一种集热力学-涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置 |
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| 申请号 | CN202410196292.4 | 申请日 | 2024-02-22 | 公开(公告)号 | CN117912346A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 南昌航空大学; | 发明人 | 刘鹏远; 杨淑青; 王梓淮; 漆志豪; 张泳; 周翔; 孙诗尧; 邹文轩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种集热 力 学‑涡扇 发动机 燃烧原理一体化教学演示装置，包括 火花塞 、底座、外涵道、核心机、 电动机 组件、 转轴 、 联轴器 、 燃料 供给组件、温湿度监测组件、尾喷管，由转轴将电动机组件、外涵道、核心机连接在一起；解决了 涡轮 风 扇发动机的燃烧原理教学及其有关的 热力学 原理教学一直缺乏教学演示装置的问题，该教学演示装置能够进行压气、燃烧从而真实模拟涡扇发动机运行，便于教学者依据该模型讲解涡扇发动机燃烧原理及其有关的热力学原理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种集热力学‑涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置，其特征在于：包括底座(2)，底座(2)上设置有核心机(3)、外涵道(4)、电动机组件(7)、燃料供给组件(8)和温湿度监测组件(9)； |
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| 说明书全文 | 一种集热力学‑涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置技术领域背景技术[0002] 在开设有航空相关专业的院校教学中，关于航空发动机相关知识的教学一直处于重要地位，近年来随着涡轮风扇发动机技术的快速发展和广泛应用，涡扇发动机在航空领域的地位越来越重要，发动机教学过程中的重点内容也向涡扇发动机倾斜，但是在实际教学过程中，涡轮风扇发动机的燃烧原理教学及其有关的热力学原理教学一直缺乏教学演示装置，因而设计一种教学演示装置必不可少。 [0003] 许多已公开的教学模型解决了发动机模型笨重，拆装繁琐，成本过高等问题，这些模型均偏向航空发动机总体结构原理的教学，而针对航空发动机燃烧原理及其有关的热力学原理教学一直没有针对性的教学模型。 [0004] 公开号为CN219997734U的中国专利公开了一种发动机模型，解决现有技术下演示发动机运转状态不完整的问题，但是其所述外机匣被部分剖切或所述外机匣为透光件，并且设计的自由涡轮转子的转速范围为5转/分钟‑20转/分钟范围，实际演示时转速过低，而且机匣部分剖切，无法实现压气、燃烧功能。 [0005] 公开号为CN103971580A的中国专利公开了一种教学用涡扇/涡喷航空发动机组合模型，其为了教学便捷和直观性，采用的是不完全整体式结构的模型，实际动态演示过程可操纵性较低，无法进行压气、燃烧实际演示。 [0007] 公开号为CN114708784A的中国专利公开了一种教学用航空发动机风扇模型及装配方法，其在保证了各组件精度的同时，通过优化航空发动机模型结构，有效降低了装配难度，但是由于其省略了油路系统与空气系统，而且其设计的转速较低，依旧无法进行发动机燃烧展示。 [0008] 公开号为CN209401221U的中国专利公开了一种涡扇发动机模型教具，其解决了涡扇发动机模型教具的外部安装和拆卸非常不方便，模型主体的移动不够便捷，对于模型主体的防护工作不够注重的问题，但是其重点偏向于涡扇发动机模型的安全防护问题，其模型的外壳通过电磁铁连接，虽然便于拆装，但是失去了航空发动机燃烧所需要的结构稳定性，因而不能进行航空发动机燃烧演示。 [0009] 为解决涡轮风扇发动机的燃烧原理教学及其有关的热力学原理教学一直缺乏教学演示装置的问题，本发明提出了一种集热力学‑涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置。 