一種低氣動慣性的快速響應(yīng)高空兩級渦輪增壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空活塞發(fā)動機渦輪增壓技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，是一種低氣動慣性的快速響應(yīng)高空兩級渦輪增壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行器在高空飛行時，由于海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度減小，空氣中含氧量降低，平均氣溫下降，其結(jié)果是進入發(fā)動機的空氣量減少，發(fā)動機的功率下降，為了恢復(fù)發(fā)動機功率，必須要在航空發(fā)動機上安裝渦輪增壓器，以滿足飛行器高空、長航時和飛行可靠性的要求。
[0003]渦輪增壓器本身不是一種動力源，它是利用發(fā)動機排氣中的剩余能量來工作的。發(fā)動機氣缸排出的廢氣推動渦輪轉(zhuǎn)動，再帶動壓氣機葉輪轉(zhuǎn)動，將經(jīng)空氣濾清器過濾的空氣加壓后送入氣缸，從而使發(fā)動機產(chǎn)生更大的功率，因此渦輪增壓器被廣泛作為動力輔助裝置使用。
[0004]用于航空活塞動力的渦輪增壓器與用于地面活塞動力的增壓器是有很大區(qū)別的，由于高空的空氣密度非常稀薄，在壓氣機端，進入到渦輪增壓器離心壓氣機的空氣總溫、總壓及密度要小得多，要保證發(fā)動機進氣的質(zhì)量流量，則體積流量隨飛行高度增加而迅速增大，因此，航空用渦輪增壓器有著自己獨有的技術(shù)特點，如高空環(huán)境的適應(yīng)性及高安全性、渦輪增壓器性能對高空低雷諾數(shù)的敏感性、渦輪增壓器體積的小型化和重量的輕量化、多級渦輪增壓器的匹配和控制等。另外，由于飛機在起飛、巡航、降落等過程中，增壓器處于不同的工作狀態(tài)，尤其是部分轉(zhuǎn)速狀態(tài)，因而要求航空渦輪增壓器有較高的失速裕度，可以使增壓器在不同流量和高度下穩(wěn)定可靠并高效的工作。其關(guān)鍵指標也具有特殊性，如在不同高度快速機動時的動力系統(tǒng)隨飛機機動能力的綜合指標一高度適應(yīng)系數(shù)，考慮系統(tǒng)安全性的堵轉(zhuǎn)流量、風車阻力系數(shù)等指標。而地面活塞動力增壓技術(shù)多數(shù)是對發(fā)動機性能的強化，很少考慮環(huán)境高度變化對匹配的影響，尤其是3000米以上高空。
[0005]常規(guī)的航空渦輪增壓器通常采用一個渦輪帶動一個壓氣機的單級增壓形式(ITlC)或者兩個渦輪分別帶動兩個壓氣機的串聯(lián)形式(1T1C+1T1C)，前者對飛行器飛行高度的提升十分有限，后者在占用較大體積的同時會顯著增加發(fā)動機的質(zhì)量，不利于高空飛行。
[0006]此外，現(xiàn)有的航空活塞發(fā)動機用增壓器還存在以下問題:
[0007]1.發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下增壓器響應(yīng)慢，導致低轉(zhuǎn)速下加速性能差。
[0008]2.傳統(tǒng)的浮動軸承機械效率低、抗沖擊性差、對高空低雷諾數(shù)的敏感性差。
[0009]3.蝸殼多采用鑄造成型，質(zhì)量大且熱慣性高。
[0010]4.潤滑方式單一，柔性差。
[0011]5.渦輪和壓氣機輪盤腔內(nèi)流場和壓力場不穩(wěn)定，導致增壓器軸向力不穩(wěn)定。
[0012]6.工作在8000米以上高度時，壓氣機效率、總壓比較低，導致發(fā)動機功率恢復(fù)程度不夠，無法滿足高空飛行的要求。
[0013]為了解決或改善以上問題，發(fā)明了一種由一個渦輪同時帶動兩個壓氣機工作的適用于高空環(huán)境的結(jié)構(gòu)緊湊的兩級渦輪增壓器(1T2C)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對上述問題，本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、高可靠性、滿足高空密封要求的1T2C兩級渦輪增壓器。
