CN103742450B - 一种具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，属于中小形航空发动机压气机技术领域，其关键在于扩压器由沿周向均布的一系列具有马蹄形扩压通道的叶片构成，相邻的两个扩压器通道相贯，在轮盖侧形成燕尾形进口前缘。该发明可直接用于中小型航空发动机高压比离心压气机，能够在不增加压气机扩压器加工制造成本的前提下大幅度提高离心压气机的效率和稳定工作裕度。

Description

一种具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器

技术领域

本发明涉及一种具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，能够在不增加扩压器加工难度和制造成本的前提下大幅度提高离心压气机的效率和稳定工作裕度，特别适用于中小型航空发动机高压比离心压气机。

背景技术

压气机是发动机研制过程中最关键、难度最高的技术之一，由于具有工作范围宽广，零件少、可靠性高和抗外物撞击能力强等一系列优势，高压比离心压气机在中小型航空发动机中得到了广泛的应用。然而离心压气机压比的提高使得离心叶轮出口气流速度高且很不均匀，再加上离心叶轮出口宽度很小，扩压器入口与离心叶轮出口较近，两者之间存在强烈的非定常相互作用；航空发动机对高推重比/功重比的追求使得压气机的压比越来越高，导致径向扩压器进口马赫数增加，甚至出现超音，进一步恶化叶轮与扩压器之间的匹配，大大降低了离心压气机的效率和稳定工作范围，导致紧凑高效的扩压器的设计非常具有挑战性，成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。

管式扩压器是由沿周向均布的一系列扩压管道构成，相邻的两个管式扩压器通道在进口部分相贯，在扩压器进口轮盘和轮盖侧形成燕尾形前缘，相比于传统的叶片式扩压器，管式扩压器燕尾形前缘对于高马赫数的气流适应性较好，能够有效提高高压比离心的效率和稳定工作裕度，十分适合高压比离心压气机。然而管式扩压器存在加工难度大、成本高，同时加工精度难于保证等问题，因此，亟需一种能够兼顾扩压器气动性能和加工成本的新形扩压器结构布局。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、既实现离心压气机效率和稳定工作裕度提升，又能保证扩压器加工成本基本不变的新型扩压器结构。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有马蹄形扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，包括扩压器轮盘、扩压器轮盖及内置若干扩压器叶片，适用于高压比离心压气机，其特征在于，所述扩压器叶片沿周向均布在扩压器轮盖和扩压器轮盘之间，包括轴向扩压器叶片和径向扩压器叶片，其中，所述径向扩压器叶片的底部形成在所述扩压器轮盖的内壁上，其顶部与所述扩压器轮盘的内壁相抵触，且所述径向扩压器叶片与扩压器轮盖的内壁之间采用圆角光滑过渡，所述圆角半径R为相邻两径向扩压器叶片间距b的1/3～1/2，相邻两径向扩压器叶片与所述扩压器轮盘内壁、扩压器轮盖内壁形成一封闭的横截面形状基本呈“U”形的马蹄形扩压通道，各所述马蹄形扩压通道在所述扩压器的气流进口部分相贯，各所述径向扩压器叶片在所述扩压器轮盖侧形成燕尾形进口前缘，且各径向扩压器叶片均在其前缘部分与所述扩压器轮盖的轮缘相切。优选地，各所述径向扩压器叶片由其主体部分向前缘部分延伸并逐渐减薄，从而在所述扩压器轮盖的进口侧形成燕尾形前缘。

优选地，所述扩压器轮盖和扩压器轮盘均包括径向部分和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，且二者之间光滑过渡连接，所述扩压器轮盖的径向部分、扩压器轮盘的径向部分与径向扩压器叶片构成径向扩压器，所述扩压器轮盖的轴向部分、扩压器轮盘的轴向部分与轴向扩压器叶片构成轴向扩压器。

