分隔式微型涡喷发动机的制作方法

1.本发明涉及涡喷发动机领域，具体是一种分隔式微型涡喷发动机


背景技术：

2.微型涡喷发动机由于其尺寸小、重量轻，适合高空高速飞行，被广泛用于中小型无人机、靶机及侦察无人机，也可作为战术巡航导弹动力。为实现结构简单、低成本的设计目标，该类型发动机一般采用单级离心压气机，以及0-2-0或1-0-1的支承形式。但在目前的技术下，微型涡喷发动机作为小型发动机，在满足较小尺寸要求的情况下，由于选用的单级压气机达不到满足最低耗油量的最优压比，会导致微型涡喷发动机燃油效率低下问题的出现。此外，由于微型涡喷发动机工作过程中，轴承所处环境温度远远超过其正常工作温度，为保障轴承能够正常工作并保障其使用寿命，需要对轴承进行降温和润滑工作；而对处于高温下的轴承进行降温和润滑所需要的结构过于复杂，限制了微型涡喷发动机的使用。
3.专利申请号为202110778016.5的发明专利申请公开了一种名为：微型涡喷发动机，该专利设有第一间隔空间与甩油通道，前者使燃烧室整体远离所述前轴承和后轴承，后者对轴承起冷却作用，以此延长后轴承使用寿命；但该专利中设计的甩油组件设计复杂，冷却过程中需要较多润燃油，润滑油燃点较燃油更低，当润滑油和燃油混合燃烧时，会造成发动机耗油量的增加，并且过多的负载存在不利于持续性工作的弊端。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中由于微型涡喷发动机采用单级压气机时，增压后的气体无法满足低耗油量的最优压比；采用多级压气机，会导致微型涡喷发动机出现降温结构复杂，成本高和重量大等不足，提供了一种分隔式微型涡喷发动机，通过设置双面转子使得气流达到满足耗油量最低的最优压比，解决了微型涡喷发动机中燃油浪费的问题。
5.本发明的目的主要通过以下技术方案实现：
6.一种分隔式微型涡喷发动机，包括轴流压气机、燃烧室单元体和转轴，所述转轴穿过所述轴流压气机，所述轴流压气机出口与所述燃烧室单元体连通；所述分隔式微型涡喷发动机还包括轴承和套设在所述转轴上的双面转子，所述轴承设置在轴流压气机与双面转子之间；所述转轴与所述双面转子固定，所述双面转子位于所述轴流压气机与所述燃烧室单元体之间：所述双面转子的一面位于所述轴流压气机内用于将空气加压输入所述燃烧室单元体，所述燃烧室单元体放出的气流吹转所述双面转子的另一面并带动所述转轴转动。
7.目前，为实现结构简单、低成本的设计目标，微型涡喷发动机一般采用单级离心压气机，支承形式为0-2-0或1-0-1。微型涡喷发动机的工作过程中，涡轮由燃烧室喷出的燃气吹转；作为贯穿涡轮的转轴，当涡轮被所述燃烧室单元体释放的燃气吹转时，由于涡轮叶片被燃气不断吹转，所述转轴不断转动。随着微型涡喷发动机工作的不断进行，转动过程中，转轴易出现磨损造成卡顿等现象的出现；为了保证转轴的正常工作，微型涡喷发动机会在涡轮附近的高温区设置轴承，所述轴承用于支撑转轴，减少摩擦以及平稳转轴。所述轴承在
转轴不断的转动过程中，由于轴承与转轴之间的摩擦运动会产生大量热量，压气机增压后空气和涡轮部件通过转轴也会带来部分热量，在工作过程中，轴承往往处于超出自身正常工作温度的工作环境，为了保障微型涡喷发动机的正常运作，需要对轴承进行散热；对于0-2-0支承形式的微型涡喷发动机，由于该类动力装置，位于扩压器出口的轴承腔温度一般会高于200℃，而过高的温度不利于轴承长时间的稳定运行。对于传统压气机中一般由三个轮盘组成并结合1-0-1的轴承排布方式，这类传统压气机由于轴承布置在两端跨距较大；由于材料的限定，所述转轴需要选用较大轴径，以此满足力学性能。此外，对于1-0-1形式的轴承排布方式而言，还存在复杂的转子系统和后轴承处于高温环境不易降温的问题；由于低成本的微型涡喷发动机通常不使用独立的轴承冷却润滑，后轴承的冷却和润滑是由燃料保证，参与润滑的燃料不参与燃烧工作，而是直接排出发动机，如此，大大增加了发动机的耗油率，不利于实现高性能的目的，而过于繁琐的降温工作也会影响微型涡喷发动机的制造成本，限制了微型涡喷发动机在无人机，航拍器等领域的推广。
