CN107989804A - 双转子对转冲压压气机 - Google Patents

Abstract

本发明属气体增压技术领域，涉及一种双转子对转冲压压气机，包括转子和静子，其中，转子由叶轮和轴构成，包括前转子和后转子，前转子的叶轮为斜流式叶轮或超宽弦轴流式叶轮，后转子的叶轮根据具体需要可以是轴流叶轮，也可以是斜流叶轮或离心叶轮；静子包括机匣、进气管、排气管和其他附属设施。本发明将冲压压缩的机制引入到转子动力式压气机中，利用两个转子的对转使前转子的出口气流的相对于后转子达到超音速，从而为后转子利用冲压压缩创造条件，可实现高压比输出，具有结构简单、压缩比高、效率较高等优势，既可以作为一个独立的气体压缩设备使用，也可以作为其他装置(比如航空发动机、燃气轮机)的一个部件使用。

Description

双转子对转冲压压气机

技术领域

本发明属气体增压技术领域，涉及一种压气机，具体是一种双转子对转冲压压气机。

背景技术

广义的压气机一般是指可以将气体压力增高的机械设备，是通过机械装置对气体做功，从而将气体压力提高。压气机既可以作为一个单独的设备广泛应用于化工、能源、机械、冶金等各行各业，还可以作为燃气轮机、航空发动机等动力设备的重要部件。

目前，压气机种类较多，主要分为正排量式和转子动力式两大类，正排量式压气机主要通过改变容积的方式来提高气体压力，转子动力式压气机则主要通过叶轮机械增加气体的速度来增加气体动压，再将动压转化为静压。正排量式压气机又分为活塞式、隔膜式、涡旋式、螺杆式压气机等等，转子动力式压气机主要有轴流式压气机、离心式压气机两个基本类别，有的压气机是这两类压气机的组合，还有一类压气机介于轴流式和离心式之间，被称为斜流式压气机，但这种压气机在实际应用中不常见。

还有一种压气机被称为冲压压气机，这种压气机结构简单，只有进气道，没有转子，主要利用进口气流的冲压压缩进行增压，但这种压气机通常只能工作在超音速条件下。

离心式压气机气流主要沿径向流动，具有结构简单、单级压比高等优点，广泛应用于各个领域，但存在效率较低，迎风面积大，最大、最小流量受工况的限制。轴流压气机气流主要沿轴向流动，具有流量大、效率高等优点，但存在单级压比较低、高压比时级数多、结构较复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种双转子对转冲压压气机，其是将冲压压缩的机制引入到转子动力式压气机中，利用两个转子的对转使气流的相对速度达到超音速，从而为冲压压缩创造条件。

本发明所采用的原理：利用前后设置的两个旋转方向相反(对转)的转子，使气流在前转子中流动过程中，前转子的叶片对气流做功，使得气流压力和流动速度增大，在前转子出口处，要求气流不仅要轴向流动，同时要旋转，并且旋转速度(切向速度)要尽可能大，前转子出口的旋转气流进入后转子时，由于后转子与前转子的旋转方向相反(对转)，旋转气流相对于后转子的叶片相对速度较大，当相对速度超过音速后，就可以在后转子气流通道中利用冲压压缩对气流增压，即气流在后转子气流通道内形成斜激波和正激波(斜激波和正激波组合成激波系)，气流穿过激波后，压力会突然升高，而流速则突然下降，可见，本发明与普通的转子动力式压气机不同之处在于：后转子主要利用冲压压缩来增压。

