基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，包括：中空軸，與中空軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配的輪盤組件和罩置于輪盤組件外部的外機(jī)匣；其中，輪盤組件的輪盤外緣外壁表面均勻分布有多個(gè)螺旋形隔板，且每一個(gè)螺旋形隔板的安裝角度相同；每相鄰兩個(gè)螺旋形隔板之間的間隙形成一條進(jìn)氣流道，每條進(jìn)氣流道由入口端致出口端依次設(shè)置有氣流壓縮段、喉部隔離段和三角形出口延伸段；氣流壓縮段為徑向間隙逐漸縮小的壓縮氣道；喉部隔離段為徑向間隙保持不變的等面積通道；三角形出口延伸段為徑向間隙保持不變，且周向柱面內(nèi)為三角形的氣道；采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，流體通過曲線激波系壓縮，增壓比高，且整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊可靠性高。
【專利說明】
基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于各種燃?xì)廨啓C(jī)中的基于超燃沖壓 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道壓縮技術(shù)的沖壓壓縮轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓縮系統(tǒng)即壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的三大部件之一，其作用是對進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流進(jìn) 行壓縮，以獲得合適溫度和壓力的空氣。壓氣機(jī)壓比的大小和壓縮效率的高低將直接決定 著燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)效率和功率，而其體積和重量又在很大程度上影響燃?xì)廨啓C(jī)的功率重量 比。目前，燃?xì)廨啓C(jī)中常用的氣流壓縮方式主要有軸流式壓縮、離心式壓縮和混合壓縮。軸 流式壓縮單級壓縮效率高、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，但是其單級壓比低、達(dá)到高壓比需要多級 壓縮、壓縮系統(tǒng)體積和重量大、總壓縮效率降低;離心式壓縮單級壓比較高、性能比較穩(wěn)定， 但是它的效率較低。上述兩種氣流壓縮方式也可以混合進(jìn)行使用，但對提高燃?xì)廨啓C(jī)的功 率重量比沒有本質(zhì)影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提出一種基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道壓縮技術(shù)的沖 壓壓縮轉(zhuǎn)子，其具有增壓比高、壓縮效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕、制造成本低、拆 裝方便、易于維護(hù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為達(dá)到以上目的，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，包括：中空軸，與中空軸同步轉(zhuǎn) 動(dòng)裝配的輪盤組件和罩置于輪盤組件外部的外機(jī)匣；
[0006] 其中，輪盤組件的輪盤外緣外壁表面均勻分布有多個(gè)螺旋形隔板，且每一個(gè)螺旋 形隔板的安裝角度相同；
[0007] 每相鄰兩個(gè)螺旋形隔板之間的間隙形成一條進(jìn)氣流道，每條進(jìn)氣流道由入口端致 出口端依次設(shè)置有氣流壓縮段、喉部隔離段和三角形出口延伸段；
[0008] 其中，氣流壓縮段為徑向間隙逐漸縮小的壓縮氣道;喉部隔離段為徑向間隙保持 不變的等面積通道;三角形出口延伸段為徑向間隙保持不變，且周向柱面內(nèi)為三角形的氣 道；
[0009] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段和喉部隔離段位于相鄰兩個(gè)螺旋形隔板的重疊區(qū)域 內(nèi)。
[0010] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，輪盤組件包括:套筒、腹板和輪轂;套筒與中空軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配，輪 轂通過腹板與套筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配固定;其中，輪盤外緣為輪轂周向外壁。
[0011] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，套筒和輪轂軸向兩側(cè)邊緣為軸向轉(zhuǎn)動(dòng)密封位，且密封形式采用篦 齒密封或刷式密封。
[0012] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段上或喉部隔離段中設(shè)置有附面層泄除裝置、附面層吹 除或抽吸裝置。
[0013] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段和喉部隔離段的總長度小于等于相鄰兩個(gè)螺旋形隔板 重疊的長度。