8.在本技术实施例中，由于所述分隔式微型涡喷机中设有套设在转轴上的双面转子，所述双面转子位于轴流压气机与燃烧室单元体之间；当涡喷发动机工作时，轴流压气机进气口吸入空气，所述轴流压气机吸入的空气经轴流压气机加压后，再通过与所述压气机连接的双面转子的一面进行二次增压，当二次增压的空气输入燃烧室单元体后，燃烧室单元体可将喷嘴提供的燃油和加压后的空气混合燃烧，使气体温度升高，燃烧室内燃油燃烧后产生气流，所述气流吹转双面转子另一面；如此，双面转子一面将轴流压气机输入的空气进行二次增压以达到满足较低耗油率的压比，双面转子另一面不断被燃烧室单元体放出的气流吹转，以此带动双面转子持续转动；对于对转轴起支撑作用的轴承，为了降低燃烧室燃气吹转涡轮转动的过程中，涡轮部件通过转轴对轴承温度的影响，所述轴承安装在轴流压气机与双面转子之间，如此，轴承位于低温区，且在微型涡喷发动机工作过程中，压气机中气流流动可对轴承实现降温，以此降低了轴承冷却难度；本技术实施例中设置的双面转子持续往复的转动，能保证吸入的气流在经过加压后，达到最低耗油量的压比；增压后达到足够压比的空气在燃烧室单元体与燃油混合燃烧，大大提高了燃油燃烧的充分性。
9.进一步的，所述轴流压气机包括外筒体，所述外筒体内设有一级轴流叶轮，所述一级轴流叶轮安装在所述外筒体的进气端；所述双面转子包括一级离心叶轮叶轮，所述一级离心叶轮安装在所述外筒体的排气端；
10.本技术实施例中设置在轴流压气机进气端的一级增压叶轮选择一级轴流叶轮，所述一级轴流叶轮运动时产生的风压力较小，但风量较大，能满足微型涡喷机工作对空气流量的需求；设置在轴流压气机排气端的二级增压叶轮作为双面转子的一部分，为方便增压后的气流进入燃烧室单元体以及双面转子结构的紧凑性，选用离心叶轮；所述离心叶轮的排风方向垂直于进风口，可以前后按指定方向排风。
11.进一步的，所述一级轴流叶轮和所述一级离心叶轮之间设有静子机匣，所述静子机匣与外筒体的内壁之间留有空隙，在所述一级轴流叶轮与一级离心叶轮之间的空隙形成气流通道；所述静子机匣内设有发电机，所述发电机的转子固定在所述转轴上，所述发电机的定子固定与所述静子机匣的内壁固定。
12.本技术实施例中所述增压叶轮之间设有静子机匣，所述静子机匣内设有发电机；通过分隔式的设计，隔开发电机与其他零部件，从而降低工作过程中，其他零部件的发热对
发电机的影响；此外，当双面转子被吹转时，设置在转轴上的发电机的转子旋转，使得发电机发电；由于发电机环境温度低时电阻较小，安装在静子机匣内的发电机发电效率提高。
13.进一步的，所述双面转子还包括向心涡轮，所述向心涡轮固定在所述一级离心叶轮远离静子机匣的一侧。
14.本技术实施例中双面转子包括一级离心叶轮和向心涡轮，所述双面转子在转动过程中向心涡轮与一级离心叶轮带动彼此持续转动；此外，向心涡轮转速影响转轴转动速度，进一步影响了发电机的发电效率；由于本技术实施例中。发电机与轴承均设置在远离双面转子与燃烧室单元体的低温区，双面转子可采用向心涡轮以达到结构紧凑，节省空间的目的。
15.进一步的，所述轴承设置在静子机匣内，所述静子机匣内采用两组轴承支撑转轴，所述发电机的转子位于两组所述轴承之间的转轴轴段上。
16.本技术实施例中设置的轴承可用于支撑转轴；此外，轴承还能降低转轴在运动过程中的摩擦系数，从而保证转轴的回转精度。本实施例应用时，选用两组所述轴承与所述转轴相互配合，以此保证所述转轴工作的平稳进行；由于转轴不断转动并与轴承不断摩擦做功，导致轴承温度超过本身正常工作的温度范围，对于小型涡喷发动机而言，过高温度的降温工作，往往需要复杂的结构进行配合；如此，为了降低轴承冷却的难度，将轴承安装在静子机匣内；所述轴承安装在静子机匣内，可避免气流在一级离心叶轮增压后由于温度升高造成对轴承温度的影响，此外，对于涡轮通过转轴传递的热量也大大减少；轴流压气机内空气的流动还能对轴承进行进一步的降温，所述轴承冷却难度大大降低。
