[發明專利]自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構

有效

• 申請號: 202110335189.X
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113431637B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 李育隆;夏余天逸
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D9/04;F01D17/16;F01D25/00
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本發明涉及一種自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構，具體為：氣流由徑向進入渦輪靜子流道(5)，之后在渦輪中的流向保持徑向；靜子由靜子葉片(2)和上機匣(1)、下機匣(4)組成縮放流道，其喉部截面積等于設計流量的臨界面積，使氣流加速到超聲速；轉子葉輪(3)入口葉片呈鈍頭以堵住部分流通面積，以適應微型渦輪的小設計流量；轉子葉輪(3)的背面和邊緣處刻有動壓槽，與下機匣(4)形成動壓氣浮軸承流道，渦輪轉速達到設計值時，動壓槽中的氣體將由黏性作用提供支撐力起到止推和徑向軸承的作用。本發明可實現小流量高壓氣體的膨脹做功，具有結構緊湊，轉速極高，需求流量小，可使用冷氣做功，膨脹比高，做功能力強的特點。

技術領域

本發明屬于轉子動力機械結構設計領域，涉及一種自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構。

背景技術

轉子動力機械的發展已達到很高的技術水平，大型燃氣輪機與蒸汽輪機在能源、船舶、航空航天等各個領域提供了源源不斷的高功率動力。但在另一方面，渦輪機的小型化一直是一個難題，小流量低溫度條件下的渦輪機效率遠低于尋常工況，因此在分布式能源、單兵攜帶設備、航天衛星功能等小功率應用場景下，經常使用太陽能、蓄電池甚至活塞式熱機供能。

隨著科技的發展，對于小功率應用場景的功率密度要求也在逐漸提高。然而太陽能與蓄電池的發展需要基礎材料學的研究進步，活塞式熱機已經接近理論效率上限很難繼續發展。開發出一種適用于小流量小功率應用場景的微型渦輪機成為一種可行的方案。

目前，渦輪機小型化的同時減少功率下降的方法是提高膨脹比。但膨脹比的提升超過一定限度后會帶來超聲速氣流、超高轉速、流場結構復雜等各種問題，且以上這些問題在傳統渦輪機設計中都難以解決。

因此，提出一種新的渦輪機結構，以解決或緩解上述問題，實現小型能源動力的功率密度進一步發展，具有重要的實用價值。

本發明提出一種自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構，可實現小流量高壓氣體的膨脹做功，具有結構緊湊，轉速極高，需求流量小，可使用冷氣做功，膨脹比高，做功能力強的特點。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明提出一種自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構，解決目前小流量渦輪機械在高膨脹比設計下超聲速氣流、超高轉速、流場結構復雜的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明實施例提供一種自帶氣浮軸承的純徑向式超聲速微型渦輪結構，包括：

上機匣1和下機匣4，所述上機匣1和所述下機匣4之間夾有靜子葉片2和轉子葉輪3，所述轉子葉輪3繞轉軸R旋轉，所述靜子葉片2每兩片與上下機匣配合形成靜子氣流流道5，轉子葉輪3與下機匣4配合形成動壓氣浮軸承流道。

在一個實施例中，所述靜子葉片2與所述上機匣1和所述下機匣4間緊密連接，不存在葉尖間隙。

在一個實施例中，所述靜子葉片2的數量為多個，且沿機匣周向等距排列。

在一個實施例中，所述靜子葉片2之間每兩個葉片為一組，一組靜子葉片與所述上機匣1和所述下機匣4配合產生的靜子氣流流道5，流道截面積呈先收縮再擴張的變化規律。

在一個實施例中，所述靜子氣流流道5的最窄處橫截面積A_cr為：

其中G為設計點質量流量，ρ_cr為設計點氣體臨界密度，c_cr為設計點氣體臨界聲速，n為所述靜子葉片數量。

在一個實施例中，所述轉子葉輪3的入口處葉片形狀為鈍頭，且葉片面積占入口面積的50％以上。

在一個實施例中，所述轉子葉輪3的葉片在葉高方向上齊平，不隨徑向位置變化而變化。