旋转冲压压气机压缩转子技术分析及展望

http://www.paper.edu.cn 旋转冲压压气机压缩转子技术 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及展望 韩吉昂1，钟兢军2 1.哈尔滨工业大学能源科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院（150001） 2.大连海事大学机电与材料工程学院（116026） E-mail：hja6065@126.com 摘 要：旋转冲压压气机压缩转子是一种采用超音速飞行进气道中所用的激波压缩技术进行 气流压缩的新型压缩系统。与常规压气机相比，具有单级压比高、压缩效率高、结构简单、 体积小和重量轻的优点。通过对其工作原理及结构的分析， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 并分析了其关键技术，主要 包括运动激波系的配置、泄露密封、转子支撑和附面层吸除等。最后，讨论了这种压缩转子 的潜在用途。 关键词：旋转冲压压缩转子；激波；泄露密封；转子支撑；附面层吸除 1 引 言 压气机是航空涡轮发动机的重要部件之一，其作用是对进入发动机的气流进行压缩，以 提高气流的压力。随着战斗机性能的不断提高，其对发动机性能的要求也越来越高，体现在 压气机上就是：高的单级和总压比、高的压缩效率等。由于采用常规方法 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的压气机要满 足上述要求，往往需要较多的压气机级数，这无疑会增加发动机的重量及能量损失，导致发 动机总体性能的下降。因此，开发具有较轻重量和良好压缩性能的新型压缩系统就具有特别 重要的意义。 激波压缩是一种利用超音速气流绕物体流动时产生的激波来对气流进行压缩的气流压 缩方式，其现阶段主要应用在超音速飞行器的进气道中。与航空涡轮发动机中常用的气流压 缩方式相比，激波压缩具有压比高、压缩效率高、结构简单等优点，能够满足高性能发动机 对气流压缩和压气机减重的要求，是一种高效而有巨大潜在应用价值的气流压缩方式。 为了应用这种高效的气流压缩方式，美国Ramgen动力系统公司提出了一种新型的压缩系 统，我们称之为旋转冲压压气机，其原理结构图如图 1[1]所示。这种新型的压缩系统融合了 超音速飞行进气道中所用的激波压缩技术与常规轴流式和离心式压气机的设计技术，从而获 得了一种高效的压缩系统，其单级压比远高于现在使用的轴流和离心式压气机。本文对这种 新型压气机的核心部件——旋转冲压压气机压缩转子所用到的关键技术进行了研究，以期能 为我国开展相关方面的研究工作打下一定的基础。 图 1 旋转冲压压气机原理结构图 - 1 - 2 旋转冲压压缩转子的工作原理 图 2 旋转冲压压缩转子流道转变示意图 要把超音速飞行进气道中的激波压缩技术用于压缩系统的设计中，我们就需要满足这种 压缩方式能够正常工作的前提条件，即超音速条件。由于气流的流动都可以通过选择不同的 坐标系而变换为相对流动，所以，我们要实现超音速条件，除了来流是超音速外还可以人为 的产生超音速条件，即通过高速旋转的转子来实现。当转子以相当高的速度旋转时，其转子 外缘处的气流相对速度就能达到或超过音速，这就为采用激波压缩这种高效的压缩方式压缩 气流创造了条件。在此条件下，如果我们把类似于二元超音速飞行进气道的气流通道以一个 小的角度（一般是 5-10 度[2]）放置在转子的轮缘上，当转子轮缘处的气流相对速度达到超 音速时，放置于轮缘上的气流通道中就会产生类似于超音速飞行进气道中的激波系，从而对 进入气流通道中的气流进行激波压缩，这样就形成了旋转冲压压缩转子的气流压缩通道。图 2[3]是超音速飞行进气道向旋转冲压压缩转子气流通道的转变过程，图 3[4]是旋转冲压压缩转 子的结构原理图。 