[发明专利]一种新型气动自旋波转子结构

说明书

本发明提供了一种新型气动自旋波转子结构，其包括：进气端盘、排气端盘、以及位于二者之间的鼓筒，其中：进气端盘的进气口设置有进气管，排气端盘的排气口设置有排气管；且，每个进气管与进气端盘之间的夹角相等，每个排气管与排气端盘之间的夹角也相等；且，排气管与排气端盘之间的夹角大于进气管与进气端盘之间的夹角，使得工质气体从进气管、进气口、鼓筒上的工质通道、排气口和排气管依次通过的过程中，驱动鼓筒旋转。本发明通过进气管与进气端盘的夹角、以及排气管与排气端盘的夹角的设计，实现波转子的气动自旋，省去了驱动机构，能够精简系统、减轻重量、节约成本。

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种新型气动自旋波转子结构。

背景技术

在传统燃气涡轮发动机性能已趋于发展极限，未来航空发动机实现跨越式发展越加困难的背景下，波转子技术应运而生。波转子利用非定常压力波使工质进行能量交换，从而实现其增压功能，可代替燃气涡轮发动机中的高压压气机和高压涡轮，且无需对原有发动机结构进行较大改变。已有实验表明将波转子技术引入燃气涡轮发动机后可大幅改善发动机的性能。尽管波转子技术具有广阔的发展前景，但在应用过程中还存在一些技术难题。

目前波转子增压技术领域普遍认为波转子的旋转需要驱动，但并未明确如何驱动。增加新的外置机械驱动，不仅占用了发动机内部空间又增加了发动机的设计难度，因此如何在不添加新部件的基础上实现波转子的驱动是一个亟需解决的难题。

典型的波转子结构由两侧端盘作为静子和中间一系列绕轴旋转面积固定的通道形成的鼓筒作为转子组成，通常有一根轴贯穿端盘连接驱动机构。当轴贯穿端盘时，端盘与轴之间的间隙空间也联通大气，所以会导致波转子的工质不断地泄漏到大气中。发动机在运行过程中，如何控制波转子端盘和轴之间的间隙尽可能小、且如何封严是亟待解决的另一个问题。

美国专利US2399394A提出一种波转子压力交换器。该专利提出了波转子的机械特征——转静子的定性结构、原理——压力波(包含激波、压缩波与膨胀波)完成增压、膨胀；明确提及由电机带动波转子旋转，其示意图中也明确了驱动电机的位置；但未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

美国专利US2461186A提出一种将波转子组装到燃气轮机的方式。该专利提出了波转子与低压压气机、低压涡轮、燃烧室的工作配合关系；且指出波转子可由转轴带动旋转或可通过气流保持转动；其示意图中转轴均穿过端盘，但并未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

中国专利CN1031422C提出一种气波增压器，即汽车发动机领域对“波转子”概念的另一种名称。该专利提出了一种主要尺寸值固定的气波增压器结构；其转子安装在主轴上，主轴由两个滚动轴承支撑悬臂装配在定子上，主轴由其他动力源经皮带带动旋转，转子再由主轴带动旋转。但未提及轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

中国专利CN106895439A提出一种高效低污染核心机，该核心机可有效缩小燃气轮机体积，提高工作效率与功率，组织稳定无焰燃烧，降低污染物排放。其主要部件包含波转子，通过示意图可看到贯穿波转子端盘的轴，但未提及波转子如何驱动，也未表明如何控制波转子端盘与贯穿轴的间隙及如何封严问题。

国外的英文期刊论文Tüchler,S.and C.D.Copeland,Experimental resultsfrom the Bathμ-wave rotor turbine performance tests.Energy Conversion andManagement,2019.189:p.33-48.研究一种波转子涡轮(wave rotor turbine)，概念与波转子相近。该装置具有气动自旋功能，但此功能是通过弯曲的转子通道实现的；而且该装置的转轴仍然贯穿了静子端盘，因此仍然面临轴与波转子端盘的间隙及封严问题。

虽然只有美国专利US2399394A具体提及波转子由电机驱动，其他专利均未明确动力源，但是国内外相关论文中已论述波转子的旋转离不开动力源，通常需要增加驱动装置。

发明内容