17.进一步的，所述静子机匣包括静子叶片，所述静子叶片安装在静子机匣的匣体外表面。本技术实施例中为了保证轴流压气机工作的稳定性，所述静子机匣外表面设有静子叶片；所述静子叶片用于将转子出口有旋转的气流摆正，从而提高气流增压效果。
18.进一步的，所述静子机匣外表面设有支板；所述支板的一端固定在所述静子机匣外壳，所述支板另一端固定在外筒体内壁。
19.本技术实施例中由于设置在静子机匣外表面的静子叶片很薄，当轴流压气机内气流过大时，由于静子叶片不能起支撑作用，所述气流通道易被压缩；如此，本技术实施例应用时，通过在静子机匣上设置支板，通过支板的支撑作用以此保证轴流压气机工作的正常进行
20.进一步的，所述燃烧室单元体包括扩压器和回流燃烧室，所述扩压器用于接收轴流压气机增压后的气体，所述扩压器连通所述回流燃烧室。
21.本技术实施例中燃烧室单元体内所述回流燃烧室还连通有扩压器，所述扩压器可利用通流截面积的不同，将速度能转化为压力能，以此使得燃烧室中燃油更加充分的燃烧。
22.进一步的，所述回流燃烧室连接有涡流导向器，所述回流燃烧室设置在扩压器与涡流导向器之间，所述涡流导向器的出口朝向双面转子远离静子机匣的一面；所述双面转子远离静子机匣一侧连接有尾喷管。
23.本技术实施例中设有涡流导向器用于接收回流燃烧室排气门放出的气流，接收的气流用于吹转双面转子，以此带动双面转子和转轴运动；本技术实施例应用时，双面转子转动一方面使压气机中气流不断增压，从而提高燃烧室燃油燃烧效率；另一方面，转轴转动，带动设置在转轴上的发电机转子转动，发电机得以发电。
24.进一步的，所述双面转子远离静子机匣的一侧设有尾喷管。
25.本技术实施例中的尾喷管可将回流燃烧室燃烧后的产物喷射出去，起到排气的作用，同时利用喷射过程中空气产生的反作用力对机体本身起到推动的作用。
26.综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：在本技术中，所述轴流压气机内设有静子机匣，所述静子机匣内包括发电机等易发热部件，通过隔离开易发热部件和燃烧室单元体等，降低了两者之间温度的影响，也进一步的降低了零部件冷却工作的难度；此外，设置的双面转子结构，能有效提高气流压比，实现燃烧室内燃料的充分化燃烧。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
28.图1为燃烧室单元体的结构示意图；
29.图2为双面转子的结构示意图；
30.图3为双面转子和一级轴流叶轮的结构示意图；
31.图4为静子机匣的结构示意图；
32.图5为轴流压气机与双面转子的结构示意图；
33.图6为发动机整体构型的结构示意图。
34.附图标记所对应的名称为：1-一级轴流叶轮，2-静子机匣，3-一级离心叶轮，4-向心涡轮，5-燃烧室单元体，6-转轴，7-支板，8-发电机，9-轴承，10-扩压器，11-回流燃烧室，12-涡流导向器，13-尾喷管，14-静子叶片。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
36.实施例：
37.如图1～图6所示，一种分隔式微型涡喷发动机，包括轴流压气机、燃烧室单元体5和转轴6，所述转轴6穿过所述轴流压气机，所述轴流压气机与所述燃烧室单元体5连通。此外，还包括轴承9和套设在所述转轴6上的双面转子，所述轴承9设置在轴流压气机与双面转子之间；所述转轴6与所述双面转子固定，所述双面转子位于所述压气机与所述燃烧室单元体5之间：所述轴流压气机的空气通过所述双面转子的一面加压输入所述燃烧室单元体5，所述燃烧室单元体5放出的气流吹转所述双面转子的另一面并带动所述转轴6转动。如此，本实施例应用时，由于轴承9安装在轴流压气机与双面转子之间，远离了高温区，轴承9冷却工作难度降低；此外，双面转子可实现对气流进行增压以达到满足最低耗油量的压比。
