阅读说明：本技术 一种无主轴的燃气涡轮 (Gas turbine without main shaft ) 是由 张家忠 贾睿东 任泽宇 李裴裴 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：一种无主轴的燃气涡轮,其特征在于,包括壳体、转子组件、定子组件和轴承组件,其中：转子组件和轴承组件安装在壳体内,轴承组件支撑转子组件,定子组件与壳体相连；转子组件包括转子环和若干转子叶片,若干转子叶片设置在转子环上,转子环设置在壳体上；定子组件包括轮缘与若干导向叶片,若干导向叶片设置在轮缘上,轮缘设置在壳体上。本发明具有占用空间小、能量转换效率高、输出机械功率大和振动小等优点,特别适合应用于新一代先进空天飞行器和现代民用客机的发动机技术。(A gas turbine without a main shaft, comprising a housing, a rotor assembly, a stator assembly, and a bearing assembly, wherein: the rotor assembly and the bearing assembly are arranged in the shell, the bearing assembly supports the rotor assembly, and the stator assembly is connected with the shell; the rotor assembly comprises a rotor ring and a plurality of rotor blades, the rotor blades are arranged on the rotor ring, and the rotor ring is arranged on the shell; the stator assembly comprises a rim and a plurality of guide vanes, the guide vanes are arranged on the rim, and the rim is arranged on the shell. The invention has the advantages of small occupied space, high energy conversion efficiency, large output mechanical power, small vibration and the like, and is particularly suitable for the engine technology of a new generation of advanced aerospace vehicles and modern civil airliners.)

一种无主轴的燃气涡轮

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮技术领域，具体涉及一种无主轴的燃气涡轮。

背景技术

航空发动机技术一直是世界各国争相研究的焦点和热点，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机技术进步密不可分。燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，是20世纪50年代以来主要的航空动力形式，其具有结构紧凑、综合性能高、稳定工作范围宽等优点，一直是大气层内亚声速和低超声速空天飞行器的最佳动力选择，且在可预见的未来，还没有任何其他动力形式可以完全取代它。

但是，随着现代工业建设需要和先进飞行器的发展，航空发动机的性能要求越来越高，研究人员在不断地寻找改进燃气涡轮发动机性能的方式，涡轮成为航空发动机优化设计首要考虑的关键部件之一。由于传统航空燃气涡轮发动机的热力循环方式是基于等压燃烧的Brayton循环，提高此类发动机的综合性能主要通过提高增温比和增压比实现。提高增压比，会导致空气加热量降低,比推力减小，而提高增温比又受制于涡轮部件的耐高温能力。因此，传统的航空发动机轴流涡轮的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足性能要求。传统带主轴燃气涡轮部件多、结构复杂、体积占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等，这些缺陷导致了人们逐渐将目光转向更加先进的无轴推进技术。

发明内容

本发明为了提高燃气涡轮的效率和功率，提供一种在轮缘上安装叶片的无轮毂转子旋转的高效率、大功率、稳定性好和集成度高的无主轴燃气涡轮。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种无主轴的燃气涡轮，包括壳体、转子组件、定子组件和轴承组件，其中：转子组件和轴承组件安装在壳体内，轴承组件支撑转子组件，定子组件与壳体相连；转子组件包括转子环和若干转子叶片，若干转子叶片设置在转子环上，转子环设置在壳体上；定子组件包括轮缘与若干导向叶片，若干导向叶片设置在轮缘上，轮缘设置在壳体上。

本发明进一步的改进在于，转子环包括柱形结构和锥形结构，锥形结构设置在柱形结构上，转子环的锥形面和柱面上设置有用于隔离气体侵蚀的转子防护层。

本发明进一步的改进在于，转子环安装在壳体的内腔中，在该内腔轴向方向上，转子环的锥形面和壳体之间形成转子环锥形摩擦副；转子环锥形摩擦副之间形成动压油膜，或者转子环锥形摩擦副之间加有润滑剂。