[0015]本發(fā)明低氣動慣性的快速響應(yīng)高空兩級渦輪增壓器，包括轉(zhuǎn)子總成，以及由前至后安裝在轉(zhuǎn)子總成上的低壓端壓氣機殼合件、前支撐總成、高壓端壓氣機殼合件、后支撐總成和渦輪蝸殼。
[0016]所述轉(zhuǎn)子總成包括渦輪、渦輪軸、低壓壓氣機葉輪和高壓壓氣機葉輪。渦輪、高壓壓氣機葉輪和低壓壓氣機葉輪分別由前至后同軸安裝在渦輪軸上。前支撐總成位于高壓壓氣機葉輪和低壓壓氣機葉輪之間。后支撐總成位于渦輪和高壓壓氣機葉輪之間，內(nèi)部集成有水冷系統(tǒng)與油氣潤滑回路系統(tǒng)。
[0017]渦輪蝸殼采用薄壁不銹鋼材料的低畢渥數(shù)焊接式不等環(huán)量蝸殼，包括流道組件、出口外殼體組件和定位組件。其中，流道組件由上流道殼體、下流道殼體和進口法蘭組成；上流道殼體和下流道殼體焊接為一體，形成蝸殼流道，進口法蘭直接焊接在蝸殼流道的進口端面上。上述流道組件中靠近蝸殼流道進口的位置設(shè)有放氣孔。
[0018]出口外殼體組件由外殼體、放氣閥基體、放氣閥、出口異形法蘭和蝸殼出口殼體構(gòu)成。其中，外殼體側(cè)壁開有放氣閥安裝孔；放氣閥基體作為放氣閥的載體，焊接在放氣閥安裝孔處，用來安裝放氣閥。蝸殼出口殼體為漸變收縮口筒狀結(jié)構(gòu)，截面形狀從圓弧過渡為直線；蝸殼出口殼體焊接在外殼體底部。出口異形法蘭焊接在外殼體頂部。上述出口外殼體組件底部與流道組件焊接成一體。
[0019]定位組件由軸向定位板、徑向定位環(huán)和補氣管構(gòu)成；徑向定位環(huán)預(yù)留有補氣管的定位孔。徑向定位環(huán)外圓柱面預(yù)留有定位槽，定位槽作為軸向定位板和徑向定位環(huán)連接的軸向和徑向定位基準，進而將軸向定位板通過定位槽與徑向定位環(huán)精確定位后，同軸與徑向定位環(huán)焊接成一體；定位組件與流道組件中下流道組件焊接成一體；
[0020]所述高壓端壓氣機殼合件包括高壓壓氣機殼、高壓流形板、壓氣機殼連接板；低壓端壓氣機殼合件包括低壓壓氣機殼和流量調(diào)節(jié)閥閥座；其中，高壓壓氣機殼后端安裝壓氣機殼連接板；壓氣機殼連接板的前側(cè)面周向布置有個消旋葉片，消旋葉片的外弧面搭接在高壓流形板的前側(cè)外弧面上；高壓流形板與高壓壓氣機殼間固定；所述高壓壓氣機殼的流道內(nèi)周向均布有凹槽，分別用于安裝導流葉片；
[0021]低壓端壓氣機殼合件包括流量調(diào)節(jié)閥座、流量調(diào)節(jié)閥機械合件；其中，流量調(diào)節(jié)閥閥座為具有內(nèi)部空腔的環(huán)形結(jié)構(gòu)，套在低壓壓氣機殼的壓氣機進口的外圓柱面上。在低壓壓氣機殼靠近壓氣機進口的外圓柱面上均布有個級間放氣孔；通過級間放氣孔使壓氣機進口與流量調(diào)節(jié)閥閥座的內(nèi)腔聯(lián)通。所述低壓壓氣機殼上有沿其內(nèi)壁的周向均勻布置有擴壓葉片。
[0022]上述高壓壓氣機殼上靠近壓氣機出口的位置沿高壓壓氣機殼軸向設(shè)計有放氣通道A ;低壓壓氣機殼上設(shè)計有與放氣通道A同軸的放氣通道B，使放氣通道A、放氣通道B以及流量調(diào)節(jié)閥閥座的內(nèi)腔聯(lián)通，形成了氣流通道，內(nèi)部安裝有流量調(diào)節(jié)閥機械合件。
[0023]所述流量調(diào)節(jié)閥機械合件包括流量調(diào)節(jié)閥閥體、柱塞、步進電機支架、步進電機；其中，流量調(diào)節(jié)閥閥體通過外螺紋與流量調(diào)節(jié)閥閥座的內(nèi)螺紋連接，柱塞設(shè)置在流量調(diào)節(jié)閥閥體的內(nèi)孔，柱塞與步進電機主軸連接柱塞一端設(shè)有堵蓋；上述步進電機通過步進電機支架與流量調(diào)節(jié)閥閥體相連。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0025](I)本發(fā)明增壓器采用了一個渦輪帶動兩個壓氣機的結(jié)構(gòu)，既滿足了飛行器高空飛行的要求，又減輕了發(fā)動機重量，具有高可靠性，密封性好等特點，實現(xiàn)了增壓系統(tǒng)的高功率密度、小型化和高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，可以滿足高空飛行要求；
