[发明专利]一种涡轴发动机

说明书

本发明公开了一种高效率涡轴发动机，属于航空动力系统技术领域，它包括传动轴和在传动轴上沿其轴向依次设置的离心压气机、向心涡轮、排气段以及安装在排气段内的高效回热器；还包括径向扩压器、回型引气导管、回流燃烧室、可调涡轮导向器、空气轴承；其中回型引气导管包围着整个回流燃烧室，通过热交换冷却回流燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁；同时燃烧室机匣内壁辐射的热量被回型引气导管内空气吸收，再者回型引气导管与高效回热器进行热交换，使回型引气导管内部的高压空气被进一步加热。本发明通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，以解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高的技术问题。

技术领域

本发明属于航空动力系统技术领域，更具体地，涉及一种高效率涡轴发动机。

背景技术

在航空飞行器领域，小型涡轴发动机广泛用于倾转旋翼无人机和垂直起降无人直升机等机型。图1是一个典型的单轴涡轴发动机结构示意图，该图可广泛见于教科书中，如由上海交通大学出版社、朱之丽等主编的《航空燃气涡轮发动机工作原理及性能》一书的第157页就列出了该结构示意图。

传统的涡轴发动机涡轮部件主要由涡轮转子和涡轮静子组成，涡轮转子又由涡轮工作叶片、涡轮盘、涡轮轴及连接零件等组成；涡轮静子由涡轮机匣、导向叶片等零件组成，这就使得涡轮结构极其复杂。涡轴发动机的涡轮部件在高温、高压、高负荷下工作，不仅承受离心力、气动力、热应力及振动载荷，而且还受到燃气严重腐蚀，因此工作条件十分恶劣。受制于涡轮工作条件和涡轮结构，涡轮部件的研制对材料、加工工艺及安装精度要求较高，制造难度较大，从而导致涡轴发动机的加工周期较长，生产成本较高。同时涡轮端的排气温度较高，热能随空气排入大气中，能量利用率不高，致使燃油消耗量大，循环效率偏低。

再者，小型涡轴发动机在工作过程中通常转速较高，其转速可以达到每分钟5万转以上，而传统的涡轴发动机其轴承系统多采用滚子/滚棒轴承，在高转速工作条件下，轴承磨损较为严重，轴承的耐久性较差，导致涡轴发动机的寿命大幅度降低；同时轴承摩擦消耗功较大，进一步降低了整机效率。

在发明专利CN105508081A中公开了一种共轴涡轴发动机结构，该发动机结构通过分别将压气机和燃烧室的排气口与进气口偏转预设角度，使得燃烧室的进气口和压气机的排气口连通形成S形的气流通道。从整体改变了发动机的布局结构以解决发动机整机长度和重量较大的技术问题。但仍未解决轴承寿命短以及涡轮结构复杂等问题，发动机的生产成本仍然较高、循环效率及可靠性较低。

针对传统涡轴发动机存在的以上问题，亟需研发一种新型的高效率涡轴发动机，解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效率涡轴发动机，其目的在于，通过回型引气导管将压气机出口的高压空气引入燃烧室进口，高压空气在流经回型引气导管过程中，不仅冷却燃烧室机匣外壁和涡轮罩外壁，以提高回流燃烧室和向心涡轮的寿命和回型引气导管内的气体温度，同时吸收回流燃烧室机匣内壁辐射的热量，也提高了回型引气导管内的气体温度；再者，回型引气导管与回热器进行热交换时，高压空气被进一步加热，提高了能量利用率，降低了发动机的耗油率；通过改变发动机的部件结构方式以及流道的结构布局，以解决涡轴发动机寿命短、涡轮结构复杂、效率低、加工周期长、制造成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高效率涡轴发动机，包括传动轴和在所述传动轴上沿其轴向依次设置的离心压气机、向心涡轮、排气段,其特征在于，还包括安装在所述排气段内的高效回热器，以及沿所述传动轴轴向分别设置在所述离心压气机前方和后方、用于支撑所述传动轴的两个空气轴承；

通过传动轴和空气轴承支撑离心压气机的离心叶轮和向心涡轮高速旋转，空气轴承的摩擦损耗非常小，寿命较长，且无需润滑系统，在提高效率的同时，降低了发动机系统的复杂度。

所述离心压气机的外部安装有离心压气机罩，其与所述离心压气机组合形成密封的流道。