[0014] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，螺旋形隔板與外機(jī)匣之間的間隙控制根據(jù)需要采用主動(dòng)或被動(dòng)間 隙控制技術(shù)。
[0015] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，外機(jī)匣的內(nèi)壁涂上一層易磨涂層，在螺旋形隔板頂部附以耐磨材 料來控制外機(jī)匣與螺旋形隔板頂部之間的泄漏損失，在螺旋形隔板的頂部設(shè)置葉冠以封閉 壓縮轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣流道，葉冠與外機(jī)匣之間根據(jù)需要留有間隙。
[0016] 采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，通過如下技術(shù)方案和空氣動(dòng)力學(xué)理論來實(shí)現(xiàn)：
[0017] 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其進(jìn)氣流道擔(dān)負(fù)了使高速來流氣體減速增壓的作用，而 該進(jìn)氣流道的主要工作原理是靠飛行器高速飛行時(shí)，空氣與飛行器保持較高的相對速度， 該速度往往幾倍于聲速，超聲速氣流進(jìn)入進(jìn)氣流道后，經(jīng)過氣流壓縮段，方向發(fā)生折轉(zhuǎn)，從 而產(chǎn)生多道斜激波或由等熵壓縮使得高速氣流減至低超聲速，其壓強(qiáng)和溫度升高，通過喉 部隔離段穩(wěn)定流動(dòng)后，從進(jìn)氣流道出口排出壓縮后的超聲速氣體，由此氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓 力勢能。通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣流道氣流壓縮段的形狀，就能使進(jìn)氣流道保持較好的性能。
[0018] 本發(fā)明融合了超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道的壓縮技術(shù)與傳統(tǒng)軸流式和離心式壓氣 機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，其工作原理是：當(dāng)壓縮轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣端外部的氣流隨之被吸入壓縮 轉(zhuǎn)子輪盤組件的進(jìn)氣流道中。由于壓縮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，輪盤外緣的氣流相對輪盤組件速度 達(dá)到超聲速條件，氣流經(jīng)過氣流壓縮段，方向發(fā)生折轉(zhuǎn)，進(jìn)氣流道中出現(xiàn)曲線激波系，使得 入口相對高速氣流減至相對輪盤低超聲速，其壓強(qiáng)和溫度升高;通過喉部隔離段穩(wěn)定流動(dòng) 后，從壓縮轉(zhuǎn)子出口排出壓縮后的相對輪盤超聲速氣體，由此氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢能。通 過合理控制壓縮轉(zhuǎn)子出口相對速度在一定的超聲速范圍內(nèi)，與輪盤圓周速度合成之后，能 使出口絕對速度為亞聲速，同時(shí)增大出口氣流與周向夾角。由于流體通過曲線激波系壓縮， 壓縮轉(zhuǎn)子具有較高單級壓比（5~15)，且流道中不存在正激波及較強(qiáng)的激波附面層干擾，壓 縮轉(zhuǎn)子流道中流動(dòng)穩(wěn)定，損失非常小，因而壓縮轉(zhuǎn)子又具有較高的效率。
[0019]綜上，本發(fā)明的有益效果如下：采用超聲速進(jìn)氣道中的激波壓縮技術(shù)，增壓比高、 壓縮效率高；采用中空軸設(shè)計(jì)，可在中空軸內(nèi)安裝其它設(shè)備，使壓縮轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)簡單緊 湊、體積小、重量輕;輪盤與中空軸做成一體，或者通過連接鍵或軸承與中空軸相連接，拆裝 方便、易于維護(hù)、可靠性高。
[0020] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。
【附圖說明】
[0021] 本發(fā)明共4幅附圖，其中：
[0022]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明的輪盤組件部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明的從超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道衍變成壓縮轉(zhuǎn)子的流道轉(zhuǎn)變示意圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明的腹板結(jié)構(gòu)采用輪輻式時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖中：11、中空軸，12、軸向轉(zhuǎn)動(dòng)密封位，13、輪盤外緣，14、螺旋形隔板，15、氣流壓 縮段，16、喉部隔離段，17、角形出□延伸段，18、輪轂，19、套筒，20、外機(jī)匣，21、腹板。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1和圖2所示的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，包括：中空 軸11，與中空軸11同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配的輪盤組件和罩置于輪盤組件外部的外機(jī)匣20;
