一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机
阅读：784发布：2021-10-25
专利汇可以提供一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 发动机 的空心 转轴 及 涡轮 喷气发动机，属于航空发动机零配件技术领域。该空心转轴上设置进气孔和出气孔，且所述空心转轴的内部空腔设置有 支撑 片，气体能够从所述进气孔进入所述空心转轴内部空腔，并流经所述支撑片后从所述出气孔排出。本实用新型的空心转轴能够解决 现有技术 中为了减轻转轴重量，使得空心转轴不能满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求，造成其使用寿命较短，进而影响涡轮喷气发动机的使用寿命问题。，下面是一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机专利的具体信息内容。
1.一种发动机的空心转轴，其特征在于，所述空心转轴上设置有进气孔(4)和出气孔(5)，且所述空心转轴的内部空腔设置有支撑片，气体能够从所述进气孔(4)进入所述空心转轴内部空腔，并流经所述支撑片后从所述出气孔(5)排出。
2.根据权利要求1所述的空心转轴，其特征在于，所述空心转轴包括第一连接端(1)、中间支撑部(2)和第二连接端(3)，所述中间支撑部(2)内设置所述支撑片，所述第一连接端(1)用于连接压气机，所述第二连接端(3)用于连接涡轮。
3.根据权利要求1所述的空心转轴，其特征在于，所述支撑片为沿所述空心转轴轴向螺旋延伸的增压叶片(7)。
4.根据权利要求3所述的空心转轴，其特征在于，所述增压叶片(7)的螺旋圈数为整数。
5.根据权利要求2所述的空心转轴，其特征在于，所述进气孔(4)设置于所述中间支撑部(2)上靠近所述第一连接端(1)的一端。
6.根据权利要求5所述的空心转轴，其特征在于，所述进气孔(4)沿所述中间支撑部(2)的周向均匀分布。
7.根据权利要求5所述的空心转轴，其特征在于，还包括辅助进气孔(6)，所述辅助进气孔(6)设置于所述第一连接端(1)，且所述辅助进气孔(6)沿所述第一连接端(1)的周向均匀分布。
8.根据权利要求7所述的空心转轴，其特征在于，所述进气孔(4)与所述辅助进气孔(6)均与所述空心转轴的径向呈锐角设置。
9.根据权利要求2所述的空心转轴，其特征在于，所述出气孔(5)设置于所述第二连接端(3)的端面或所述第二连接端(3)周面。
10.一种涡轮喷气发动机，包括压气机和涡轮，其特征在于，还包括权利要求1-9任意一项所述的空心转轴，所述空心转轴两端分别连接所述压气机和所述涡轮。
一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机
技术领域
[0001] 本实用新型涉及航空发动机零配件技术领域，尤其涉及一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机。
背景技术
[0002] 涡轮喷气发动机的工作原理是足够量的空气通过压气机以高速旋转的叶片对其作功压缩，以提高空气的压力；高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压的气体；高温高压的气体首先在涡轮内膨胀，推动涡轮旋转，并带动压气机转动，然后气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气的速度，使燃气以较高的速度喷出，产生推力。在涡轮喷气发动机中，转轴一端连接压气机，另一端连接涡轮，中间部分贯穿整个燃烧室，涡轮喷气发动机的工作性能很大一部分取决于转轴的工作性能。
[0003] 为了提升涡轮喷气发动机的性能，对涡轮喷气发动机进行了轻量化处理。目前主要是对转轴进行处理，将转轴设置为空心转轴，以减轻转轴的质量，但是由于空心转轴长期处于高速旋转状态，且处于高温高压环境下，使得空心转轴的强度不够导致其使用寿命较短。由于空心转轴作为航空发动机和燃气轮机的核心零部件，一旦空心转轴发生损坏影响涡轮喷气发动机的使用寿命，甚至将引起灾难性事故的发生。
