CN103562557A - 离心式压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心式压缩机领域，更具体说是涉及离心式压缩机（3）的叶轮（201），该叶轮包括连接板（202）和固定到该连接板（202）的前表面（203）上的叶片（205），所述后边缘（207）与叶片根部（215）之间的交叉点比在所述叶轮（201）的一中间直径（D）处的叶片根部（215）更向前所述连接板（202）的厚度的至少一半，所述后边缘（207）与所述叶片尖端（216）之间的交叉点比所述叶轮（201）的一中间直径（D_i）处的叶片尖端（216）还更向前。

Description

离心式压缩机叶轮

技术领域

本发明涉及一种离心式压缩机的领域。

背景技术

本发明更具体地涉及离心式压缩机叶轮，其具有连接板和固定到该连接板的前表面上的叶片，每个叶片均具有前边缘和后边缘，本发明还涉及一种包括此种叶轮的离心式压缩机，以及包括此种离心式压缩机的涡轮引擎。在本文中，术语“涡轮引擎”表示的机器例如：直流或旁路涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴引擎和/或涡轮压缩机。

在下面的描述中，术语“上游”和“下游”是相对于穿过压缩机的流体的正常流向而限定的。术语“前”、“后”、“轴向”和“径向”是相对于叶轮的旋转轴而限定的。

通常，一离心式压缩机具有固定部分和旋转部分，该旋转部分指“叶轮”，并承载该压缩机的旋转的叶片。在运转中，该叶轮通常以高速旋转。因此，其承受离心应力。

离心式压缩机叶轮的形状通过穿过压缩机的流体的流动而确定。通常，在此种离心式压缩机中，该流体以大致轴向方向，即平行于该叶轮旋转轴的方向进入到压缩机中。流动通道与旋转叶片沿径向向外引导流体的方式使得流体以大致垂直于该叶轮旋转轴的方向离开该叶轮。因此，叶片的前边缘大致是径向的，其后边缘大致是轴向的，沿径向方向远离该叶轮的旋转轴，并沿轴向位于前边缘的后面。

所述连接板将旋转的叶片固定在一起，并将它们固定到压缩机的轴上。为此，各叶片均固定到该连接板上，并位于该连接板的前表面上。该连接板还用于限定穿过该叶轮的流体流动通道的底面。因此，该连接板通常是轴对称的，并沿轴向逐渐向外弯曲。由于该连接板及具有此形状的叶片，离心加速在叶轮上产生一倾向于向前弯曲叶轮的边缘的弯矩。此弯矩从叶轮的边缘朝向连接板与压缩机的轴之间的连接部持续增加，使得在压缩机在中速运转时有必要保持大量间隙，从而大大不利于机器的性能。为了抵抗此力矩，通常提出加强该连接板的方案以及将叶轮紧固到旋转轴上的装置。然而，以此方式加强压缩机的叶轮的旋转部分导致很大的重量上的不利，因为接近气流通道所增加的重量还要求叶轮的体积增加。

为了克服该缺点，美国专利No.4060337提出去除大部分叶轮连接板，仅在底部和周边连接叶片。然而，压缩机会由于从各叶片的压力侧向吸力侧的流动而造成其叶轮的空气动力学性能出现较大下降。

在英国专利申请GB2472621A中，提出将叶轮与旋转轴经两个具有轴向偏移的轮辋相连，以限制叶轮上的材料仅出现在其功能区域的方案。美国专利申请US2010/0098546A1建议将叶轮的连接板制成在其边缘是中空的，以限制和优化定位叶轮的边缘重量，从而使压缩机可被优化。然而，上两种方法所能获得的重量减少由于制造最终单件零件的困难性而并不有利。

德国专利DE906975提出一种叶轮，其中连接板在其周边比在叶轮的中间直径处沿轴向进一步向前。然而，该连接板还要求一加强盘紧固到叶片末端，以限制叶轮周边沿轴向的变形，其恐怕很难适合于现有的压缩机或航空发动机，其中限制重量是首要优先的。美国专利申请US2007/0077147A1和英国专利GB553747显示其他叶轮，它们具有在周边改进的连接板，但它们并非提出以解决在高速时叶轮沿轴向变形的问题。