图 3 旋转冲压压缩转子结构原理图 旋转冲压压缩转子轮缘近似矩形的流道是由安装在轮缘上的三个隔板以及转子顶部的 静止外壳组成的。隔板是每个流道的轴向边界，在转子工作时，它也要做一小部分气流压缩 工作。当转子开始旋转时，气流就随之进入轮缘的流道。在开始阶段，由于转子的转速较低， 气流相对速度达不到超音速条件，流道中没有激波出现，旋转冲压压缩转子不能正常工作。 - 2 - http://www.paper.edu.cn 随着转子旋转速度的不断提高，流道中的气流相对速度也随之提高。当转子速度足够高时， 进入流道中的气流相对速度就会达到超音速条件。此时，当气流绕流流道中设置的压缩面时 就会产生一系列激波及反射波（其波系示意图如图 2 下图所示），气流通过这些激波及反射 波时，其压强和温度升高，速度降低，从而达到了气流压缩的目的。 3 旋转冲压压缩转子研究的关键技术 3.1 运动激波系的配置 运动激波系是旋转冲压压缩转子进行气流压缩的前提，因此转子轮缘的超音速流道中激 波系配置的好坏直接决定着冲压压缩转子能否正常工作以及压缩性能的好坏。由于转子轮缘 的冲压压缩流道与超音速飞行进气道有许多相同之处，而运动激波又可以通过坐标变换转化 为驻激波，因此我们在配置其激波系时可以参考超音速飞行进气道中激波系的配置方法。 目前，超音速进气道中气流的压缩方式可分为三种，即外压式、内压式和混压式。由于 受旋转冲压压缩转子顶部静止外罩的限制，我们只能选择内压式的气流压缩方式。鉴于转子 轮缘近似矩形的冲压压缩流道与二元超音速进气道在结构上相似，我们可以把冲压流道的结 构设计成类似于二元超音速进气道的形式，以期在冲压气道中能产生类似于二元超音速进气 道中的高效气流压缩激波系。 在进行运动激波系的设计时，首先要根据设计状态下的气流相对马赫数及要获得的预期 压比来选择激波的数目。根据激波理论，为了减少压缩过程的激波损失，我们可以先采用几 道斜激波对气流进行压缩以降低气流的速度，然后再采用一道正激波来使气流速度降为亚音 速。一般来说斜激波的数目（也就是轮缘冲压流道中压缩面的数目）越多，压缩过程的激波 损失就越小，但是斜激波的数目不能无限多，原因有两个方面：第一，当斜激波数目无限多 时，虽然每一道斜激波对应的气流折角很小，但是总的气流折角就会很大。对应于每一个来 流的气流相对马赫数存在一个最大的气流折角与之相对应，如果气流总的折角超过这个最大 值激波就要脱体，就不能产生正常的激波系，压缩转子就无法正常工作。第二，斜激波数目 多时就会增加轮缘冲压流道结构设计的复杂性，另外，压缩面的增加也会增加整个转子的重 量。 选定斜激波的数目后，接下来可根据等激波强度或等激波角的方法来确定各个压缩楔面 的角度。在选择压缩楔面角度时，要把第一个楔面角度选的尽量小些，并使压缩楔面的角度 之和小于设计相对马赫数下的最大气流折角，以使压缩过程的损失降到最低。 3.2 泄露密封 旋转冲压压缩转子的冲压流道是由旋转的转子轮缘、隔板和静止的外壳组成的，能否对 冲压流道中的气流进行有效的密封将直接决定着整个压缩转子的压缩性能。通过对转子原理 结构图（图 3）的分析，可知气流泄漏主要发生在转子轮缘、轮毂和轮缘流道的顶部。为了 获得所需的压比和压缩效率以及尽量减少气流泄漏所产生的损失，就需要对转子轮缘和轮毂 的两侧进行有效的密封，以及对轮缘流道及顶部静止外壳之间的间隙进行控制。 当冲压转子正常工作时，其转速可达几万转甚至几十万转，巨大的离心力将使转子发生 径向形变。另外，气流在压缩过程中静温和静压要升高，也会造成隔板的热变形。如果轮缘 流道顶部间隙过小的话，转子及隔板的变形将导致隔板与静止外壳发生碰撞；而间隙过大时， 气流的泄漏将增加，这会造成转子压缩性能的下降。这些都给密封及间隙控制工作带来了很 大的困难。为了解决这些问题，我们可借鉴航空发动机中应用的先进密封及间隙控制技术。 为了提高航空发动机的总体性能和效率，人们研究开发了各式各样的密封技术，其中较 为常见的有迷宫式密封和刷握式密封。