專利名稱：微型壓氣機隔熱式靜子輪盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種用于減少燃燒室向壓氣機的傳熱量，以提升壓 氣機的性能的微型壓氣機隔熱式靜子輪盤。屬于微型壓氣機設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景微型渦輪發(fā)動機(MTE)重量輕、功率大、能量密度高，可作為各種 微小型導(dǎo)彈、無人機、乃至未來單兵飛行器的推進系統(tǒng)，是一種具有很好應(yīng) 用前景的新興噴氣推進動力裝置。目前，國內(nèi)外均已研制出了實用的機型，并 且國外已將之投入了實用。微型渦輪發(fā)動機(MTE)還可用于發(fā)電裝置，例如 與燃料電池結(jié)合，構(gòu)成高能量密度的分布式電源系統(tǒng)，具有熱效率高、污染物 排放量小等優(yōu)點。微型渦輪發(fā)動機設(shè)計具有不同于常規(guī)發(fā)動機的特殊性 一方 面，因為微型化而產(chǎn)生的低雷諾數(shù)流動、燃燒駐留時間短、制造工藝限制等問 題對MTE的主要部件的設(shè)計和工作特性都產(chǎn)生了顯著的影響；另一方面，由于 微型渦輪發(fā)動機(MTE)整機結(jié)構(gòu)緊湊、尺度小，因此其部件尺度(如盤體厚 度)、部件與部件的間距都盡量縮短(達到毫米量級)，這樣一來整機環(huán)境下的 部件特性受其他部件或環(huán)境影響的程度就會很明顯。目前關(guān)注微型渦輪發(fā)動機(MTE)設(shè)計特殊性的研究多集中在第一方面(如微型壓氣機(B。rislavSimkov，Yifang Gong, /U肌Epstein, Choon T肌Design and Characterization of Micro-compressor Impellers. Vie腿a, Austria: Proceedings of ASME Turbo Expo,GT2004-53332, 2004) 、 ^咼輪(Zhengping FENG, QinghuaDENG, JunLI. Aerothermodyn柳icDesign and NumericalSi咖lation of Radial Inflow Turbine Impeller for A 100kW Microturbine. Nevade， USA: Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2005-68276,2005)的氣動設(shè)計，微尺度流動(樊菁，沈青.微尺度氣體流動.力學(xué)進展，2002， vol. 32(3))，微型環(huán)形燃燒室等曹海亮，徐進良.微尺度環(huán)形燃燒室的燃燒特性.自 然科學(xué)進展，2006， vol. 16(7))，然而對整機環(huán)境下各部件相互影響及匹配工作 的研究還不多。國內(nèi)外最新研究己揭示了靠近壓氣機的高溫部件會向壓氣機 大量傳熱，能顯著影響循環(huán)工況、明顯降低效率(如德國亞琛大學(xué)的D. Bohn等對車載渦輪增壓器的厘米級壓氣機開展的研究，通過CFD計算(D. Bohn， T.Heuer， and K. Kusterer. ConjugateFlow and Heat Tranfer Investigation of A Turbo Charger: Part I: NumericalResults. In尸i"oceeoY/^ /IS", 7kr6o 尸cwer/b/"Z朋A 5"ea, a/^A>，Atlanta, Georgia, USA, 2003)和實驗測量(D. Bohn，N. Moritz, and M. Wolff， Conjugate Flow and Heat Tranfer Investigation of A TurboCharger: Part II _ Experimental Results. In尸/"oceeAV^ of A 厥7""/"6o戶wer/br乙a/ t/, 5"ea,朋G^j'r, Atlanta, Georgia, USA， 2003)說明了 高溫渦輪向壓氣機的傳熱會顯著影響循環(huán)工況、使效率明顯降低)。