本发明进一步的改进在于，位于锥形面上的转子防护层上周向等间距设置有若干微槽，位于柱形面上的转子防护层上设置有用于阻止气体泄漏的密封齿。

本发明进一步的改进在于，微槽的个数与转子叶片个数相同。

本发明进一步的改进在于，微槽呈人字形或矩形。

本发明进一步的改进在于，人字形的微槽包括人字形螺旋槽和密封齿，矩形的微槽包括矩形螺旋槽和密封齿。

本发明进一步的改进在于，转子叶片和导向叶片向壳体内伸出，导向叶片出口对着转子叶片进口，一组导向叶片、转子叶片构成第一级，以级为单位轴向安装；转子环由安装在转子环端部的轴承组件和转子环锥形摩擦副支撑。

本发明进一步的改进在于，与转子环相对的壳体壁面上设置有定子防护层。

本发明进一步的改进在于，轴承组件包括转子承载件和轴瓦；转子承载件和轴瓦相贴合；转子承载件与转子环的竖直处贴合；转子承载件和轴瓦的径向截面均呈L形；轴瓦上设置有盖板，盖板与壳体相配合。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.所采用的无主轴燃气涡轮方案，将导向叶片、转子叶片、轴承组件高度集成在一起，结构非常紧凑，有效克服了传统带主轴燃气涡轮部件多、结构复杂、体积占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等问题。

2.无主轴涡轮有效叶片面积大于传统涡轮叶片面积，从燃烧室出来的燃气总温总压相同时，前者比后者做功多，且其自身负荷显著减小。

3.空心无毂结构使结构更加紧凑，减少流动损失。

4.叶片安装在壳体时，避免了叶顶漏气，同时轴心处的气流速度小，因此漏气损失比有主轴燃气涡轮明显减少。

综上所述，气流流过导向叶片对转子叶片产生作用力，燃气推动转子叶片旋转，对转子做功，通过不带动主轴旋转而能将高温高压气体的内能转换成机械能输出，进而为飞机飞行提供动力。本发明具有占用空间小、能量利用效率高、输出功率大和振动小等优点，特别适合应用于新一代先进空天飞行器和现代民用客机的发动机技术。

进一步的，在转子环旋转过程中，转子环锥形摩擦副之间形成动压油膜，可以明显提高可承受的径向力。相比较而言，人字形的螺旋槽比矩形的螺旋槽承载能力更大，但加工技术复杂。也可根据实际性能需要排布组合槽，例如多排矩形的螺旋槽或矩形的螺旋槽与人字形槽相结合等。

进一步的，通过设置定子防护层，能够隔离燃气对壁面的侵蚀。

进一步的，转子承载件和轴瓦的径向截面均呈L形，这种结构既可以承受径向推力又可以承受轴向推力。

进一步的，通过锥形面上设置有微槽，可以避免气体泄漏。

附图说明

图1是本发明的左侧总体结构示意图。

图2是本发明的右侧总体结构示意图。

图3是本发明的定子组件与转子组件配合结构示意图。

图4是本发明的转子承载件径向截面示意图。

图中：1.轮缘；2.导向叶片；3.壳体；4.转子环；5.转子叶片；6.转子环锥形面；7.定子防护层；8.转子承载件；9.轴瓦；10.盖板；11.推力瓦面；12.径向瓦面；13.水平轴线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供一种由定子组件和可转动的带叶片的无轮毂转子组件旋转，而形成的一种高效率、大功率、稳定性好和集成度高的新型涡轮设备，亦即所谓的无主轴燃气涡轮。

本发明提供的无轴燃气涡轮，其结构如图1和图2所示，由转子组件、定子组件和轴承组件三个部分组成，其中：转子组件安装在壳体3的内腔中，并由安装在壳体3内的轴承组件支撑；定子组件直接与壳体3相连。

所述的转子组件，包括转子环4和若干转子叶片5，若干转子叶片5安装在转子环4上，并与转子环4内壁固连，转子环4设置在壳体3上。其中：转子环4包括柱形结构和锥形结构，锥形结构设置在柱形结构上，转子环4的锥形面6和柱面上设置有用于隔离气体侵蚀的转子防护层，位于锥形面6上的转子防护层上周向等间距设置有若干微槽，位于柱形面上的转子防护层上设置有用于阻止气体泄漏的密封齿。