[0004] 针对上述问题，亟需提供一种发动机的空心转轴及涡轮喷气发动机，以解决现有技术中为了减轻转轴重量，使得空心转轴不能满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求，造成其使用寿命较短，进而影响涡轮喷气发动机的使用寿命问题。实用新型内容
[0005] 本实用新型的一个目的在于提供一种发动机的空心转轴，以解决现有技术中为了减轻转轴重量，使得空心转轴不能满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求，造成其使用寿命较短，进而影响涡轮喷气发动机的使用寿命问题。
[0006] 本实用新型的另一目的在于提供一种涡轮喷气发动机，其重量相对于现有技术中的涡轮喷气发动机较轻，且满足高强度的工作要求，使用寿命长。
[0007] 本实用新型所采用以下技术方案：
[0008] 一种发动机的空心转轴上设置有进气孔和出气孔，且所述空心转轴的内部空腔设置有支撑片，气体能够从所述进气孔进入所述空心转轴内部空腔，并流经所述支撑片后从所述出气孔排出。
[0009] 采用这种结构后，通过设置支撑片可以加强空心转轴的强度，使得减轻转轴重量的同时，依然能够满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求，从而确保涡轮喷气发动机的服役寿命；空心转轴进气孔和出气孔的设置使得气体可以在空心转轴内流通，以达到对处于高温环境中的空心转轴进行冷却的效果。
[0010] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述空心转轴包括第一连接端、中间支撑部和第二连接端，所述中间支撑部内设置所述支撑片，所述第一连接端用于连接压气机，所述第二连接端用于连接涡轮轮轮盘。
[0011] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述支撑片为沿所述空心转轴轴向螺旋延伸的增压叶片。
[0012] 采用这种结构后，增压叶片在空心转轴高速旋转的作用下对经过空心转轴的气体进行增压，避免了气体在空心转轴内由于阻尼造成的压力损失，从而使得出口端产生稳定的高压气流，保证稳定的冷却气流供应，有稳压作用。
[0013] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述增压叶片的螺旋圈数为整数。
[0014] 采用这种结构后，可以使得空心转轴在高速旋转的工作状态下满足动平衡要求。
[0015] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述进气孔设置于所述中间支撑部上靠近所述第一连接端的一端。
[0016] 采用这种结构后，可以使得压气机附近的温度较低的气体进入到空心转轴，以实现冷却空心转轴的效果。
[0017] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述进气孔沿所述中间支撑部的周向均匀分布。
[0018] 采用这种结构后，可以使得空心转轴进气均匀。
[0019] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，还包括辅助进气孔，所述辅助进气孔设置于所述第一连接端，且所述辅助进气孔沿所述第一连接端的周向均匀分布。
[0020] 采用这种结构后，当只通过进气孔进入空心转轴的低温气体难以满足冷却要求时，压气机附近的低温气体还可以通过设置于第一连接端的辅助进气孔进入空心转轴，以满足空心转轴冷却要求。
[0021] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述进气孔与所述辅助进气孔均与所述空心转轴的径向呈锐角设置。