进一步地，所述扩压器设置在离心压气机的气流出口部分，且径向扩压器进口直径R3与离心叶轮出口直径R2之比为1.03～1.08。

本发明的具有马蹄形扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，在扩压器进口轮盖侧形成燕尾形进口前缘几何形状，在扩压器入口轮盘侧及扩压器出口形成类似于叶片式扩压器通道。

进一步地，所述扩压器轮盖、径向扩压器叶片和轴向扩压器叶片组成一整体盘，利用机床在整体盘上分别铣制出楔形或者机翼形径向扩压器叶片和/或轴向扩压器叶片。

本发明所述扩压器轮盘内壁、扩压器轮盖内壁以及扩压器叶片构成了若干具有马蹄形的扩压通道，扩压器叶片与扩压器轮盖之间采用倒角或圆角光滑过渡，且所述马蹄形通道倒角或圆角半径R为扩压器通道宽度b的1/3～1/2。

进一步地，所述马蹄形扩压通道的横截面积可以通过变化扩压器宽度b和高度H获得，从而调整扩压器进出口面积比。

进一步地，本发明所述径向扩压器叶片为楔形或者机翼形，所述径向扩压器径向扩张角θ为5～10°，扩压器喉部长度L与扩压器喉部宽度之比为1/3～1/2，且所述扩压器数目为17～29。

与传统的叶片式扩压器相比，本发明的具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，其轮盖进口侧燕尾形进口前缘对于高马赫数的气流适应性较好，能够有效提高高压比离心的效率和稳定工作裕度；而与管式扩压器相比，本发明的具有马蹄形通道的叶片式扩压器可以采用传统叶片式扩压器的加工工艺，避免了管式扩压器存在的加工难度大、成本高，同时加工精度难于保证等问题。

附图说明

图1为本发明的具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器三维示意图。

图2为本发明扩压器马蹄形扩压通道示意图。

图3为带具有马蹄形通道的叶片式扩压器的离心压气机子午流道图。

标号说明：轴向扩压器叶片1、扩压器轮盖2、扩压器轮盘3、径向扩压器叶片4、马蹄形扩压通道5，燕尾形前缘6，扩压器联接螺栓7，离心压气机叶轮8，离心压气机旋转轴9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，包括包括扩压器轮盘3、扩压器轮盖2及内置若干扩压器叶片，适用于高压比离心压气机。所述扩压器轮盖2和扩压器轮盘3均包括径向部分和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，且二者之间光滑过渡连接，所述扩压器轮盖2的径向部分、扩压器轮盘3的径向部分与径向扩压器叶片4构成径向扩压器，所述扩压器轮盖2的轴向部分、扩压器轮盘3的轴向部分与轴向扩压器叶片1构成轴向扩压器。其中扩压器轮盖2、径向扩压器叶片4和轴向扩压器叶片1组成一整体盘，利用机床在整体盘上分别铣制出楔形或者机翼型径向扩压器叶片4和轴向扩压器叶片1，铣制过程中径向扩压器叶片4与扩压器轮盖2之间采用倒角或圆角光滑过渡，形成17～29个具有横截面呈大写字母“U”字形的马蹄形扩压通道，并保证“U”形扩压通道倒角或圆角半径R为扩压器通道宽度b（即相邻两径向扩压器叶片4的间距）的1/3～1/2，“，并使得相邻的两个U形通道相贯，在扩压器轮盖侧形成燕尾形进口前缘6，各径向扩压器叶片4由其主体部分向前缘部分逐渐减薄延伸，从而在扩压器轮盖2的进口侧形成燕尾形进口前缘，且各径向扩压器叶片4均在其前缘部分与所述扩压器轮盖的轮缘相切，最后利用扩压器联接螺栓7将扩压器轮盘3和由扩压器轮盖2和径向扩压器叶片4、轴向扩压器叶片1组成的整体盘联接在一起，形成具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，通过变化扩压器宽度b和高度H改变马蹄形扩压通道的横截面积，从而改变扩压器进出口面积比。另外，在扩压器设计和加工过程中，需要保证扩压器进口直径R3与离心叶轮出口直径R2之比为1.03～1.08，扩压器喉部长度L与扩压器喉部宽度之比为1/3～1/2。