[0028] 其中，輪盤組件的輪盤外緣13外壁表面均勻分布有多個(gè)螺旋形隔板14,且每一個(gè) 螺旋形隔板14的安裝角度相同；
[0029] 每相鄰兩個(gè)螺旋形隔板14之間的間隙形成一條進(jìn)氣流道，每條進(jìn)氣流道由入口端 致出口端依次設(shè)置有氣流壓縮段15、喉部隔離段16和三角形出口延伸段17;
[0030] 其中，氣流壓縮段15為徑向間隙逐漸縮小的壓縮氣道;喉部隔離段16為徑向間隙 保持不變的等面積通道;三角形出口延伸段17為徑向間隙保持不變，且周向柱面內(nèi)為三角 形的氣道；
[0031] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段15和喉部隔離段16位于相鄰兩個(gè)螺旋形隔板14的重疊 區(qū)域內(nèi)。
[0032] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，輪盤組件包括:套筒19、腹板21和輪轂18;套筒19與中空軸11同步 轉(zhuǎn)動(dòng)裝配，輪轂18通過腹板21與套筒19同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配固定;其中，輪盤外緣13為輪轂18周向 外壁;其中，腹板21可采用輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
[0033] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，套筒19和輪轂18軸向兩側(cè)邊緣為軸向轉(zhuǎn)動(dòng)密封位12,且密封形式 采用篦齒密封或刷式密封。
[0034] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段15上或喉部隔離段16中設(shè)置有附面層泄除裝置、附面 層吹除或抽吸裝置。
[0035] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，氣流壓縮段15和喉部隔離段16的總長度小于等于相鄰兩個(gè)螺旋形 隔板14重疊的長度。
[0036] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，螺旋形隔板14與外機(jī)匣20之間的間隙控制根據(jù)需要采用主動(dòng)或被 動(dòng)間隙控制技術(shù)。
[0037] 作為優(yōu)選結(jié)構(gòu)，外機(jī)匣20的內(nèi)壁涂上一層易磨涂層，在螺旋形隔板14頂部附以耐 磨材料來控制外機(jī)匣20與螺旋形隔板14頂部之間的泄漏損失，在螺旋形隔板14的頂部設(shè)置 葉冠以封閉壓縮轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣流道，葉冠與外機(jī)匣20之間根據(jù)需要留有間隙。
[0038]采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)原理為，如圖3(a)所示：
[0039] 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其進(jìn)氣流道擔(dān)負(fù)了使高速來流氣體減速增壓的作用，而 該進(jìn)氣流道的主要工作原理是靠飛行器高速飛行時(shí)，空氣與飛行器保持較高的相對速度， 該速度往往幾倍于聲速，超聲速氣流進(jìn)入進(jìn)氣流道后，經(jīng)過氣流壓縮段，方向發(fā)生折轉(zhuǎn)，從 而產(chǎn)生多道斜激波或由等熵壓縮使得高速氣流減至低超聲速，其壓強(qiáng)和溫度升高，通過喉 部隔離段穩(wěn)定流動(dòng)后，從進(jìn)氣流道出口排出壓縮后的超聲速氣體，由此氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓 力勢能。通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣流道氣流壓縮段的形狀，就能使進(jìn)氣流道保持較好的性能。
[0040] 如圖3(b)所示，基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的中空軸沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的工 作原理是：當(dāng)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣端外部的氣流隨之被吸入壓縮轉(zhuǎn)子輪盤外緣 13的進(jìn)氣流道中。在開始階段，由于壓縮轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較低，壓縮轉(zhuǎn)子輪盤外緣的氣流相對速 度達(dá)不到超聲速條件，進(jìn)氣流道中沒有激波系出現(xiàn)，壓縮轉(zhuǎn)子對氣流的壓縮效果不明顯；隨 著壓縮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的不斷提高，進(jìn)氣流道中的氣流相對速度也隨之提高。