迷宫式密封是一种非接触式密封，在工作过程中不需 要润滑，允许自由热膨胀，维修方便，并且不受转速限制，但是它不能杜绝泄漏，并且其泄 漏流量随着压差的增大而急剧上升；刷握式密封是一种接触式密封，其能适应转子的瞬间径 - 3 - http://www.paper.edu.cn 向变形或偏心运动，且不显著增加泄漏率，这恰好克服了迷宫式密封因变形或偏心造成永久 性磨损，从而使泄漏率不断增大这一致命弱点。除此之外，刷握式密封还具有发热量低、维 护工艺简单、使用寿命长并对转子轴系有阻尼作用、其密封效果随压力的增加变化不大等优 点。与迷宫密封相比，刷握式密封的泄漏量仅是迷宫密封的 1/10～1/2[5],并有效改善了转子 的稳定性。如果将刷握式密封用到压气机叶尖间隙处，可使压气机效率提高 2%，喘振裕度 提高 5%[6]。主动间隙控制技术是另外一种控制航空发动机泄漏损失，提高发动机性能的措施。 它是通过人为的控制发动机转子或机匣的膨胀量，使叶尖间隙保持最小，减小叶尖气流泄漏 量，保证发动机叶片与机匣不发生碰撞，提高发动机的效率。 由于旋转冲压压缩转子具有转速高和径向变形较大的特点以及刷握式密封和主动间隙 控制技术的优点，我们可采用刷握式密封的方式来对轮缘和轮毂进行密封，用主动间隙控制 技术来控制隔板与外部静止外壳之间的间隙最小，以期使冲压转子的压缩性能最优。 3.3 支撑系统 为了使转子轮缘冲压流道中的气流达到超音速条件，转子的转速要高达几万甚至几十万 转，这对转子的支撑轴承及其润滑提出了较高的要求。另外，转子在旋转时的变形将会导致 轮缘流道中激波系作用在转子上的力不平衡，这会造成转子的振动。所以，为了保证转子能 够正常工作，我们就需要采用能适应高转速且稳定性强的支撑轴承。 目前，旋转机械上的轴承有滚动轴承、油膜轴承、气体轴承和磁力轴承等，各种轴承用 于不同的目的而各具优点。滚动轴承具有启动摩擦小，对润滑中断不敏感等优点，但由于它 工作时总存在着固体摩擦，其疲劳寿命有限，极限转速低等缺点，使它在许多场合远远不如 油膜轴承优越，但是油膜轴承存在摩擦热问题，又限制了它在高速回转机械场合的应用。气 体轴承是利用气体作为运动副的润滑剂的一种新型轴承，其特点是运转速度高、低摩擦、无 磨损、无污染、运转平滑、回转精度高和轴承的精度保持性好等。磁力轴承是一种利用电磁 力使轴承稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承，其特点是无接触、 无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长。 鉴于旋转冲压转子的工作环境及各种轴承的优缺点，其支撑系统可以选择气体轴承或磁 力轴承，因此，在进行旋转冲压压缩转子设计时开展有关气体轴承或磁力轴承的研究开发工 作是很有必要的。 3.4 附面层吸除 由于流体的粘性影响，气流在转子轮缘的冲压流道壁面处将产生附面层，并且随着气流 速度的提高，附面层会不断增厚，增厚的附面层与冲压流道中扩压流动的逆压梯度的相互作 用将会造成附面层的分离。当压缩转子正常工作时，冲压流道中充满了激波系，这些激波与 附面层的相互干扰也会造成气流的分离。另外，转子在工作过程中会发生一定的振动，这也 会造成附面层的分离。当附面层分离或接近分离时，将会严重影响压缩转子的压缩性能，甚 至使压缩转子无法正常工作。因此，为了使压缩转子稳定工作及获得需要的压缩性能，就需 要对附面层进行排除，常用的附面层排除方法是附面层吸除。 由于压缩转子轮缘的冲压流道中的气流压缩方式是内压式的，因此，冲压气道中的附面 层吸除主要采用泄除孔或泄除槽。与泄除槽相比，可以通过打开或关闭泄除孔来使泄除部位 和泄除量的变化具有较大的灵活性，所以，我们可以用这种泄除方式来泄除冲压流道中的附 面层。选定泄除方式后，还要确定泄除位置，泄除量，泄除孔的几何尺寸、间距、与壁面的 夹角，泄除阻力等。