一种旋转冲压斜流离心组合压气机及其应用

技术领域

本发明属于涡轮发动机技术领域，特别涉及一种旋转冲压斜流离心组合压气机及其应用。

背景技术

离心压气机具有结构紧凑、级压比高、稳定工作范围宽广的技术特点，目前离心叶轮出口切线速度已经达到680m/s的量级，对压气机的结构强度和寿命设计提出了严峻的挑战。如图1所示，为一种现有的组合压气机，采用三级轴流压气机a与一级离心压气机b连接在一起，结合了轴流级适应大进口流量以及离心级适应小流量、单级压比高及稳定工作范围宽广的特点，可以满足流量和压比的双重要求。一般随着压比的变化常规组合压气机中轴流的级数随之发生改变，压比15量级左右以三级轴流加一级离心实现。

但是，现有的组合压气机为进一步提高压比，一方面可以提高叶轮出口切线速度，但受到材料的限制切线速度不能无限度提高，总压比提升潜力有限，此外，高切线速度对压气机的结构强度和寿命不利，另一方面，可增加轴流压气机级数，但压气机级数增加，压气机的尺寸、重量、零件数目、加工时间均增加，最后目前的轴流压气机的设计方法，限制了气流的速度所以单级压比较大一般不超过2.2。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种旋转冲压斜流离心组合压气机及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种旋转冲压斜流离心组合压气机，包括外机匣结构、内机匣结构、工作机构和扩压机构；

所述外机匣结构和内机匣结构为回转体；

所述内机匣结构位于外机匣结构内部，所述内机匣结构和外机匣结构构成工作腔；

所述工作机构安装工作腔内，用于对气流进行增压；

所述外机匣结构和内机匣结构均与扩压机构一端连接；

所述扩压机构包括第一扩压器和第二扩压器，所述第一扩压器用于沿外机匣结构径向扩压，所述第二扩压器用于沿外机匣结构轴向扩压。

优选地，所述外机匣结构包括依次连接第一外机匣、第二外机匣、第三外机匣、第四外机匣和第五外机匣；

所述内机匣结构包括第一内机匣、第二内机匣和第三内机匣；

所述第一内机匣位于第一外机匣和第二外机匣内侧；

所述第二内机匣位于第四外机匣内侧，且与第二内机匣连接；

所述第三内机匣位于第五外机匣内侧。

优选地，所述工作机构包括可调导叶、冲压转子、静子叶片和离心叶轮；

所述可调导叶安装在第二外机匣与第一内机匣之间；

所述冲压转子位于第三外机匣内侧，且位于第一内机匣和第二内机匣之间；

所述静子叶片安装在第四外机匣和第二内机匣之间；

所述离心叶轮安装在第五外机匣和第三内机匣之间。

优选地，所述第三外机匣表面开设有泄流孔，所述泄流孔朝向冲压转子。

优选地，所述第三外机匣外侧还设置有集气室，所述集气室表面设置有开关，所述开关用于打开或关闭集气室。

优选地，所述集气室与第三外机匣的两端搭接。

优选地，所述扩压机构包括第一壳体和第二壳体；

所述第一壳体一端与第五外机匣连接；

所述第二壳体与第一壳体远离第五外机匣的一端连接。

优选地，所述第一壳体与第二壳体搭接。

优选地，所述第一壳体沿第五外机匣径向设置，所述第二壳体沿第五外机匣轴向设置。

优选地，所述第一扩压器安装在第一壳体内部，所述第二扩压器安装在第二壳体内部。

一种旋转冲压斜流离心组合压气机的应用，用于燃气涡轮发动机；

所述燃气涡轮发动机包括回流燃烧室和单级轴流涡轮；

所述回流燃烧室一端与所述旋转冲压斜流离心组合压气机连接，另一端与单级轴流涡轮连接。

本发明的有益效果：

1、本发明与常规组合压气机的压缩方式相比，借鉴超音速进气道的增压方式，通过高速旋转使得气流相对于旋转叶轮的马赫数达到2以上，此时通过通道的收缩，构建一系列的弱斜激波，通过激波波系的增压获得了高效的压缩系统单级压比远高于常规的压气机，且结构紧凑、加工简单，使用寿命长；