[0026](2)本發(fā)明增壓器中1T2C的結(jié)構(gòu)及三點內(nèi)支撐的支撐方式使增壓器的轉(zhuǎn)子較短，降低了整機重量和體積，同時增加了軸的剛性，提高了轉(zhuǎn)子的動力學特性；軸承不妨礙氣體的流動，低壓壓氣機能夠軸向進氣，流阻損失減??；在相同輪廓尺寸的情況下，通過壓氣機的空氣流量增大；
[0027](3)本發(fā)明增壓器中渦輪蝸殼和后支撐總成均摒棄了傳統(tǒng)的鑄造成型，采用薄壁不銹鋼焊接的成型方式，降低了整機質(zhì)量，提高了功率密度；
[0028](4)本發(fā)明增壓器中后支撐總成內(nèi)部設(shè)有輻射噴濺式水冷結(jié)構(gòu)，可對后軸承座進行冷卻，防止后軸承過熱；
[0029](5)本發(fā)明增壓器中渦輪蝸殼為具有較低畢渥數(shù)的低熱慣性蝸殼，與鑄造式厚壁蝸殼相比，薄壁不銹鋼材料的蝸殼具有相對較低的厚度和較高的導熱系數(shù)，這決定了該蝸殼具有相對較低的畢渥數(shù)，因而溫度變化響應(yīng)快，具有較低的溫度遲滯性和熱慣性，同時降低了增壓系統(tǒng)的熱慣性，提高了溫度響應(yīng)速度。
[0030](7)本發(fā)明增壓器中渦輪蝸殼改變傳統(tǒng)的渦輪蝸殼的等環(huán)量氣動設(shè)計為非等環(huán)量設(shè)計，對絕熱等環(huán)量蝸殼的渦輪進口截面進行了修正，降低了渦輪的氣動慣性；
[0031](8)本發(fā)明增壓器中星形輪盤式的渦輪結(jié)構(gòu)，輪盤流道入口處收縮，在降低了渦輪的質(zhì)量和機械慣量，使渦輪的動態(tài)響應(yīng)快，擴大了增壓器對發(fā)動機工作的轉(zhuǎn)速適用范圍；渦輪葉片的壓力面和吸力面布置的小翼，減小了泄露損失，提高了渦輪效率，抑制了吸力面葉背間隙附近渦旋的產(chǎn)生，提高了葉片的實際做功能力；
[0032](9)本發(fā)明增壓器中對于有葉擴壓和管式擴壓的混合擴壓形式，通過調(diào)整有葉擴壓和無葉擴壓的比例，降低了壓氣機氣動慣性；
[0033](10)本發(fā)明增壓器中壓氣機殼后支撐連接板裝有周向均布的消旋葉片，可有效降低壓縮空氣的不平衡動量矩，提高壓氣機效率；
[0034](11)本發(fā)明增壓器中通過共軸背靠背的離心壓氣機級間匹配設(shè)計技術(shù)、壓氣機與渦輪的匹配技術(shù)解決了一級和二級壓氣機共同工作匹配問題，實現(xiàn)負載均衡，在整個工作范圍內(nèi)工作協(xié)調(diào)；
[0035](12)本發(fā)明增壓器中組合式壓氣機殼裝有控制精確、工作可靠的防喘振閥，能夠有效避免渦輪增壓器喘振；
[0036](13)本發(fā)明增壓器中后支撐總成采用了多層薄壁不銹鋼焊接的結(jié)構(gòu)形式，增大了零件間的內(nèi)摩擦，降低了后支撐剛度，使后支撐總成類化為庫倫阻尼器，有效降低了轉(zhuǎn)子對軸承的振動沖擊并控制了轉(zhuǎn)子各截面的位移，保證轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定；
[0037](14)本發(fā)明增壓器中渦輪和渦輪軸的連接方式為異種材料軸向摩擦焊，具有較高的焊接強度且易得到可靠的焊接點；
[0038](15)本發(fā)明增壓器中組合式壓氣機殼降低了成型難度，提高了組合精度，降低了氣動阻力損失；“部分裝配一機加工一整體裝配”的組合式壓殼機加工工藝方法保證了低壓端和高壓端兩個壓殼流道的同軸度，提高了流道圓弧面的組合精度；
[0039](16)本發(fā)明增壓器中前軸承和前軸承座之間裝有徑向阻尼器，可緩解轉(zhuǎn)子的徑向沖擊，且軸承座帶有鎖緊結(jié)構(gòu)，可防止阻尼器脫落；
[0040](17)本發(fā)明增壓器中前支撐總成內(nèi)部設(shè)有可將高壓壓氣機葉輪的盤背腔和低壓壓氣機葉輪的盤背腔連通的流道，可利用高、低壓壓氣機盤背腔內(nèi)的壓差將部分高壓氣體從高壓壓氣機流道引回低壓壓氣機流道，從而在盤腔內(nèi)實現(xiàn)二次空氣循環(huán)，平衡盤