38.为了保证轴流压气机内空气流量充足，安装在轴流压气机进气端的增压叶轮选用一级轴流叶轮1，一级轴流叶轮1在各类型叶轮中，在相同的时间内能保证更多的空气吸入。当足够的空气吸入轴流压气机时，为了使得燃烧室单元体5在进行燃烧时，轴流压气机输入的气流拥有满足燃料充分燃烧的压比，在轴流压气机排气端设有一级离心叶轮3进行二次增压。
39.本实施例中涉及的其中一种应用场景为小型无人机，无人机在工作过程中，转轴6作为驱动部件不断转动，为了减轻转轴6在转动过程中，由于过多磨损带来的影响，本实施例中设有降低转轴6摩擦系数的轴承9。为了提高转轴6转动的稳定性，采用两组所述轴承9支撑转轴6；所述轴承9由于与转轴6在微型涡喷发动机过程中不断摩擦，会产生大量的热量，为了降低轴承9冷却的工作难度，所述轴流压气机内设置有静子机匣2，所述轴承9设置在所述静子机匣2内。当涡喷发动机工作时，由于置于静子机匣2内的轴承9可通过轴流压气机吸入的气流带走部分热量，轴承9冷却工作难度降低，经由少量冷却油即可完成对轴承9的冷却工作；如此，可通过灌入所述静子机匣2容量二分之一的冷却油完成对轴承9的冷却、润滑工作。此外，还设置有发电机8，所述发电机8的转子固定在所述转轴6上采用跨中发电方式，当双面转子被吹转时，随着转轴6的转动，所述发电机8的转子做切割磁感线运动，所述发电机8进行发电工作。在本实施例中，由于采用跨中发电方式发电，发电机8在工作过程中受气动及转力学限制较小，但跨中发电方式中，跨中温度将高于200℃，远超过发电机8正常工作温度，需要复杂的隔热结构保护发电机8；如此，为了降低发电机8降温工作难度，所述发电机8设置于所述静子机匣2内，所述发电机8的定子与所述静子机匣2固定。
40.由于轴流压气机工作过程中，静子机匣2与外筒体间间隙形成了气流通道，为了提高轴流压气机的工作效率，静子机匣2还包括有起导流作用的静子叶片14，但由于静子叶片14不能起到支撑作用，无法避免气流过大时气流通道被压缩，如此，在静子机匣2外壳上还设有起支撑作用的支板7。
41.经由一级离心叶轮3增压后的气流速度较快，为了避免气流速度过快导致燃油燃烧不充分的缺点，所述燃烧室单元体5内设有扩压器10，所述扩压器10接收一级离心叶轮3输出的增压气流，使得输入的气流压比增加、速度减缓。所述回流燃烧室11排出的气流为了能够有效地吹转双面转子，设有涡流导向器12；所述涡流导向器12对回流燃烧室11放出的气流进行降压增速、改变方向的操作，以此有利于高效吹转双面转子，驱动双面转子进行持续性工作；完成输入所述扩压器10中气流压比的增加，从而满足输入气流都能达到油耗量最低的压比，双面转子的高效运转带动转轴6转动也能同时保证发电机8的发电效率。
42.对于回流燃烧室11产生的气流，在经由涡流导向器12对双面转子吹转的过程后，废气排出口可通过设置有尾喷管13，从而完成对废气的排出工作，所述尾喷管13同时还能利用喷射过程中空气产生的反作用力来形成对机体的推力。
43.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.分隔式微型涡喷发动机，包括轴流压气机、燃烧室单元体(5)和转轴(6)，所述转轴(6)穿过所述轴流压气机，所述轴流压气机出口与所述燃烧室单元体(5)连通，其特征在于，还包括轴承(9)和套设在所述转轴(6)上的双面转子，所述轴承(9)设置在轴流压气机与双面转子之间；所述转轴(6)与所述双面转子固定，所述双面转子位于所述轴流压气机与所述燃烧室单元体(5)之间：所述双面转子的一面位于所述轴流压气机内用于将空气加压输入所述燃烧室单元体(5)，所述燃烧室单元体(5)放出的气流吹转所述双面转子的另一面并带动所述转轴(6)转动。