所述的定子组件，包括轮缘1与若干导向叶片2，若干导向叶片2设置在轮缘1上，轮缘1设置在壳体3上，轮缘1内壁与转子环4外壁相对设置。

转子叶片5和导向叶片2向壳体3内伸出，导向叶片2出口对着转子叶片5进口，一组导向叶片2、转子叶片5构成第一级，以级为单位轴向安装。转子环4由安装在转子环4端部的轴承组件和转子环锥形摩擦副支撑。转子环4安装在壳体3的内腔中，在该内腔轴向方向上，转子环4的锥形面6和壳体3之间形成转子环锥形摩擦副。转子环锥形摩擦副之间形成动压油膜，或者转子环锥形摩擦副中间加有润滑剂。

参见图2，微槽的个数与转子叶片5个数相同。微槽的结构呈人字形或矩形，起到润滑，减少磨损的作用。并且在转子环4旋转过程中，转子环锥形摩擦副之间形成动压油膜，可以明显提高可承受的径向力。人字形的微槽包括人字形螺旋槽和密封齿，矩形的微槽包括矩形螺旋槽和密封齿。相比较而言，人字形的螺旋槽比矩形的螺旋槽承载能力更大，但加工技术复杂。也可根据实际性能需要排布组合槽，例如多排矩形的螺旋槽或矩形的螺旋槽与人字形槽相结合等。

与转子环4相对的壳体3壁面上均设置有定子防护层7。定子防护层7用于隔离燃气对壁面的侵蚀，要求该防护层不与燃气发生反应且厚度不能太大。

参见图3和图4，以水平轴线13为轴的周向对称截面图。由气体冲击叶片产生的推力由转子环4端部的轴承组件承担。轴承组件包括转子承载件8和轴瓦9。转子承载件8和轴瓦9的径向截面均呈“L”形，这种结构既可以承受径向推力又可以承受轴向推力。转子承载件8和轴瓦9相贴合，转子承载件8与转子环4竖直连接处贴合。转子承载件8选取高承载性能的类型，例如弹性垫支撑的可倾瓦轴承或者动静压轴承，后者的承载性能更强，但需要增设附加泵，增加了设备和占用体积，可用于大功率民用客机上。L形轴瓦包括推力瓦面11和径向瓦面12，采用橡胶或高分子材料制造轴瓦表面，选取不锈钢材料铸造轴瓦基体。选取青铜或者金属合金铸造转子承载件8。轴瓦9上设置有盖板10，盖板10与壳体3相配合。

工作原理：气流流过导向叶片2而对转子叶片5产生作用力，燃气推动转子叶片5旋转，对转子做功，通过不带动主轴旋转而能将高温高压气体的内能转换成机械能输出，进而为飞机飞行提供动力。通过锥形面6上设置有微槽，可以避免气体泄漏。

本发明提供的无主轴燃气涡轮为无毂式无主轴燃气涡轮，若加入轮毂，则可以形成有毂式无主轴燃气涡轮，其中，所述轮毂含不转的轴、径向轴承和推力轴承。机械能主要由轮毂处的轴承输出。这种结构有利于增加轴承承载面积，缺点是轮毂会增加体积和质量，降低输出功率和效率。

由上述实施例提供的无主轴燃气涡轮可知，该涡轮是一种叶片连接在壳体上的新型无轴涡轮，其实现转子旋转的核心结构是壳体内的由轴承组件支撑的转子环，且壳体3和转子环4之间形成有锥形摩擦配副。该无主轴燃气涡轮与传统带主轴涡轮相比具有以下的突出优势：

1.传统带主轴涡轮气体做功带动主轴旋转输出机械功，结构复杂，设计、安装和维护成本高；并且其主轴易疲劳断裂。而本发明采用无轴结构，无轮毂，结构简单、紧凑、安全性高。

2.传统带主轴涡轮存在叶顶漏气，在叶顶处气体速度大，故损失严重。而本发明的叶片连接在壳体上，避免了叶顶漏气，并且在轴心处由于气流速度小，损失也较小。

本发明充分吸收了已有的轴流涡轮的优点，并且有效克服了其缺陷。