一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮及设计参数选取方法与流程

1.本发明涉及压力增益燃烧爆轰燃气涡轮发动机用超声速涡轮技术领域，具体涉及一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮及设计参数选取方法。


背景技术：

2.压力增益燃烧爆轰燃气涡轮发动机等先进动力装置具有非常高的热力学循环效率，是未来推进系统的发展趋势。然而，这种先进动力装置内部普遍具有高超音速流动特征，在这种极端流动条件下若采用常规超音速涡轮提取功率，由于涡轮叶片的存在会引起严重的流动扰动现象，会导致气动损失急剧增加，制约常规超音速涡轮工作范围。而平面高速无叶涡轮虽然减少了气动损失，但是其功率提取能力较低。


技术实现要素：

3.根据以上问题，结合压力增益燃烧爆轰燃气涡轮发动机等先进动力装置的特点，针对燃气涡轮发动机常用的轴流涡轮，本发明提供了一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮，相对平面超音速无叶轴流涡轮，波纹型的超音速无叶涡轮在波纹区域可以产生额外的压缩波、波和膨胀扇，这些流动结构能够大幅度提高爆轰高超声速恶劣条件下涡轮功率提取。并且可通过调节其设计参数，获得不同的流动结构，满足不同的工况要求。
4.一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮，包括：
5.沿涡轮的轴向长度方向设置的平面区域和波纹型区域；
6.其中，涡轮的轴向长度为l，在轮毂进口，存在一个长度为d的平面区域；
7.波纹沿周向的数量为w，波纹高度为a，波纹沿轴向的旋转角度为α
helix
，气流角为α
flow angle
；
8.在平面区域和波纹型区域之间，由贝塞尔曲线进行光滑过渡；
9.其中贝塞尔曲线的前两个控制点和最后两个控制点在高度和轴向位置上是固定的，调整中间控制点的位置调节过渡曲线。中间控制点存在两个自由度，分别是轴向的p
x
和高度方向的p
y
。
10.一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的设计参数选取方法，其特征在于，参数包括波纹高度a，波纹沿周向的数量w，以及波纹沿轴向的旋转角度α
helix
；
11.随着波纹高度a的增加，涡轮功率提取的能力迅速增加，在高度a到达原来的2.5倍时，涡轮功率提取能力可达原来的三倍以上；
12.折合转矩是反映涡轮功率提取能力的参数，随着w增加，涡轮功率提取能力在中间存在一个最大值，并且该最大值基本和效率的最大值处在同一位置，随着α
helix
的增加，涡轮功率提取能力先增大后减小，最大值处在α
helix
为45
‑
55
°
，通过选择不同的参数组合，获得最大的涡轮功率提取能力和效率。
13.优选的，涡轮功率提取能力效率最高值在α
helix
＝45
°
。
14.本发明提供一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮及设计参数选取方法，具有以下优点：
15.1)结构简单：采用了区别于传统超音速叶片式涡轮的无叶式设计，避免了叶片加工，降低重量，可靠性更高，且维护方便。
16.2)涡轮功率提取能力强：相较于平面无叶超音速涡轮，波纹型无叶超音速涡轮在空间内可以产生压缩波、激波和膨胀波，能大幅度提高涡轮的功率提取能力。
17.3)所需冷气量少：由于采用无叶设计，消除了涡轮叶片冷却所需的冷气，避免了冷气掺混，近一步提高涡轮效率。
18.4)参数选取相对独立：参数选取相对独立，不同参数之间耦合作用小，便于设计。
19.说明书附图
20.图1(a)是常规平面无叶超音速涡轮的结构示意图。
21.图1(b)是本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的结构示意图。
22.图2(a)是本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的轮毂参数。
23.图2(b)是本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的轮毂贝塞尔曲线定义。
24.图3是本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的波纹高度和涡轮功率提取能力的关系图。
25.图4(a)是本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的波纹沿周向的数量和折合转矩与效率的关系。
26.图4(b)本发明的一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮的波纹轴向的夹角和折合转矩与效率的关系。
27.其中，1
‑
罩壳，2
‑
轮毂，3
‑
进口，4
‑
出口，5
‑
波纹型区域
具体实施方式
28.为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
29.图1所示为平面超音速无叶涡轮和波纹型超音无叶涡轮结构示意图。其中图1(a)的轮毂2为圆柱面，外形没有几何变化。图1(b)轮毂有波纹型的几何变化。图2是波纹型超音速无叶涡轮的几何参数定义。涡轮的轴向长度为l，在轮毂进口，存在一个长度为d的平面区域。波纹沿周向的数量为w，波纹高度为a，波纹沿轴向的旋转角度为α
helix
，气流角为α
flowangle
。在平面区域和波纹型区域之间，由贝塞尔曲线进行光滑过渡，如图2(b)所示。其中曲线的前两个控制点和最后两个控制点在高度和轴向位置上是固定的，调整中间控制点的位置调节过渡曲线。中间控制点存在两个自由度，分别是轴向的p
x
和高度方向的p
y
。
30.影响波纹型超音速的涡轮性能的主要参数为波纹高度a，波纹沿周向的数量w，以
及波纹沿轴向的旋转角度α
helix
。图3是波纹高度a和超音速涡轮功率提取能力的关系，随着波纹高度a的增加，涡轮功率提取的能力迅速增加，在高度a到达原来的2.5倍时，涡轮功率提取能力可达原来的三倍以上。
31.图4是波纹沿周向的数量w和波纹轴向的夹角α
helix
和折合转矩与效率的关系，折合转矩可认为是反映涡轮功率提取能力的参数。随着w增加，涡轮功率提取能力在中间存在一个最大值，并且该最大值基本和效率的最大值处在同一位置。随着α
helix
的增加，涡轮功率提取能力先增大后减小，最大值处在α
helix
为45
‑
55
°
左右，效率最高值在45
°
左右。在设计中，可以通过选择不同的参数组合，获得最大的涡轮功率提取能力和效率。
32.本发明提供一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流波纹涡轮及设计参数选取方法，结构简单：采用了区别于传统超音速叶片式涡轮的无叶式设计，避免了叶片加工，降低重量，可靠性更高，且维护方便；涡轮功率提取能力强：相较于平面无叶超音速涡轮，波纹型无叶超音速涡轮在空间内可以产生压缩波、激波和膨胀波，能大幅度提高涡轮的功率提取能力；所需冷气量少：由于采用无叶设计，消除了涡轮叶片冷却所需的冷气，避免了冷气掺混，近一步提高涡轮效率；参数选取相对独立：参数选取相对独立，不同参数之间耦合作用小，便于设计。
33.凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。