2、在冲压段后增加斜流或离心压气机利用离心力进一步做功，增加压气机的总压比；

3、本发明的旋转冲压斜流离心组合压气机的单级压比远高于常规轴流压气机，且在进一步增加压比时，本发明只需增加冲压段进气口气流的相对马赫数便可实现；

4、本发明通过使用工作机构，以一级冲压加上一级离心的构型实现原3级轴流加1级离心的流量及压比的效果，大幅减少压气机的轴向长度、重量和零件数，同时由于旋转冲压压气机叶片数较少(一般三片左右)其加工时长也大幅减少。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的一种现有的组合压气机的结构示意图；

图2示出了本发明的一种旋转冲压斜流离心组合压气机的结构示意图；

图3示出了本发明的工作机构的模型图；

图4示出了本发明的组合压气机中冲压部分的马赫数云图示意；

图5示出了本发明的组合压气机中离心压气机的马赫数示意；

图6示出了本发明的旋转冲压斜流\离心组合压气机计算与试验特性线对比图一；

图7示出了本发明的旋转冲压斜流\离心组合压气机计算与试验特性线对比图二；

图8示出了本发明的一种旋转冲压斜流离心组合压气机的模型图；

图9示出了本发明的冲压转子的实物图；

图10示出了燃气涡轮发动机的结构图。

图中：1、第一外机匣；2、第二外机匣；3、第三外机匣；301、泄流孔；4、第四外机匣；5、第五外机匣；6、第一内机匣；7、第二内机匣；8、第三内机匣；9、可调导叶；10、冲压转子；11、静子叶片；12、离心叶轮；13、集气室；14、第一壳体；15、第二壳体；16、第一扩压器；17、第二扩压器；18、回流燃烧室；19、单级轴流涡轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为突破结构紧凑、高效率(低熵增)、高压比的新构型压气机，本发明提出了一种旋转冲压斜流离心组合压气机，包括外机匣结构、内机匣结构、工作机构和扩压机构；其中外机匣结构和内机匣结构均为回转体；内机匣结构位于外机匣结构内部，内机匣结构和外机匣结构构成工作腔；工作机构安装工作腔内，用于对气流进行增压，而且外机匣结构和内机匣结构均与扩压机构一端连接。

需要说明地是，外机匣结构和内机匣结构一般由多个壳体构成，也可以采用一体式结构，而且由于都是回转体结构，因此外机匣结构和内机匣结构一般采用同轴设置，二者之间可以构成气流通过的涵道，下面结合附图对本发明地旋转冲压斜流离心组合压气机进行具体说明。

如图2所示，外机匣结构包括依次连接第一外机匣1、第二外机匣2、第三外机匣3、第四外机匣4和第五外机匣5；具体地可以采用搭接、焊接等方式进行固定连接。内机匣结构包括第一内机匣6、第二内机匣7和第三内机匣8；其中，第一内机匣6位于第一外机匣1和第二外机匣2内侧，二者的截面均呈长条状，沿轴向设置。第二内机匣7位于第四外机匣4内侧，且与第二内机匣7连接，而且第二内机匣7和第四外机匣4的截面均为弧形结构，其与轴向的夹角为25°～45°。第三内机匣8位于第五外机匣5内侧，而且第五外机匣5和第三内机匣8构成了弧形的涵道，涵道的结构由轴向向径向弯曲。

进一步地，在图2中，工作机构包括可调导叶9、冲压转子10、静子叶片11和离心叶轮12；其中，可调导叶9安装在第二外机匣2与第一内机匣6之间；冲压转子10位于第三外机匣3内侧，且位于第一内机匣6和第二内机匣7之间；静子叶片11安装在第四外机匣4和第二内机匣7之间；离心叶轮12安装在第五外机匣5和第三内机匣8之间。