本发明所采用的技术方案：

一种双转子对转冲压压气机，包括转子和静子，其中，转子是旋转运动部件，由叶轮和转轴构成，叶轮上有叶片，其具体结构因叶轮的类型不同而有所差异，通常包括轮盘和一部分轴封，转子包括前后顺序设置的前转子和后转子，前转子的叶轮为斜流式叶轮，后转子的叶轮可根据后转子出口气流的方向、总压比等需要进行选择，可以是轴流叶轮，也可以是斜流叶轮或者离心叶轮，前转子和后转子的转速可以根据需要进行设计，转速可以相等，也可以不相等，可以由两个动力装置分别驱动，也可以由一个动力装置通过齿轮机构实现对两个转子的驱动；动力装置可以是电机、涡轮或者其他动力装置；为了实现两个转子工作时需要的转速和扭矩，动力装置和转子轴之间可以设置变速传动机构，如变速齿轮箱等。静子是非运动部件，根据压气机设计的需要和工作环境的不同，其具体结构可以有所差异，通常包括机壳(机匣)、进气管、整流罩(某些情况下，整流罩可以和转子一起转动，此时它是转子的一部分)、排气管(集气管)以及其他必要的附属设备，如：转速、温度、压力等传感器和润滑***、控制***等。转子的支承方案可以根据压气机的具体结构和性能需要进行选择，支承通过轴承实现，轴承可以是机械轴承、液压轴承、空气轴承或者其他类型的轴承，轴承的数量和放置的位置可根据需要进行确定。

为了在后转子中利用冲压压缩增压，要求前转子出口的气流不改变(或较小改变)方向进入后转子中，因此，前转子的出口和后转子入口直接对接，当然，为了减小前转子叶片和后转子叶片相互干扰，两者之间通常需要留出一定距离。

压气机工作时，气体工质从进气管进入前转子，前转子叶片对气体工质做功，使得气体工质压力和速度增加，由于前转子叶轮是斜流式叶轮，使得出口的气流除了具有轴向速度，而且还具有较高的切向速度，前转子出口的气流进入后转子叶轮时，由于后转子与前转子旋转方向相反(对转)，相对于后转子而言，前转子出口气流切向速度与后转子的切向速度叠加，容易达到一个较高的相对速度，当相对速度超过音速时，通过适当的叶片设计，在后转子叶片侧面会产生一系列激波(通常包括正激波和斜激波)，气体工质经过激波后，压力会突然上升，流速会突然下降，并且相对速度越大，激波越强，增压减速效果越明显。由此可见，本发明区别于目前常见的离心压气机和轴流压气机的一个显著特征是：前转子出口的气流进入后转子后，主要利用很大的相对速度进行冲压压缩，具体是通过气流通道中的激波系进行增压。

后转子的气流通道内主要通过激波系进行增压，气流通道通常是收敛扩展型的，即前半段收缩，后半段扩张，气流通道最小横截面积处通常称为喉部，为了达到较好的冲压压缩效果，喉部横截面积和入口横截面积的比值需要和气流速度匹配，其设计可以参考超音速飞机的内冲压式超声速进气道有关设计方法和原则；后转子叶片的叶型对形成激波系有直接影响，通常气流通过正激波后损失较大，通过斜激波后损失较小，因此，为了提高压缩效率，对叶片叶型要进行精心设计，以便形成效率较高的激波系，通常设计为两端尖、细长的梭型，这种梭型叶片的头部是尖锐的楔形，这与常见的压气机叶片明显区别，叶片的两侧的形状可以有所差异，即叶片两侧并非完全对称，这种梭型叶片刚好也可以形成收敛扩展型气流通道，由于气流相对速度很高，为了避免形成太强的正激波，叶片通常是直的，并且通常要求与气流方向一致，气流方向可以通过对设计转速下气流速度三角形进行分析而确定。当然，根据前转子和后转子的转速匹配情况以及后转子的具体形式，叶片的后端可以有弯度。因为后转子采用收敛扩张型流道，由于喉部的阻塞作用，可以有效阻止气流从出口向入口方向回流，因而可以提高喘振裕度，进而拓宽整个压气机的工作范围。

作为本发明的进一步改进，所述前转子的斜流式叶轮设计为超宽弦轴流式叶轮。这种超宽弦轴流式叶轮，它的轴向尺寸比现有的单级轴流叶轮的轴向尺寸要大得多，其叶片弦长比现有的轴流式叶轮也长得多，对叶片的叶型进行相应的设计后，可使叶片在周向对气流做更多的功，使得前转子出口气流具有更高的切向速度，从而有利于在后转子中进行冲压。超宽弦叶片的叶型可以根据需要进行设计，通常有两种，一种是前弯超宽弦叶片，这种叶片前半部分为前弯叶片，后半部分为直叶片，另一种为前弯后弯超宽弦叶片，这种叶片前半部分为前弯叶片，后半部分为后弯叶片，中间有一段近似直叶片进行过渡。应当指出，超宽弦轴流式叶轮是轴向进气和轴向出气，但叶轮的中间部分可以根据设计需要，允许气流出现一段斜流。超宽弦轴流式叶轮具有迎风面积小、流量大等优势。