发明内容

本发明设法克服上述缺点。在第一方面，后边缘与叶片根部之间的交叉点比在叶轮的中间直径处的叶片根部更向前。特别是，其可更向前所述连接板的厚度的至少一半。另外，后边缘与叶片尖端之间的交叉点还比叶轮中间直径处的叶片尖端更向前。以此方式，在叶轮边缘处的弯矩被颠倒，其最大绝对值变得较小，从而限制叶轮沿轴向的变形，同时保持良好的空气动力学功效。

在第二方面，在叶轮的边缘处，前表面沿大致径向的方向取向。这用于使叶轮出口处的流体的流动成一直线，从而使得可使用该叶轮下游的传统的径向扩散器。

在第三方面，该叶轮还包括一轮缘，该轮缘与连接板的后表面相连，并适于紧固到旋转轴上。特别是，该轮缘可包括径向紧固件盘。这使得叶轮可固定到压缩机的旋转轴上，其方式是有效，在重量上是紧凑轻便的。

在第四方面，该离心压缩机还具有盖，该盖覆盖叶片，以与连接板配合，来限定叶片的前边缘与后边缘之间的流体流动通路。这样，该离心式压缩机的空气动力学损失可以此方式通过限制从各叶片的压力侧至吸力侧的流体溢流而大大减小。特别是，该盖还可包括比叶轮的叶片的前边缘更靠近叶轮的叶片的后边缘的至少一个紧固件点。由于在高速时叶轮径向周边的轴向移动可通过沿由该连接板的前表面形成的曲线的轴向的非-双射（non-bijection）而被限制，该盖的轴向紧固可更靠近叶轮的周边，这样使得可限制盖与在中速时叶轮周边处的叶轮的叶片之间的间隙，从而增加空气动力学功效。或者，该盖可紧固到叶片上，以形成一封闭的叶轮。

附图说明

通过阅读以下作为非限定性例子的实施例的详细描述，本发明可被更好地理解，其优点将更好地呈现。该描述参照附图，其中：

图1为包括离心式压缩机的涡轮引擎的纵向截面图；

图2为用于现有技术离心式压缩机的叶轮的纵向截面图；

图3为本发明的第一实施例中一离心式压缩机的纵向截面图；

图4为本发明的第二实施例中用于一离心式压缩机的叶轮的纵向截面图。

具体实施方式

一涡轮引擎，更具体说一涡轮轴引擎1显示于图1中。沿工作流体的流动方向，该涡轮轴引擎1包括：轴向压缩机2；离心式压缩机3；燃烧室4；第一轴向涡轮5；和第二轴向涡轮6。另外，该涡轮轴引擎1具有第一旋转轴7和与第一旋转轴7同轴的第二旋转轴8。

第二旋转轴8将轴向压缩机2和离心式压缩机3与第一轴向涡轮5相连，以使通过燃烧室4下游的第一轴向涡轮5的工作流体的膨胀用于驱动燃烧室4上游的压缩机2和3。第一旋转轴7将第二轴向涡轮6与位于引擎下游和/或上游的动力输出口9相连，其方式使得第一轴向涡轮5下游的第二轴向涡轮6中的工作流体的随后的膨胀用于驱动动力输出口9。

这样，在轴向的和离心的压缩机2和3中的工作流体的连续压缩，随后该工作流体在燃烧室4中被加热，随后其在第二轴向涡轮6中膨胀，用于将在燃烧室4中燃烧所获得的热能的一部分转换为经动力输出口9引出的机械功。在所示的涡轮引擎中，驱动流体是空气，结合加于其中的燃料，在燃烧室4中燃烧，该燃料可以是例如碳氢化合物。