[0022] 当空心转轴高速旋转时，使得气体经过周向均匀分布的进气孔或辅助进气孔进入空心转轴的进气方向与空心转轴旋转方向相反，进气孔或辅助进气孔附近的气体会在惯性的作用下甩进空心转轴内部空腔，形成进气孔或辅助进气孔处瞬时的负压，空心转轴外的气体在压力梯度的作用下迅速流向进气孔或辅助进气孔补充气流。空心转轴持续高速工作即可形成稳定的进气气流。因此，采用这种结构能一定程度增加空心转轴的增压效果。
[0023] 作为上述的空心转轴的一种优选方案，所述出气孔设置于所述第二连接端的端面或所述第二连接端周面。
[0024] 当空心转轴的第二连接端与涡轮螺纹连接，安装螺纹需要采用粗牙螺纹时，需通过封堵端面保证攻丝过程和攻丝后的轴端刚度；当安装螺纹采用细牙螺纹时，牙距和牙高都显著降低，无需再通过封堵端面增加轴的支撑刚度，直接在第二连接端端面设置出气孔，这样设置结构简单，加工方便。
[0025] 一种涡轮喷气发动机，包括压气机和涡轮，以及上述空心转轴，所述空心转轴两端分别连接所述压气机和所述涡轮。
[0026] 采用这种结构后，涡轮喷气发动机的重量相对于现有技术中的涡轮喷气发动机较轻，且满足高强度的工作要求，使用寿命长。
[0027] 本实用新型的有益效果：
[0028] 1)通过设置支撑片，可以加强空心转轴的强度，使得减轻空心转轴重量的同时，依然能够满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求；
[0029] 2)空心转轴进气孔和出气孔的设置使得气体可以在空心转轴内流通，以达到对处于高温环境中的空心转轴进行冷却的效果；
[0030] 3)通过设置增压叶片，实现了空心转轴在高速旋转下对空心转轴内气体进行增压，避免了气体在空心转轴内由于阻尼造成的压力损失，从而使得出口端产生稳定的高压气流，保证稳定的冷却气流供应，有稳压作用。附图说明
[0031] 图1是本实用新型提供的发动机的空心转轴的一种角度的结构示意图；
[0032] 图2是本实用新型提供的发动机的空心转轴的内部结构示意图；
[0033] 图3是图2中的A-A截面示意图；
[0034] 图4是本实用新型提供的进气孔的结构示意图；
[0035] 图5是本实用新型提供的辅助进气孔的结构示意图；
[0036] 图6是图4中B处的局部放大示意图；
[0037] 图7是图5中C处的局部放大示意图；
[0038] 图8是本实用新型提供的发动机的空心转轴的又一种角度的结构示意图；
[0039] 图9是本实用新型提供的又一种发动机的空心转轴的结构示意图。
[0040] 图中：
[0041] 1、第一连接端；2、中间支撑部；3、第二连接端；4、进气孔；5、出气孔；6、辅助进气孔；7、增压叶片。
具体实施方式
[0042] 为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部。
[0043] 本实施例公开了一种发动机的空心转轴，如图1所示，该空心转轴包括第一连接端1、中间支撑部2和第二连接端3，第一连接端1与涡轮喷气发动机中的压气机连接，第二连接端3与涡轮喷气发动机中的涡轮轮盘连接。并且空心转轴设置有进气孔4和出气孔5，使得气体可以通过进气孔4进入并从出气孔5排出，实现对空心转轴及与空心转轴连接的涡轮轮盘进行冷却。
[0044] 如图2-3所示，空心转轴的内侧壁设置有支撑片，气体能够从进气孔4进入空心转轴内部空腔，并流经支撑片后从出气孔5排出。这样可以加强空心转轴的强度，使得减轻转轴重量的同时，依然能够满足高速旋转状态和高温高压的环境下工作强度要求，从而确保涡轮喷气发动机的服役寿命。于本实施例中，通过采用增材制造一体成型技术，在空心转轴内的中间支撑部2设置的支撑片为沿空心转轴轴向螺旋延伸的增压叶片7。增压叶片7不仅可以对空心转轴起到支撑加强作用，而且增压叶片7在空心转轴高速旋转的作用下对经过空心转轴的气体进行增压，避免了气体在空心转轴内由于阻尼造成的压力损失，从而使得出口端产生稳定的高压气流，保证稳定的冷却气流供应，有稳压作用。
[0045] 另外，增压叶片7的螺旋圈数以及叶片数均需为整数。这样可以使得空心转轴在高速旋转的工作状态下满足动平衡要求。
[0046] 如图4所示，空心转轴设置有若干个进气孔4，进气孔4设置于中间支撑部2上靠近第一连接端1的一端。