作为本发明的进一步改进，所述前转子入口处的一段叶片轴向尺寸加长，即入口处叶片的高度增加变成风扇，使得前转子同时兼具风扇和压气机转子两项功能，这种结构可以用于涡扇发动机。

作为本发明的进一步改进，在前转子出口和后转子入口之间设置一个静止的中间内筒，中间内筒和机匣的中间段共同构成中间流道，中间流道内可以根据需要设置整流叶片，以减小气流中的涡流，提高气流的方向一致性，使前转子的出口气流更加均匀地进入后转子，提高后转子的压缩效率。应当指出，中间流道以及流道内的整流叶片的设置都不改变(或改变较小)前转子的出口气流方向，这一点明显区别于现有多级离心压气机中常见的弯道和回流器。

作为本发明的进一步改进，后转子的叶片设计为两端尖、细长的梭型直叶片，包括在圆周方向上交错布置的长叶片和短叶片，即长叶片的两侧是短叶片，短叶片的两侧是长叶片，类似于现有离心压气机入口的长短叶片交错布置方式。这种长叶片和短叶片交错布置的方式可从一定程度上避免在后转子入口附近出现脱体激波，通过合理布置叶片位置，可以更好的组织后转子气流通道中的激波系，有利于进一步提高后转子的增压效率。

作为本发明的进一步改进，如果后转子出口气流的绝对速度很高，比如超过音速，在后转子出口的后面可以根据需要设置扩压器，扩压器可以是有叶扩压器或者是无叶扩压器，以对后转子出口的气体工质进行扩压降速。

本发明在实际应用中，如果对总压比的要求很高，可以考虑将两个或多个双转子对转冲压压气机进行串联，也可以和现有的离心、轴流压气机进行串联组合使用，即在前转子的前面或者后转子的后面，增加一级或多级轴流式压气机或者离心式压气机，这种组合通常可以实现更宽泛的压比范围和综合性能。

本发明利用两个转子的对转为冲压压缩创造了条件，两个转子的转速和负载可以根据需要进行设计，大大提高了设计的灵活性；由于引入冲压压缩的机制，可以更容易的获得高压缩比；由于采用对转的结构，通过适当的优化设计，理论上可以使出口气流速度的切向分量为零，从而可以减少目前轴流压气机特别是离心压气机出口气流旋转造成的损失，提升压气机的效率。

本发明具有结构简单、压缩比高、效率较高等优势，既可以作为一个独立的气体压缩设备使用，也可以作为其他装置(比如航空发动机、燃气轮机)的一个部件使用。

本发明的有益效果主要体现在：

1、与轴流压气机相比，本发明采用两级压缩就可实现常规的轴流压气机5级甚至10多级所能达到的压比，结构复杂度和零件数大大降低，具有明显的成本优势。

2、与现有单级离心压气机相比，本发明可以达到20以上的压比，具有更宽泛的压比工作范围。

3、由于采用了两个转子对转，通过合理的设计，可使出口气流的切向速度大幅减小，甚至为零，可降低旋流损失，有效提高压气机的效率。

4、本发明可以作为一个单独的气体压缩设备，具有结构简单、尺寸小、重量轻、压缩比高、制造成本低等优势，尤其适用于较高压比的应用场合。

5、本发明非常适合作为航空发动机的压气机部件，如果前转子采用超宽弦轴流式叶轮，后转子采用轴流式叶轮，则这种结构具有迎风面积小、空气流量大、压比较高、效率较高的优势；如果前转子采用斜流式叶轮，后转子采用轴流叶轮，则这种结构通常可以达到更高的压比，迎风面积也不算太大，这对于提高发动机效率很有益处。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2是本发明的后转子叶片的叶型示意图。

图中：1、整流罩；2、进气管；3、前转子叶片；4、前转子轮盘；5、机匣；6、轴套；7、肋板；8、中间内筒；9、整流叶片；10、后转子轮盘；11、后转子叶片；12、轴颈；13、排气管；14、后转子轴；15、前转子轴；16、直叶片。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

