构及压气机。

背景技术：

航空燃气涡轮发动机作为航空器的动力装置为航空器提供动力，从而推动航空器前进，航空燃气涡轮发动机属于国家重点高科领域，其发展水平已成为一个国家综合实力的重要标志之一。在航空燃气涡轮发动机中，由压气机对空气进行压缩以提高进入发动机的空气压力。另外，压气机除供给发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的启动提供压缩空气。

在航空燃气涡轮发动机中，一般采用轴流式、离心式以及混合式的压气机。其中，轴流式压气机具有增压比高、效率高、单位面积空气质量流量大、迎风阻力小等优点，在相同外廓尺寸条件下可以获得更大的推力，因此在航空燃气涡轮发动机中普遍采用轴流式压气机。目前，经过半个世纪以来的发展，轴流压气机技术已取得了长足的进步，表现为：压气机的级负荷在不断增大，性能也在不断提高。

但对于航空发动机来说，评定其压气机最重要的指标之一就是外廓尺寸，尤其体现在火箭使用的小型涡轮发动机，其需要有更小的尺寸、重量以及更低的成本。注意到在一般轴流压气机结构中，涡轮轴占据了流动通道的大部分面积，这将会引起整体发动机尺寸的增大。另外，在一般的轴流压气机结构中，其控制系统可分为是液压机械式、监控型电子式和全功能电子式，但这三种控制方式都需要液压机械部件作为执行机构，相对于直接的电子控制，其控制精度及响应速度较差。再者，由于一般轴流压气机结构的限制，压气机各级的转速保持一致，为此人们研发出了双转子及三转子轴流压气机使得每部分转子以其最佳转速工作，以提高压比及工作灵活性，但多转子发动机压气机增压级直径较大，且轴系结构复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中压气机尺寸大、控制精度及响应速度差的缺点，提供一种无主轴型轴流压气机构及压气机。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种无主轴型轴流压气机构，包括机匣、环形电机、环形叶盘和若干叶片；叶片的固定端与环形叶盘内侧连接，自由端向环形叶盘圆心径向延伸，且若干叶片的自由端之间留有间隙；环形叶盘外侧连接环形电机一端，环形电机用于驱动环形叶盘转动，环形电机另一端连接机匣。

本发明无主轴型轴流压气机构进一步的改进在于：

所述环形电机包括电机外壳、电机定子、电机转子和两个固定轴承；电机外壳外侧与机匣连接，电机外壳内部设置环形装配槽；电机定子呈环形且与装配槽底部连接，电机转子呈环形且套设在电机定子的环孔内，并通过环形叶盘上开设的环形凹槽支撑；电机转子与电机定子之间留有间隙，电机转子上还设置环形的永磁体；两个固定轴承分别套设在环形叶盘两端设置的径向凸起上，且两个固定轴承均与电机外壳内侧连接。

所述电机外壳外侧与机匣通过连接螺钉螺纹连接。

所述电机外壳上设置若干散热通孔。

还包括连接件；连接件为空心环状结构，连接件外壁与若干叶片的自由端均连接。

所述叶片与环形叶盘内环面榫卯连接。

所述机匣内部开设用于安装压气机构附属设备的安装腔。

本发明另一方面，一种无主轴型轴流压气机，包括若干上述的压气机构，每个压气机构的机匣上均设置若干连接通孔，若干压气机构通过连接通孔轴向联结。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

相比传统轴流压气机，去掉主轴结构，通过将叶片直接与环形叶盘内环面连接，叶盘与环形电机连接，通过环形电机驱动叶盘转动，实现轴流压气机构的无主轴化，此发明有如下优点：第一，显著减小轴流压气机的径向尺寸，明显减轻压气机设备重量，相比于传统轴流发动机中最为复杂的轴系结构，采用环形电机结构无论是在重量还是在尺寸上都有极大优势，可以使压气机构的重量和尺寸显著减小。第二，提高压气机构的单位面积空气质量流量，增加压气机的流通能力，本发明的压气机内部用于气流流通的空间更大，可以在更小的尺寸下可以实现更大的流通能力，同时将传统轴流压气机叶顶区域设置为固定端，堵塞工况出现的可能性大幅降低。第三，提高压气机构的整体性能及效率，拓宽压气机构的稳定工作范围，本发明的压气机构由环形电机直接控制转速，可以缩短控制的响应时间，提高对转速控制的精准度，使得各压气机级间的转速有更好的匹配，且同时也摆脱了压气机及涡轮共同工作的限制。第四，降低转子叶片受损的概率，本发明的压气机转子叶片自由端处于线速度较低区域，受损概率大幅减小。第五，提高发动机的推重比，推重比是发动机的重要性能参数，本发明的压气机构可以提升安装其的发动机整体性能。第六，压气机构的可靠性及维护性极大提高，本发明的压气机无需考虑轴承、轮盘等的强度问题，极大地降低了结构设计的复杂程度，同时也杜绝了轴系系统中的复杂问题。第七，压气机的应用范围扩大，本发明的压气机显著减轻了重量及尺寸，可以应用于更广泛的领域，例如特殊飞行器用的小型发动机、无人机等等。

进一步的，电机转子内嵌有环形的永磁体，以永磁无刷直流电机励磁原理为基础，驱动电机旋转，同时此时通过控制输出给环形电机的电流大小即可控制电机转子的转速大小，通过控制输出给环形电机的电流方向即可控制电机转子的旋转方向，实现各级转速和对转模式。