在运转中，旋转轴7和8在大约5000-6000转/分的速度下旋转。压缩机2和3以及涡轮5和6的旋转部分因此受到高水平的离心力。参见图2，可以看到，这些离心力作用在本领域技术人员已知的传统的离心式压缩机的叶轮101上。叶轮101具有大致轴对称的连接板102，该连接板具有前表面103和后表面104。叶片105通过叶片根部115固定到该连接板102的前表面103上。每个叶片105还具有远离叶片根部115的叶片尖端116、大致沿径向的前边缘106和大致沿轴向，并位于前边缘106径向外侧和轴向后部的后边缘107。在运转中，工作流体被吸入叶轮101的前部108，并由叶片105朝向叶轮101的边缘109沿着一流体流动通道引导，该流体流动通道由连接板102在内侧限定，由接近叶片尖端116的该离心式压缩机的一非旋转盖110在外侧限定。

连接板102在其后表面上固定到一轮缘111，该轮缘具有用于紧固到旋转轴上的盘。这样，该轮缘111和该盘限定一用于将径向力从叶轮101向旋转轴传递的平面A。由于叶轮101的高速旋转，施加到叶轮101上的离心力具有这些径向力的主要部分。然而，由于离心力F_C与旋转角速度ω的平方与距叶轮101的旋转轴X的距离的乘积成比例，应用公式ω²r，施加在叶轮101的边缘109的离心力占主导。这样，在所示的传统叶轮101中，作用在叶轮101的边缘109上的离心力F_C在叶轮101中产生一倾向于使叶轮101的边缘109向前倾斜的弯矩M_F。此弯矩M_F从叶轮101的边缘109至连接板102与轮缘111之间的连接部持续增加。为了限制叶轮101的弯曲，连接板102、轮缘111和盘需要被加强，从而导致叶轮101的整体重量的显著增加。另外，为了容纳在叶轮101的边缘109处的向前移动，通常需要在叶片尖端105b与盖110之间的叶轮101的边缘处设置大量的间隙d_p，同时以低于全速的速度运转，这导致高水平的空气动力学损失，或甚至需要设置盖110的相当复杂的紧固件结构，以使盖110在压缩机速度增加的情况下向前移动。

图3显示本发明的第一实施例中的具有叶轮201的离心式压缩机。此叶轮201同样具有大致轴对称的连接板202，该连接板具有前表面203和后表面204。在图2中所示的叶轮中，叶片205通过叶片根部215固定到连接板202的前表面203上，各叶片还具有远离叶片根部215的叶片尖端216、大致径向的前边缘206和大致轴向的，位于前边缘206径向外侧和轴向后部的后边缘207。围绕叶轮201的边缘，压缩机3具有常规的带有引导叶片213的径向扩散器212。在运转中，工作流体被吸入叶轮201的前部208，并由叶片205沿着在连接板202的内侧和非旋转盖210的外侧上限定的流体流动通道朝向该叶轮201的边缘209引导，以到达径向扩散器212。

在连接板202的后表面上，该连接板还固定到一轮缘211上，该轮缘具有用于紧固到旋转轴上的盘。然而，在此叶轮201中，连接板202是弯曲的，以使连接板202的一周边段从一中间直径D_i向前倾斜，从而具有凹的前表面203。其结果是，在叶轮201的边缘209处，此前表面203相对于该中间直径D_i向前移动距离L。此距离L是实质性的，特别是其大于叶轮201的边缘209处的连接板202的厚度d的一半。因此，在一向前-面对的周边段202c上，离心力F_C产生一弯矩M_F，该弯矩会使周边段202c不向前弯曲，而是向相反方向，即向后弯曲。此弯矩M_F的大小从边缘209至中间直径D_i增加，在中间直径D_i处达到局部最大值。其后，它减小，减小的程度使得该弯矩M_F的方向颠倒。这样，由于该弯矩M_F从边缘209至连接板202与轮缘211的连接部并不连续增加，其达到的水平大大小于在现有技术中的叶轮101中，从而使得所使用的轮缘211和紧固件盘重量更轻。另外，由于叶轮201的边缘209的轴向移动较小，在叶轮201边缘处叶片205的尖端与盖210之间的间隙d_p也可制成较小，盖210可以比较刚性的方式固定到比盖210的前部和前边缘206更靠近盖210的后部和后边缘207的紧固件点214上。