[0047] 如图5所示，空心转轴还设置有若干个辅助进气孔6，其中辅助进气孔6设置于第一连接端1，且辅助进气孔6沿第一连接端1的周向均匀分布。当只通过进气孔4进入空心转轴的低温气体难以满足冷却要求时，压气机附近的低温气体还可以通过设置于第一连接端1的辅助进气孔6进入空心转轴，以满足空心转轴冷却要求。
[0048] 进气孔4和辅助进气孔6均设置于涡轮喷气发动机的压气机附近，这样可以使得压气机附近的温度较低的气体进入到空心转轴，以实现冷却空心转轴的效果。
[0049] 如图6-7所示，进气孔4与辅助进气孔6均与空心转轴的径向呈锐角设置。这样设置，当空心转轴高速旋转时，使得气体经过周向均匀分布的进气孔4或辅助进气孔6进入空心转轴的进气方向与空心转轴旋转方向相反，进气孔4或辅助进气孔6附近的气体会在惯性的作用下甩进空心转轴内腔，形成进气孔4处或辅助进气孔6瞬时的负压，空心转轴外的气体在压力梯度的作用下迅速流向进气孔4或辅助进气孔6补充气流，空心转轴持续高速工作即可形成稳定的进气气流。因此，采用这种结构能一定程度增加空心转轴的增压效果。
[0050] 如图8所示，空心转轴的出气孔5设置在第二连接端3端面，且出气孔5与空心转轴同轴线设置。第二连接端3端面连接涡轮轮盘，经过出气孔5排出的气体进入到涡轮轮盘中，可以对涡轮轮盘进行冷却。
[0051] 如图9所示，空心转轴的出气孔5还可以设置在第二连接端3侧面，若干出气孔5沿第二连接端3周向均匀分布。
[0052] 具体的，当空心转轴的第二连接端3与涡轮螺纹连接，安装螺纹需要采用粗牙螺纹时，需通过封堵端面保证攻丝过程和攻丝后的轴端刚度，故将出气孔5设置在第二连接端3侧面；当安装螺纹采用细牙螺纹时，牙距和牙高都显著降低，无需再通过封堵端面增加轴的支撑刚度，直接在第二连接端3端面设置出气孔5，这样设置结构简单，加工方便。
[0053] 本实施例还公开了一种涡轮喷气发动机，包括压气机和涡轮，以及上述空心转轴，空心转轴两端分别连接压气机和涡轮。采用这种结构后，涡轮喷气发动机的重量相对于现有技术中的涡轮喷气发动机较轻，且满足高强度的工作要求，使用寿命长。
[0054] 另外，本实施例还公开了一种发动机的空心转轴的生产方法，包括以下步骤：
[0055] 步骤1、根据涡喷发动机的结构设计确定空心转轴的参数要求，即空心转轴的外形尺寸，完成空心转轴的主体轮廓设计；
[0056] 步骤2、根据空心转轴的稳压增压具体要求完成空心转轴的增压叶片7设计，其中包括增压叶片7的形状、数量、圈数和螺距等；
[0057] 步骤3、根据涡喷发动机的空心转轴的强度和减重要求，校准并调整空心转轴的空心结构和增压叶片7的厚度；
[0058] 步骤4、根据涡喷发动机的空心转轴内部空气流量和压力的要求选择进气孔4和出气孔5的方向、大小、数量和排布；
[0059] 步骤5、对上述步骤完成的设计模型进行数值模拟，分析确定空心转轴的增压能力，并通过模拟结果对模型设计参数进行优化调整；
[0060] 步骤6、对上述步骤完成的模型进行一体化增材制造。
[0061] 本实施例安装上述制造方法，对10kg推力微型涡喷发动机的空心转轴进行设计，其中空心转轴的空心结构长度为65.72mm，增压叶片7完成一圈螺旋对称分布；在中间支撑部2靠近第一连接端1的一端设计六个进气孔4，方向与空心转轴径向夹角为30°，直径为1.2mm；在第一连接端设置六个辅助进气孔6，方向与径向夹角为15°，直径为0.7mm。当出气孔5设置在第二连接端3侧面时，设置四个腰型孔，组成每个腰型孔的通流面积等效于1.4mm直径的圆柱孔。
[0062] 需要特别说明的是，本实施例以10kg涡喷发动机为例，设计出空心转轴的各项参数，可以根据实际生产需要，针对不同的涡喷发动机，空心转轴的各项参数可以进行相应的调整。
[0063] 以上实施方式只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述实施方式限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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