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，提出在微型發(fā)動機 中熱效應(yīng)大于常規(guī)發(fā)動機，傳熱效應(yīng)主要降低壓氣機性能，在壓氣機靜子輪 盤背部采用雙層隔熱結(jié)構(gòu)，從而減少燃燒室向壓氣機的傳熱量，提高壓氣機 及發(fā)動機整，性能。實現(xiàn)主要隔熱功能的內(nèi)隔熱層釆用由氧化鋁纖維制成的 陶瓷纖維隔熱材料，外隔熱層為反射熱輻射的金屬膜。本實用新型的技術(shù)解決方案，其結(jié)構(gòu)是壓氣機靜子輪盤背部，采用雙層 隔熱層結(jié)構(gòu)。本實用新型的機理發(fā)動機微型化后傳熱效應(yīng)大體會增大Ri^倍(RL為微型發(fā)動機與常規(guī)發(fā)動機尺寸之比)。微型渦輪發(fā)動機的地面試車實驗表明，燃燒室向壓氣機傳遞的熱量使壓氣機出口溫度增加了40K以上， 達壓氣機最大轉(zhuǎn)速時有效溫升的30%。此外壓氣機進口也受到傳熱影響，在 各轉(zhuǎn)速下均出現(xiàn)了幾K的溫升。燃燒室向壓氣機的傳熱造成壓氣機效率的大 幅下降。由該微型渦輪發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖l)可知，燃燒室前端面通過熱輻 射散發(fā)的熱量被壓氣機靜子輪盤背面吸收，并傳遞到壓氣機轉(zhuǎn)子通道，造成 壓氣機效率降低。因此，要減少燃燒室向壓氣機的傳熱，主要應(yīng)隔絕壓氣機 靜子輪盤所吸收的熱量，故在壓氣機靜子盤背采取隔熱措施效果最佳。本實用新型的優(yōu)點由于在壓氣機靜子盤背采取隔熱措施，減少了燃燒 室向壓氣機的傳熱，在保證壓氣機氣動性能和發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的情況下，大 幅提升了壓氣機及發(fā)動機整機性能。由于壓氣機靜子輪盤背部采用雙層隔熱層結(jié)構(gòu)其內(nèi)層為主隔熱層，釆 用陶瓷纖維隔熱材料，貼在壓氣機靜子輪盤盤背；外層為能反射熱輻射(主 要是紅外線和部分可見光波)的金屬膜，貼在主隔熱層上。金屬膜反射燃燒 室前端面通過熱輻射向主隔熱層傳遞的熱量，降低主隔熱層兩端的溫差；主 隔熱層隔絕大部分向壓氣機靜子輪盤傳遞的熱量，限制了進入靜子輪盤的熱 流密度；由于在主隔熱層表面加一層金屬薄膜有效地阻隔了熱輻射，減小主 隔熱層兩端溫差，提高隔熱效果；主隔熱層材料選用由氧化鋁纖維制成的陶瓷纖維制品，厚度lmm， 1100 。C時導(dǎo)熱系數(shù)《0.158 W/m *K，體積密度《75 kg/m3 ，材料最高耐受溫度800 。C，耐受時間2h，材料不允許掉渣，并仍有柔韌性。在材料層內(nèi)側(cè)溫度為 60(TC時，材料層外側(cè)溫度《165。C,達到了較佳的隔熱效果。 地面臺架試車表明，壓氣機出口溫度下降40K，壓比基本保持不變，最大轉(zhuǎn) 速時發(fā)動機推力從78N增大到96N，增加了 23%，同時發(fā)動機耗油率降低 了10%以上。

附圖1是隔熱式壓氣機靜子輪盤應(yīng)用于微型渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是圖1中A的放大示意圖。
具體實施方式
圖中的l是壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤，安裝于發(fā)動機轉(zhuǎn)軸之上，在進氣道 之后，壓縮空氣，使之增壓；2是壓氣機靜子輪盤，在壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤之 后，將從發(fā)動機轉(zhuǎn)子輪盤流出的高壓氣體從徑向?qū)С奢S向；3是主隔熱層， 安裝于壓氣機靜子輪盤靠燃燒室一側(cè)，隔絕傳向壓氣機靜子輪盤的熱量；4 是外隔熱層(金屬膜)，安裝于主隔熱層靠燃燒室一側(cè)，反射燃燒室部件通過 熱輻射向壓氣機傳遞的熱量；5是軸承，是發(fā)動機轉(zhuǎn)軸與壓氣機轉(zhuǎn)子及渦輪 轉(zhuǎn)子之間各一，傳遞軸向及徑向載荷；6是發(fā)動機轉(zhuǎn)軸，連接壓氣機轉(zhuǎn)子及 渦輪轉(zhuǎn)子，傳遞扭矩；7是燃燒室火焰筒，位于壓氣機靜子及渦輪靜子之間， 組織氣體燃燒，提供渦輪所需高溫高壓燃氣，溫度高于1100K; 8是渦輪靜 子輪盤，安裝于燃燒室火焰筒之后，加速火焰筒中流出的氣體，并對其整流; 9是渦輪轉(zhuǎn)子輪盤，安裝于發(fā)動機轉(zhuǎn)軸之上，在渦輪靜子之后，提供壓氣機 轉(zhuǎn)子所需功率；IO是噴管，位于發(fā)動機尾部，在渦輪轉(zhuǎn)子之后，加速燃氣， 提供推力。