如图3示出了本发明的具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器应用于高压比离心压气机的实例。扩压器设置在离心压气机的气流出口部分。工作时，离心叶轮8绕着压气机旋转轴9旋转，对离心压气机进口气流进行增压，然后通过由扩压器轮盖2、扩压器轮盘3、径向扩压器叶片4组成的具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器对气流进行整流，最后经过轴向扩压器叶片1对气流进行消旋后进入燃烧室。由于离心压气机压比较高，导致扩压器进口Ma较高，同时由于间隙泄漏流与轮盖附近附面层的相互作用使得离心叶轮出口出现经典的射流/尾迹区，具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器进口轮盖侧燕尾形前缘正好对这种来流条件具有较好的适应性，能够提高离心压气机的效率和稳定工作裕度。

综上所述，本发明具有马蹄形扩压通道的叶片式扩压器，可直接用于中小型航空燃气涡轮发动机离心压气机，能够在不增加离心压气机扩压器加工制造成本的前提下提高扩压器性能，大幅度提高离心压气机的效率和稳定工作裕度。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，包括扩压器轮盘、扩压器轮盖及内置若干扩压器叶片，适用于高压比离心压气机，其特征在于，所述扩压器叶片沿周向均布在扩压器轮盖和扩压器轮盘之间，包括轴向扩压器叶片和径向扩压器叶片，其中，所述径向扩压器叶片的底部形成在所述扩压器轮盖的内壁上，其顶部与所述扩压器轮盘的内壁相抵触，且所述径向扩压器叶片与扩压器轮盖的内壁之间采用圆角光滑过渡，所述圆角半径R为相邻两径向扩压器叶片间距b的1/3～1/2，相邻两径向扩压器叶片与所述扩压器轮盘内壁、扩压器轮盖内壁形成一封闭的横截面形状基本呈“U”形的马蹄型扩压通道，各所述马蹄型扩压通道在所述扩压器的进口部分相贯，各所述径向扩压器叶片在所述扩压器轮盖的进口侧形成燕尾型前缘，且各径向扩压器叶片均在其前缘部分与所述扩压器轮盖的轮缘相切。

2.根据权利要求1所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述扩压器轮盖和扩压器轮盘均包括径向部分和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，且二者之间光滑过渡连接，所述扩压器轮盖的径向部分、扩压器轮盘的径向部分与径向扩压器叶片构成径向扩压器，所述扩压器轮盖的轴向部分、扩压器轮盘的轴向部分与轴向扩压器叶片构成轴向扩压器。

3.根据权利要求2所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述扩压器设置在离心叶轮出口部分，且所述径向扩压器进口直径与离心叶轮出口直径之比为1.03～1.08。

4.根据权利要求2所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述马蹄型扩压通道的横截面积可以通过变化扩压器宽度和高度获得，从而调整扩压器进出口面积比。

5.根据权利要求4所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述径向扩压器的叶片的横截面为楔形或者机翼型，所述径向扩压器径向扩张角θ为5～10°，扩压器喉部长度L与扩压器喉部宽度之比为1/3～1/2。

6.根据权利要求1至5任一项所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述径向扩压器叶片的数目为17～29。

7.根据权利要求1至5任一项所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：所述扩压器轮盖、径向扩压器叶片和轴向扩压器叶片组成一整体盘，利用机床在整体盘上分别铣制出楔形或者机翼型径向扩压器叶片和/或轴向扩压器叶片。

8.根据权利要求1至5任一项所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：利用扩压器联接螺栓将扩压器轮盘和由扩压器轮盖和扩压器叶片组成的整体盘联接在一起。

9.根据权利要求1至5任一项所述的具有马蹄型扩压通道的离心压气机叶片式扩压器，其特征是：各所述径向扩压器叶片由其主体部分向前缘部分延伸并逐渐减薄，从而在所述扩压器轮盖的进口侧形成燕尾型前缘。