[0041]當(dāng)壓縮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度滿足以下關(guān)系式時(shí)：
[0043] 式中：η-壓縮轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;k 一氣體的絕熱指數(shù);R-氣體常數(shù);T一靜溫;r 一輪盤 半徑
[0044] 進(jìn)入進(jìn)氣流道中的氣流相對速度就會達(dá)到超聲速條件，此時(shí)，當(dāng)氣流經(jīng)過進(jìn)氣流 道中設(shè)置的氣流壓縮段15時(shí)就會產(chǎn)生一系列激波及反射波，氣流通過這些激波及反射波 時(shí)，其壓強(qiáng)和溫度升高，速度降低，氣流在通過進(jìn)氣流道的喉部進(jìn)入喉部隔離段16后，以相 對于輪盤超聲速流出壓縮轉(zhuǎn)子出口，通過合理控制壓縮轉(zhuǎn)子出口相對速度在一定的超聲速 范圍內(nèi)，與輪盤圓周速度合成之后，能使出口絕對速度為亞聲速，同時(shí)增大出口氣流與周向 夾角。
[0045] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為 等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對 以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在于:包括，中空軸（11)， 與中空軸(11)同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配的輪盤組件和罩置于輪盤組件外部的外機(jī)匣(20); 其中，輪盤組件的輪盤外緣（13)外壁表面均勻分布有多個(gè)螺旋形隔板（14)，且每一個(gè) 螺旋形隔板(14)的安裝角度相同； 每相鄰兩個(gè)螺旋形隔板（14)之間的間隙形成一條進(jìn)氣流道，每條進(jìn)氣流道由入口端致 出口端依次設(shè)置有氣流壓縮段(15)、喉部隔離段(16)和三角形出口延伸段(17); 其中，氣流壓縮段（15)為徑向間隙逐漸縮小的壓縮氣道;喉部隔離段（16)為徑向間隙 保持不變的等面積通道;三角形出口延伸段（17)為徑向間隙保持不變，且周向柱面內(nèi)為三 角形的氣道。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:所述氣流壓縮段(15)和喉部隔離段(16)位于相鄰兩個(gè)螺旋形隔板(14)的重疊區(qū)域內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:所述輪盤組件包括:套筒（19)、腹板(21)和輪轂（18);所述套筒（19)與中空軸（11)同步 轉(zhuǎn)動(dòng)裝配，輪轂(18)通過腹板(21)與套筒（19)同步轉(zhuǎn)動(dòng)裝配固定;其中，輪盤外緣(13)為輪 轂(18)周向外壁。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:套筒（19)和輪轂（18)軸向兩側(cè)邊緣為軸向轉(zhuǎn)動(dòng)密封位，且密封形式采用篦齒密封或刷 式密封。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:氣流壓縮段（15)上或喉部隔離段（16)中設(shè)置有附面層泄除裝置、附面層吹除或抽吸裝 置。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:所述氣流壓縮段（15)和喉部隔離段（16)的總長度小于等于相鄰兩個(gè)螺旋形隔板（14)重 疊的長度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:所述螺旋形隔板(14)與外機(jī)匣（20)之間的間隙控制根據(jù)需要采用主動(dòng)或被動(dòng)間隙控制 技術(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道壓縮技術(shù)的壓縮轉(zhuǎn)子，其特征在 于:所述外機(jī)匣（20)的內(nèi)壁涂上一層易磨涂層，在螺旋形隔板（14)頂部附以耐磨材料來控 制外機(jī)匣（20)與螺旋形隔板(14)頂部之間的泄漏損失，在螺旋形隔板(14)的頂部設(shè)置葉冠 以封閉壓縮轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣流道，葉冠與外機(jī)匣(20)之間根據(jù)需要留有間隙。
【文檔編號】F04D29/26GK106089799SQ201610624343
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610624343.4, CN 106089799 A, CN 106089799A, CN 201610624343, CN-A-106089799, CN106089799 A, CN106089799A, CN201610624343, CN201610624343.4
【發(fā)明人】鐘兢軍, 楊凌, 韓吉昂, 嚴(yán)紅明
【申請人】大連海事大學(xué)