一额外的优点在于叶轮201的较小的轴向尺寸，特别是在叶轮201的前部的工作流体的入口与叶轮201的边缘209处的其出口之间的较小轴向距离。特别是，在例如图1中所示的涡轮轴引擎1的涡轮引擎中，这使得可较大程度地向前移动压缩机的下游元件，即在所示的实施例中，例如燃烧室4和第一、第二轴向涡轮5、6这样的热部分可向前移动，从而减小该涡轮引擎的整体轴向尺寸。

在图3中所示的实施例中，连接板202的周边段202c的外边缘是弯曲的，以沿径向改变连接板202的前表面203的方向，从而确保流体流动通道返回到一径向方向，使得可使用所示的常规的径向扩散器212。然而，在图4中所示的可选实施例中，其中各等同元件被赋予与图3中相同的附图标记，流体流动通道并未带回到径向方向，从而使得更易于制造该叶轮，即使叶轮下游的扩散器需要修改以匹配。

具有图3和4中所示种类的叶轮201的离心式压缩机可用于，在其他用途中，例如图1中所示涡轮轴引擎1的涡轮引擎中，然而其还可用于直流或旁路涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴引擎和/或涡轮压缩机中。由于其较小的重量，在航空应用领域中很有利，例如推进固定翼和/或旋转轴飞机，具有或不具有飞行员，无论它们空气轻或比空气重。然而，也可设想其他本领域技术人员已知的非航空应用，例如，推进陆地和/或水面船只，包括气垫船，发电、泵站和/或其他工业应用。这样的离心式压缩机可构成压缩系统的仅一级或包括可以是轴向的、离心式的或轴向离心混合的级，即具有至少一个离心级和一轴向或混合的级的多级压缩系统的一级或多级。

尽管本发明是参照特定实施例进行描述的，但很清楚，在不超过如权利要求书所限定的本发明的一般范围的情况下，那些实施例可进行各种修改和改变。特别是，所示不同实施例的单独特征可合并于另外的实施例中。因此，本说明书和附图应以说明性的而非限定性的意义去考虑。

Claims (9)

1.一种用于离心式压缩机（3）的叶轮（201），该叶轮包括连接板（202）和固定到该连接板（202）的前表面（203）上的叶片（205），各叶片具有叶片根部（215）、叶片尖端（216）、前边缘（206）和后边缘（207），其特征在于，所述后边缘（207）与叶片根部（215）之间的交叉点比在所述叶轮（201）的一中间直径（D_i）处的叶片根部（215）更向前所述连接板（202）的厚度的至少一半，所述后边缘（207）与所述叶片尖端（216）之间的交叉点比所述叶轮（201）的一中间直径（D_i）处的叶片尖端（216）还更向前。

2.根据权利要求1所述的用于离心式压缩机（3）的叶轮（201），其中所述叶片根部（215）在所述叶轮（201）的边缘（209）处沿大致径向的方向取向。

3.根据权利要求1或2所述的用于离心式压缩机（3）的叶轮（201），进一步包括一轮缘（211），该轮缘与所述连接板（202）的后表面（204）相连，并适于紧固到一旋转轴上。

4.根据权利要求3所述的用于离心式压缩机（3）的叶轮（201），其中该轮缘（211）包括一径向紧固件盘。

5.一种离心式压缩机（3），其包括根据权利要求1-4中任何一项所述的叶轮（201）。

6.根据权利要求5所述的离心式压缩机（3），还包括盖（210），该盖覆盖所述叶片（205），以与所述连接板（202）配合，来限定所述叶片（205）的前边缘（206）与后边缘（207）之间的流体流动通道。

7.根据权利要求6所述的离心式压缩机（3），其中所述盖（210）包括比所述叶轮（201）的叶片（205）的前边缘（206）更靠近所述叶轮（201）的叶片（205）的后边缘（207）的至少一个紧固件点（214）。

8.根据权利要求6所述的离心式压缩机（3），其中所述盖紧固到所述叶片（205）上。

9.一种涡轮引擎，其包括根据权利要求5-8中任何一项所述的离心式压缩机（3）。

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