进一步的，电机外壳外侧与机匣通过连接螺钉螺纹连接，连接稳定且容易拆卸维修。

进一步的，电机外壳上设置若干散热通孔，合理对环形电机进行散热，提升整个机构的稳定性。

进一步的，叶片与环形叶盘内环面榫卯连接，方便叶片的更换和维修。

进一步的，机匣内部开设用于安装压气机构附属设备的安装腔，安装腔用于安装一些压气机构具体工作时所需要的附属设备，例如变压器、散热设备、电气控制系统设备和滤波谐波设备等等。

附图说明

图1为本发明的无主轴型轴流压气机构结构示意图；

图2为本发明的无主轴型轴流压气机构环形电机的局部剖面示意图。

其中：1-机匣；2-环形电机；3-叶片；4-环形叶盘；5-电机外壳；6-电机定子；7-固定轴承；8-电机转子。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明无主轴型轴流压气机构，包括机匣1、环形电机2、环形叶盘4以及若干叶片3，叶片3固定端与环形叶盘4内侧连接，自由端向环形叶盘4圆心径向延伸，且若干叶片3的自由端之间留有间隙，或者若干叶片3的自由端均通过连接件连接，连接件为空心环状结构；环形叶盘4外侧连接环形电机2一端，环形电机2用于驱动环形叶盘4转动，环形电机2另一端连接机匣1，环形叶盘4将叶片3和环形电机2连接成为一个集成整体能够同步旋转。

参见图2，本发明的无主轴型轴流压气机环形电机的局部剖面示意图，环形电机2包括电机外壳5、电机定子6、电机转子8和两个固定轴承7。电机外壳5内加工有一环形槽作为装配仓，装配仓底部安装有环状的电机定子6，其中依次卡接有固定轴承7、叶盘4、电机转子8和另一个固定轴承7，电机转子8与电机定子6两者之间设置间隙，形成环形电机2的整体结构，电机转子8可实现自由转动。电机转子8嵌入安装于环形叶盘4上开设的环形凹槽内，并与叶片3共同构成本发明的轴流压气机构的转子系统，通过位于电机外壳5端部的两个固定轴承7安装于装配仓内部，环形叶盘4将叶片3及电机转子8连接形成为一个集成整体，使得叶片3可随着电机转子8同步转动。

叶片3采用榫头形式，如燕尾式榫头，固定于环形叶盘4内环面上，与传统轴流压气机构不同的是，环形叶盘4并未类似于传统轴流压气机构中的轮盘结构安装与发动机轴上，而是安装于环形电机2内侧，与环形电机2的电机转子8共同组成本发明压气机的转子系统。此外，与传统轴流压气机构的另一个明显不同之处在于，叶片3的自由端位于线速度较小的靠近旋转中心的区域，叶片3的固定端位于线速度最大的远离旋转中心区域，可以减轻叶片受损，同时省去复杂的密封结构。同时将传统轴流压气机叶顶区域设置为固定端，杜绝了叶顶间隙的存在，堵塞工况出现的可能性大幅降低，解决了由于叶顶间隙泄漏的存在，将引发转子失速，影响压气机工作效率的问题。

环形电机2以永磁无刷直流电机励磁原理为基础，通过电机定子6和电机转子8之间的磁场来传递转矩，驱动电机转子8旋转。通过控制电源，例如电池组，输出给环形电机2的电流大小即可控制电机转子8的转速大小，通过控制输出给环形电机2的电流方向即可控制电机转子8的旋转方向，于是则可以在本发明的轴流压气机构的多级系统中实现各级转速及对转模式。

关于机匣1，图中的给出的外形仅作示意，其外形并不一定为圆形，其为一环形壳体结构，内壁通过连接螺栓与环形电机2外侧相连，作为本发明的无主轴型轴流压气机构的外壳，其内部开设用于安装一些压气机正常工作时所需要的附属设备的安装腔，例如变压器、散热设备、电气控制系统设备和滤波谐波设备等等。机匣1主要起减少阻力，保护压气机附属设备的作用，但压气机构附属设备并不是本发明的重点，这些设备均存在现有设备，并且本发明的压气机构在不同的应用场景下需要的附属设备也有所不同。

本发明还公开了一种无主轴型轴流压气机，包括若干上述的压气机构，每个压气机构的机匣1上均设置若干连接通孔，通过在连接通孔上安装连接螺栓，将各压气机级沿轴向联结，组成整体的压气机。

以航空燃气涡轮发动机作为实施背景，本发明无主轴型轴流压气机的工作过程如下所示：

采用电池组作为电源，首先向各级环形电机2供电，逐步形成稳定磁场，推动电机转子8、叶盘4以及叶片3转动，此时轴流压气机构启动工作，进入启动工况。在压气机启动后，发动机涡轮也随之启动，通过控制电池组输出，使压气机构逐渐加速，在发动机内空气流场建立并达到燃烧室点火要求时，燃烧室点火，发动机开始工作，此时为正常工况，此时各级压气机高速旋转，气流通过各级压气机叶片3的叶栅通道后即可实现减速增压的效果。

各级叶片3的转速调节控制通过对各级环形电机2的电流大小控制实现，不同于机械调节，这种电磁感应调节具有快速、精准以及自动化的优势。同时，由于本发明取消了发动机轴传动系统，不受涡轮转速匹配的约束，各级间转速可以更好地匹配，减少压气机喘振等问题的发生。在不同工作状态间切换时也无需考虑压气机与涡轮的共同工作限制。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。