需要说明地是，如图3所示，为本发明的工作机构对应的模型，从图中可以看出，工作机构的中心设置有轴，其中冲压转子10的叶片和离心叶轮12均依次设置在轴上，其中可调导叶9和静子叶片11均呈片状，均匀分布在机匣上，冲压转子10的叶片为螺旋叶结构，沿轴向螺旋分布，离心叶轮12由若干片状的叶片构成，整体呈圆台状。

进一步地，在图2中，第三外机匣3表面开设有泄流孔301，泄流孔301朝向冲压转子10，而且第三外机匣3外侧还设置有集气室13，集气室13表面设置有开关，开关用于打开或关闭集气室13，集气室13与第三外机匣3的两端搭接。

需要说明地是，泄流孔301可以根据需要打开或关闭，当泄流孔301打开后，经过冲压转子10地气流有一部分可以进入集气室13，而集气室13中的气流可以通过开口释放。在低转速时，由于冲压压气机激波还未完全建立，容易进入喘振状态，因此需要打开泄流孔301，放出部分气体防止喘振。

进一步地，扩压机构包括第一壳体14和第二壳体15、第一扩压器16和第二扩压器17，第一扩压器16用于沿外机匣结构径向扩压，第二扩压器17用于沿外机匣结构轴向扩压；具体地第一壳体14一端与第五外机匣5连接，第二壳体15与第一壳体14远离第五外机匣5的一端搭接，而且第一壳体14沿第五外机匣5径向设置，第二壳体15沿第五外机匣5轴向设置，第一扩压器16安装在第一壳体14内部，第二扩压器17安装在第二壳体15内部。

需要说明地是，气流在第一扩压器16中减速增压，然后再由轴向的第二扩压器17将气流转为近轴向，方便后续在燃烧室中燃烧。

需要进一步说明地是，本发明利用可调导叶9为旋转冲压压气机提供足够的反预旋，使冲压转子10的相对马赫数提高到2以上，超音气流流过转子前半段类似于二元超声速进气道的通道时，将会产生一系列的激波系，利用激波系实现气流减速增压的目的；在冲压段通过大转角的静子叶片11将冲压后的气流转为轴向方便与离心斜流/离心压气机进行匹配；在静子后通过斜流/离心压气机利用离心力进一步做功，增加压气机的总压比，同时通过径向扩压气器、轴向扩压器对气流进行减速扩压。旋转冲压和斜流/离心可在紧凑尺寸内实现常规3级轴流+1级离心组合压气机的流量与压比，大幅减少零件数目、加工时间及成本，为未来高功重比发动机压气机部件探索了可行道路。

如图4所示给出了仿真得到的旋转冲压斜流离心压气机的旋转冲压段的内部激波结构云图，从图中可知，50％展高处的马赫数已经达到了2.0，后续经过一系列弱激波系减速后逐步增压。

如图5所示，给出了仿真得到的旋转冲压斜流离心压气机离心段的内部马赫数云图，从图中知，离心压气机中最高马赫数为1.0，后续通过径向扩压器及轴向扩压器减速扩压逐渐降低至0.25左右。

如图6所示，给出了仿真模拟及实物试验的流量压比的对比结果，其中CFD(计算流体力学)表示的曲线为仿真模拟结果，DP表示实物试验的试验结果，仿真曲线和试验曲面基本吻合。

同理，如图7所示，给出了仿真模拟及实物试验的流量效率的对比结果，仿真曲线和试验曲面基本吻合。

如图8所示，分别给出了压气机装配图，其中泄流孔301相对轴向是倾斜设置的，出气口朝向图中左上方。

如图9所示，为转子实物图，从图中可知，冲压转子10与离心叶轮12通过轴来传动。

如图10所示，旋转冲压斜流离心组合压气机用于燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机包括回流燃烧室18和单级轴流涡轮19；其中回流燃烧室18一端与旋转冲压斜流离心组合压气机连接，另一端与单级轴流涡轮19连接。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。