實心箭頭是熱量傳遞方向、直角箭頭是氣體流動方向。對照附圖，其結(jié)構(gòu)是在壓氣機靜子輪盤背部，采用雙層隔熱層結(jié)構(gòu)。 所述的雙層隔熱層結(jié)構(gòu)內(nèi)層為主隔熱層，采用陶瓷纖維隔熱材料，貼 在壓氣機靜子輪盤盤背，阻止外界熱量向壓氣機靜子輪盤的傳遞；外層為能 反射熱輻射電磁波的金屬膜，貼在主隔熱層上，以減少燃燒室前端面通過熱 輻射向主隔熱層傳遞的熱量。所述的主隔熱層是由氧化鋁纖維制成的陶瓷纖維制品隔熱材料，厚度 lmm，材料最高耐受溫度800。C，耐受時間2h，材料層內(nèi)側(cè)溫度為600。C時， 材料層外側(cè)溫度《165。C。在主隔熱層表面加一層金屬薄膜，對熱輻射的反射率達90%。 通過在典型微型渦輪發(fā)動機的壓氣機靜子輪盤靠燃燒室一側(cè)按本發(fā)明的技 術(shù)采取了隔熱措施，試車表明，壓氣機出口溫度下降40K，壓比基本保持不 變，最大轉(zhuǎn)速時發(fā)動機推力從78N增大到96N,增加了23。％，同時發(fā)動機 耗油率降低了 10%以上。
權(quán)利要求1、微型壓氣機隔熱式靜子輪盤，其特征是壓氣機靜子輪盤背部，采用雙層隔熱層結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型壓氣機隔熱式靜子輪盤，其特征是壓氣機 靜子輪盤背部采用的雙層隔熱層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層為主隔熱層，采用陶瓷纖維隔 熱材料，貼在壓氣機靜子輪盤盤背，外層為能反射熱輻射電磁波的金屬膜， 貼在主隔熱層上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型壓氣機隔熱式靜子輪盤，其特征是主隔熱層選用氧化鋁纖維制成的陶瓷纖維隔熱材料用隔熱材料，厚度lmm，材料最 高耐受溫度800'C，耐受時間2h，材料層內(nèi)側(cè)溫度為60(TC時，材料層外側(cè)溫 度《165。C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型壓氣機隔熱式靜子輪盤，其特征是在主隔 熱層表面加一層反射熱輻射的金屬薄膜，對熱輻射的反射率達90%。
專利摘要本實用新型是微型壓氣機隔熱式靜子輪盤，其特征是壓氣機靜子輪盤背部，采用雙層隔熱層結(jié)構(gòu)。發(fā)動機微型化后，傳熱效應(yīng)顯著增強，大幅降低發(fā)動機性能，必須采取有效的隔熱措施。壓氣機靜子輪盤盤背，是主要受熱部位，在此采用雙層隔熱結(jié)構(gòu)，減少壓氣機出口因傳熱造成的溫升，提升發(fā)動機性能。外隔熱層選用金屬薄膜，反射燃燒室部件的熱輻射能量；主隔熱層選用陶瓷纖維材料，阻止外界熱量向壓氣機靜子輪盤的傳遞。優(yōu)點雙層隔熱結(jié)構(gòu)在不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)的同時，顯著提升了發(fā)動機的性能。該隔熱式靜子輪盤結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，隔熱效果明顯?？偟恼f來，本實用新型在保證壓氣機氣動性能和發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的情況下，大幅提升了壓氣機及發(fā)動機整機性能。
文檔編號F04D29/44GK201053415SQ20072003827
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者晨 夏, 梁德旺, 馬向東, 黃國平 申請人:南京航空航天大學(xué)