2.根据权利要求1所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述轴流压气机包括外筒体，所述外筒体内设有一级轴流叶轮(1)，所述一级轴流叶轮(1)安装在所述外筒体的进气端；所述双面转子包括一级离心叶轮(3)，所述一级离心叶轮(3)安装在所述外筒体的排气端。3.根据权利要求2所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述一级轴流叶轮(1)和所述一级离心叶轮(3)之间设有静子机匣(2)，所述静子机匣(2)与轴流压气机外筒体的内壁之间留有空隙，在所述一级轴流叶轮(1)与一级离心叶轮(3)之间的空隙形成气流通道；所述静子机匣(2)内设有发电机(8)，所述发电机(8)的转子固定在所述转轴(6)上，所述发电机(8)的定子与所述静子机匣(2)的内壁固定。4.根据权利要求3所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述双面转子还包括向心涡轮(4)，所述向心涡轮(4)固定在所述一级离心叶轮(3)远离静子机匣(2)的一侧。5.根据权利要求3所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述轴承(9)设置在静子机匣(2)内，所述静子机匣(2)内采用两组轴承(9)支撑所述转轴(6)，所述发电机(8)的转子位于两组所述轴承(9)之间的转轴(6)轴段上。6.根据权利要求3所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述静子机匣(2)包括静子叶片(14)和匣体，所述静子叶片(14)安装在所述匣体外表面。7.根据权利要求3所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述静子机匣(2)外表面设有支板(7)，所述支板(7)的一端固定在所述静子机匣(2)外壳，所述支板(7)另一端固定在外筒体内壁。8.根据权利要求1所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述燃烧室单元体(5)包括扩压器(10)和回流燃烧室(11)，所述扩压器(10)用于接收轴流压气机增压后的气体，所述扩压器(10)连通所述回流燃烧室(11)。9.根据权利要求8所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述回流燃烧室(11)连接有涡流导向器(12)，所述回流燃烧室(11)设置在扩压器(10)与涡流导向器(12)之间，所述涡流导向器(12)的出口朝向双面转子远离静子机匣(2)的一面。10.根据权利要求3所述的分隔式微型涡喷发动机，其特征在于，所述双面转子远离静子机匣(2)的一侧连接有尾喷管(13)。

技术总结
本发明公开了一种分隔式微型涡喷发动机，包括轴流压气机、燃烧室单元体、静子机匣、发电机，轴承、转轴和双面转子，所述转轴穿过轴流压气机，所述轴流压气机内设有静子机匣，所述静子机匣内设有发电机和轴承，所述双面转子套设在转轴上；轴流压气机对气流增压，静子机匣内各部件可通过气流流动进行降温，以此降低了轴承和发电机冷却工作的难度。燃烧室单元体中输入气流压比增加，大大提高了燃烧效率；燃烧产生的气流吹转双面转子，双面转子转动持续增压气流，满足了涡喷发动机持续稳定性的工作要求。求。求。


技术研发人员：刘焱敖 李存海 熊杰 钟季佳 王荣
受保护的技术使用者：四川航天中天动力装备有限责任公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/5