发明内容[0010] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种集热力学‑涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置。 [0012] 电动机组件包括电动机，电动机的主轴通过联轴器连接有转轴，核心机包括燃烧室壳体，燃烧室壳体支架由上支架、下支架两部分组成，下支架连接底座、上支架通过螺栓与下支架连接将燃烧室壳体夹紧，燃烧室壳体尾部焊接有尾喷管； [0013] 外涵道内设置有风扇，转轴穿过风扇伸入燃烧室壳体内，且转轴上从前往后依次设置有高压压气机组、火焰筒和高压涡轮组。 [0015] 风扇、一级压气机转子、一级压气机定子、二级压气机转子、二级压气机定子、火焰筒、一级涡轮机转子、二级涡轮机转子依次从前往后设置在转轴上，火焰筒为圆环形，火焰筒尾部均匀开有10个小孔；火焰筒有一燃料输入管沿竖直方向伸出燃烧室壳体，火焰筒焊接在燃烧室壳体内壁上。 [0016] 优选的，一级压气机定子、二级压气机定子通过螺栓、螺母固定在燃烧室壳体上用于限位，螺栓的平头端在燃烧室壳体内部、螺母在燃烧室壳体外部，燃烧室壳体、一级压气机定子、二级压气机定子上设置有螺栓配合的螺孔； [0017] 一级压气机转子、二级压气机转子、一级涡轮机转子、二级涡轮机转子、风扇、通过螺柱固定在在转轴的通孔上。 [0018] 优选的，一级压气机转子与二级压气机转子的结构相同，一级压气机定子与二级压气机定子的结构相同； [0019] 一级压气机转子、二级压气机转子、一级涡轮机转子、二级涡轮机转子的叶片方向与风扇的叶片方向相同；一级压气机定子、二级压气机定子与一级压气机转子、二级压气机转子、一级涡轮机转子、二级涡轮机转子、风扇的叶片方向相反，一级压气机转子、一级压气机定子、二级压气机转子、二级压气机定子，一级涡轮机转子、二级涡轮机转子以及风扇的叶片数量均为20个。 [0020] 优选的，电动机组件还包括电动机支架、电动机调速装置，电动机支架、电动机调速装置均设置在底座上，电动机设置在电动机支架上；外涵道还包括外涵道整流罩、外涵道支架，外涵道支架将外涵道整流罩与底座夹紧连接。 [0021] 优选的，温湿度监测组件包括温湿度监测装置电路板和温湿度检测装置探头，温湿度监测装置电路板上配有能够显示实时温度、实时湿度的显示屏；温湿度检测装置探头一端通过导线固定在温湿度监测装置电路板上，另一端处于自由端，可以自由移动。 [0024] 本发明有益效果： [0025] 本发明能够模拟燃料在涡扇发动机中燃烧的工作状态，既能够提供静态演示，又能够提供动态演示，动态演示中可以只接入电源，不通入燃料，保证演示安全性，也可以既接通电源，又通入燃料，模拟真实工作状况，能够进行涡轮风扇发动机燃烧原理及其有关热力学教学。附图说明 [0026] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。 [0027] 图1是本发明整体结构示意图； [0028] 图2是本发明中尾喷管、外涵道和核心机剖面图，即图1中A‑A剖面图； [0029] 图3是本发明中电动机组件结构示意图； [0030] 图4是本发明中温湿度监测组件结构示意图； [0031] 图5是本发明中燃料供给组件结构示意图； [0032] 图6是本发明中压气机定子和压气机转子结构示意图，a为压气机定子结构示意图，b为压气机转子结构示意图； [0033] 图7是本发明中涡轮机转子结构示意图； [0034] 图8是本发明中火焰筒结构示意图； [0035] 图9是本发明中燃烧室壳体支架剖视图，即图1中B‑B剖面图。 [0036] 附图标注： [0037] 1、火花塞；2、底座；3、核心机；31、一级压气机转子；32、一级压气机定子；33、二级压气机转子；34、二级压气机定子；35、火焰筒；36、一级涡轮机转子；37、二级涡轮机转子；38、燃烧室壳体；39、燃烧室壳体支架；4、外涵道；41、外涵道整流罩；42、外涵道支架；43、风扇；5、转轴；6、联轴器；7、电动机组件；71、电动机；72、电动机支架；73、电动机调速装置；8、燃料供给组件；81、燃料箱；82、燃料泵；83、燃料泵电机变压装置；84、单向阀；9、温湿度监测组件；91、温湿度监测装置电路板；92、温湿度监测装置探头；10、尾喷管。 具体实施方式[0038] 本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。 [0039] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0040] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。 [0041] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。 [0042] 实施例1 [0043] 本发明包括火花塞1；底座2；核心机3；一级压气机转子31；一级压气机定子32；二级压气机转子33；二级压气机定子34；火焰筒35；一级涡轮机转子36；二级涡轮机转子37；燃烧室壳体38；燃烧室壳体支架39；外涵道4；外涵道整流罩41；外涵道支架42；风扇43；转轴5；联轴器6；电动机组件7；电动机71；电动机支架72；电动机调速装置73；燃料供给组件8；燃料箱81；燃料泵82；燃料泵电机变压装置83；单向阀84；温湿度监测组件9；温湿度监测装置电路板91；温湿度监测装置探头92；尾喷管10； [0044] 电动机组件7、外涵道4、核心机3集中在底座的一侧，温湿度监测组件9、燃料供给组件8集中在底座2的另一侧，进一步地，所述底座2材质为防火材料。 [0045] 具体的，外涵道4包括外涵道整流罩41、外涵道支架42、风扇43；核心机3包括一级压气机转子31、一级压气机定子32、二级压气机转子33、二级压气机定子34、火焰筒35、一级涡轮机转子36、二级涡轮机转子37、燃烧室壳体38、燃烧室壳体支架39；其中外涵道整流罩41，燃烧室壳体38为薄壁圆筒，具有整流作用，分别通过外涵道支架42；燃烧室壳体支架39固定在底座2上，核心机3中，燃烧室壳体支架39为耐高温陶瓷材质，其余材质均为不锈钢； 上述内容可具体参考图1、图2。 [0046] 具体的，燃烧室壳体支架39由上支架、下支架两部分组成，下支架连接底座2，上支架通过螺栓连接下支架并能够牢牢夹紧燃烧室壳体38，上述内容可具体参考图9。 [0047] 具体的，电动机组件包括电动机71、电动机支架72、电动机调速装置73；电动机调速装置73采用了变压器原理，通过改变输出端电压从而改变电动机71的转速；电动机71通过电动机支架72固定在底座2上，电机71通过联轴器6固定转轴5，转轴5上依次安装了风扇43；一级压气机转子31；二级压气机转子33，一级涡轮机转子36，二级涡轮机转子37，其中一级压气机定子32位于一级压气机转子31之后，二级压气机转子33之前，并套在转轴5上起到限位作用，二级压气机定子34位于二级压气机转子33之后，火焰筒35之前，并套在转轴5上起到限位作用，上述内容可具体参考图2、图3。 [0048] 具体的，一级压气机转子31与二级压气机转子33结构相同，一级压气机定子32与二级压气机定子34结构相同； [0049] 一级压气机转子31、二级压气机转子33、一级涡轮机转子36、二级涡轮机转子37的叶片方向与风扇43相同，一级压气机转子31、二级压气机转子33、一级涡轮机转子36、二级涡轮机转子37、风扇43与一级压气机定子32、二级压气机定子34叶片方向相反，一级压气机转子31、一级压气机定子32、二级压气机转子33、二级压气机定子34，一级涡轮机转子36、二级涡轮机转子37以及风扇的叶片数量均为20个，上述内容具体可参考图2、图6、图7。 [0050] 具体的，一级压气机定子32、二级压气机定子34通过螺栓螺母固定在燃烧室壳体38上，螺栓的平头端在燃烧室壳体38内部、螺母在燃烧室壳体38外部，燃烧室壳体38、一级压气机定子32、二级压气机定子34上设置有螺栓配合的螺孔； [0051] 一级压气机转子31、二级压气机转子33、一级涡轮机转子36、二级涡轮机转子37、风扇43、通过螺柱固定在在转轴5的通孔上。 [0052] 火花塞1安装在燃烧室壳体38顶部，打火端通过燃烧室壳体38的圆孔伸入燃烧室壳体38内部，位于火焰筒35后方，上述内容可参考图1、图2、图7、图6。 [0053] 具体的，转轴5、燃烧室壳体38、外涵道整流罩41、尾喷管10轴心均要同心；燃烧室壳体38的一部分包含在外涵道整流罩41内。上述内容具体可参考图2。 [0054] 具体的，尾喷管10通过焊接固定在燃烧室壳体38尾部，上述内容具体可参考图2。 [0055] 具体的，火焰筒35为圆环形，火焰筒35尾部均匀开有10个小孔，使燃料均匀喷出，使燃料燃烧更加充分均匀；火焰筒35有一燃料输入管沿竖直方向伸出燃烧室壳体38，在燃烧室壳体38下方连接燃料供给组件8，火焰筒35焊接在燃烧室壳体38内壁上，并位于二级压气机定子34之后，一级涡轮机转子36之前，上述内容可具体参考图1、图2、图8。 [0056] 具体的，燃料供给组件8包括燃料箱81、燃料泵82、燃料泵电机变压装置83、单向阀84，其中燃料箱81、燃料泵82通过软管连接，燃料泵82引出一软管连接火焰筒35；燃料箱81的上方装有单向阀84(只允许燃料或空气进入燃料箱)；燃料泵电机变压装置83安装在燃料泵82上，通过调节燃料泵82电机的转速从而调整燃料流量，这样燃料泵电机变压装置83和燃料泵82就起到了节流阀的作用，上述内容可具体参考图5。 [0057] 具体的，温湿度监测组件9包括温湿度监测装置电路板91、温湿度监测装置探头92；温湿度监测装置电路板91基于单片机原理制成，具体为STC89C52；温湿度检测装置探头 92一端通过导线固定在温湿度监测装置电路板91上，另一端处于自由端，可根据教学者的需要自由调节位置，温湿度监测装置电路板91固定在底座2上，上述内容可具体参考图4。 [0058] 实施例2 [0059] 本发明还公开了一种集热力学‑涡扇发动机燃烧原理一体化教学演示装置的使用方法，使用方法包括以下步骤： [0060] 步骤1：确保本发明的电源接通，加注足量燃料，并检查基本参数和场地安全； [0061] 具体为：连接电动机71电源，火花塞1电源，燃料泵82电源，温湿度监测装置电路板91电源，向燃料箱81加注燃料，调整温湿度监测装置探头92至合理位置打开并查看温湿度监测装置电路板91显示屏中显示的空气湿度参数，确保尾喷管10朝向方向没有人员和易燃易爆物品。 [0062] 步骤2：启动本发明装置； [0063] 具体为：启动电动机71，火花塞1，燃料泵82，温湿度监测装置电路板91，启动主体发动机具体分解为：先启动燃料泵82，再启动火花塞1，引燃燃料后关闭火花塞1，再立即启动电动机71并根据教学实际需要调节电动机调速装置73调节转速同时调节燃料泵电机变压装置83控制燃料供给流量 [0064] 步骤3：观察燃烧现象和各组件数据； [0065] 具体为：观察燃料泵82的燃料大致流量，观察电动机71大致转速，观察温湿度监测装置电路板91中的显示屏的变化情况，观察尾喷管10处火焰，可搭配其他外部设备测得其他数据，如搭配空气流速计测得进气量，搭配滑轨和弹簧测力计测得推力，搭配磁性霍尔传感器测得具体转速，搭配液体流量计测得具体燃料流速、流量。 [0066] 步骤4：关闭发动机； [0067] 具体为：先关闭燃料泵82，再关闭电动机71，待燃烧室壳体38冷却后再关闭温湿度监测装置电路板91，最后从燃料箱81取出多余燃料。 [0068] 本发明解决了涡轮风扇发动机的燃烧原理教学及其有关的热力学原理教学一直缺乏教学演示装置的问题，能够模拟燃料在涡扇发动机中燃烧的工作状态，既能够提供静态演示，又能够提供动态演示，动态演示中可以只接入电源，不通入燃料，保证演示安全性，也可以既接通电源，又通入燃料，模拟真实工作状况，能够进行涡轮风扇发动机燃烧原理及其有关热力学教学。 [0069] 本发明中的教学演示装置采用小型化，轻量化设计，整体底座面积不到0.5m2克服了现有发动机教学模型体积大，重量大，不易移动的缺点；体积小，重量轻的发动机模型便于人工搬运，可以不受场地限制，从而提升教学效率。 [0070] 本发明安全性好，温度监测组件不仅能够显示实时温度，而且能够人工设置温度上限，在达到温度上限后报警，降低了安全风险，同时减少过高温度的运行时长，进一步延长燃烧室各组件寿命。 [0071] 本发明采用可拆卸式设计，便于更换涡轮机定子，维护保养更加便捷，所有部件均可独立更换，降低了维护修理成本。 [0072] 本发明具有涡轮风扇发动机的基本结构，一定程度上能够兼顾涡轮风扇发动机的结构原理教学。 [0073] 本发明运用电子电路控制原理，一定程度上能够兼顾航空发动机控制工程的教学。 [0074] 在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。 [0075] 以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。 |
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