在图1、图2所示的结构中，本发明所设计的一种双转子对转冲压压气机，由转子和静子两部分组成；转子包括顺序设置的前转子和后转子，每个转子都包括叶轮和轴，前转子设计为斜流式叶轮，包括整流罩1、前转子叶片3、前转子轮盘4、前转子轴15。后转子为轴流式叶轮，包括后转子轮盘10、后转子叶片11、后转子轴14、轴颈12，后转子叶片11设计为两端尖、细长的梭型直叶片16。

静子包括进气管2、机匣5、整流叶片9、中间内筒8、肋板7、轴套6、排气管13等。中间内筒8设置在前转子和后转子之间，中间内筒8通过肋板7与位于中轴线上的轴套6相连，轴套6的主要作用是为前转子轴15和后转子轴14的一端起支撑定位作用，轴套6内部可以设置机械轴承或者液压轴承与前转子轴15和后转子轴14相连；前转子气流通道和后转子气流通道之间通过中间流道连接，中间内筒8和机匣5的中间段共同构成中间流道，中间流道内设置一定数量的整流叶片9，整流叶片9分别与机匣5、中间内筒8固连，一方面可以对中间内筒8起到固定作用，并能承受中间内筒8传递过来的应力载荷，另一方面整流叶片9可对前转子出口气流起整流作用，以减小涡流、增加气流的均匀性和方向一致性，使前转子的出口气流均匀进入后转子。为了给轴套6内部的轴承提供润滑，整流叶片9、肋板7内部可以设置润滑油通道。

当压气机工作时，气体工质经过进气管2和整流罩1进入前转子，前转子叶片3旋转，对气体工质做功，使得气体工质速度和压力增加，在前转子出口处，气体工质不仅压力升高，同时还具有较高轴向速度和切向速度，然后进入中间流道，整流叶片9对气体工质进行整流，减少气流中的涡流，并保持较好的方向一致性，经整流后的气流进入后转子，后转子与前转子旋转方向相反，后转子叶片11与气流有很高的相对速度，速度超过音速时，后转子叶片侧面会形成激波，气流经过激波后，压力大幅升高、速度大幅降低，气流离开后转子后进入排气管13。如果排气管13入口处的气流速度仍然较高，则可以在排气管13的入口处设置扩压器，再次对气流进行降速扩压，是采用有叶扩压器还是无叶扩压器可以根据实际需要进行选择。

从上面的工作过程来看，可以把后转子看成是一个旋转扩压器，后转子的叶片11在旋转过程中需要克服气流的激波阻力，转速越高，激波阻力越大，则后转子叶片11对气流做的功与阻力和转速都成正比，因此后转子的增压比会随着其转速的增加而急剧增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双转子对转冲压压气机，包括转子和静子，其中，转子由叶轮和转轴构成，其特征在于：所述转子包括前后顺序设置的前转子和后转子，前转子的叶轮为斜流式叶轮，后转子的叶轮是轴流叶轮、斜流叶轮或者离心叶轮，前转子的出口与对转的后转子入口直接对接；后转子的叶片为两端尖、细长的梭型，梭型叶片的头部是尖锐的楔形；后转子的气流通道设计为收敛扩展型结构，中间有一个流通面积较小的喉部；静子包括机匣、进气管、排气管及其他附属设施。

2.根据权利要求1所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：所述前转子的斜流式叶轮设计为超宽弦轴流式叶轮。

3.根据权利要求2所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：所述超宽弦轴流式叶轮的叶片是前弯超宽弦叶片或前弯后弯超宽弦叶片。

4.根据权利要求1所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：所述前转子入口处的一段叶片轴向尺寸加长，即入口处叶片的高度增加变成风扇。

5.根据权利要求1所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：在前转子和后转子之间设置一个静止的中间内筒，由中间内筒和机匣的中间段共同构成中间流道，中间流道内设置整流叶片。

6.根据权利要求1所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：后转子的叶片设计为在圆周方向上交错布置的长叶片和短叶片，即长叶片的两侧是短叶片，短叶片的两侧是长叶片。

7.根据权利要求1所述的双转子对转冲压压气机，其特征在于：在后转子出口的后面设置扩压器。