由于冲压流道在几何上与二元超音速飞行进气道相似，我们在选定泄除 参数时可以借鉴进气道参数选择的原则和经验[7]。 4 旋转冲压压缩技术的未来应用 推重比是衡量战斗机发动机技术水平和工作能力的综合指标，推重比的提高大大提高了 - 4 - http://www.paper.edu.cn 飞机的机动性，发动机推重比是改变飞机机动性的重要因素。要提高发动机的推重比必须减 轻发动机的结构重量，提高发动机的结构效率。旋转冲压压缩系统与战斗机常用的压气机比， 具有单级压比高（可达 15 或更高[8]）、总压缩效率高、产生损失的气动面积小、结构简单、 轴向长度短、重量轻、成本低的特点。美国Ramgen动力系统公司目前正开展用这种激波压缩 系统替代常规压气机的研究工作，他们计划应用在微涡轮发动机及CO2压气机上[9-10]。有鉴于 此，如果我们用旋转冲压压缩系统替代战斗机发动机中的压气机将能大大降低发动机的结构 重量，提高整个发动机的循环效率，从而大大提高发动机的推力和推重比，并降低整个发动 机的成本，为我国航空发动机性能的提高做出贡献。 参考文献 [1] 王云，赵晓路，徐建中，等.基于冲压压缩技术的新型燃气轮机[A].见：中国工程热物理学会编.中国 工程热物理学会热机气动热力学学术会议论文集[C].北京：中国工程热物理学会，2003：215～220. 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Comparing to the conventional compressor, it has a simple configuration, and also has advantages of the higher single stage pressure ratio, small volume, higher compression efficiency and light engine weight. According to the analysis of the principle and configuration of the rotor, the key technology used in the rotor is outlined and analyzed in the paper, including the scheme of shock wave, the leakage and seal, the support of the rotor, and the boundary layer aspiration. In the end of the paper, the potential application of the rotor is discussed. Keywords: Rotor of ramgen compressor; Shock wave; Leakage and seal; Support of rotor; Boundary layer aspiration 作者简介： 韩吉昂（1979-），男，河南省襄城县人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院博士生，主要 从事冲压发动机性能仿真研究， Email：hja6065@126.com，通信地址：大连海事大学西山 四公寓 212 室，邮编：116026； 钟兢军（1963-），男，黑龙江省哈尔滨人，大连海事大学机械工程系教授，博士，国家教育 部 1999 年度全国首届百篇优秀博士学位论文作者，主要从事发动机气动热力学、内燃机、 燃气轮机装置及压气机内流动机理、弯曲叶片和翼刀技术控制压气机叶栅二次流、航空发动 机燃烧室和高超声速冲压发动机研究，Email：zhongjj@newmail.dlmu.edu.cn。 - 6 - http://www.paper.edu.cn Abstract