CN105275874A - 单级离心压气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单级离心压气机，包括第一离心压气部、第二离心压气部、回流器以及离心叶轮盘体；第一离心压气部包括依次连接的离心叶轮左侧叶片、第一径向扩压器及轴向扩压器；第二离心压气部包括依次连接的离心叶轮右侧叶片、第二径向扩压器及蜗壳；回流器连接于第一离心压气部与第二离心压气部之间，回流器的进口连接于轴向扩压器的出口，回流器的出口连接于离心叶轮右侧叶片的进口；离心叶轮盘体具有相反的两侧，且其两侧分别设有离心叶轮左侧叶片与离心叶轮右侧叶片，且离心叶轮左侧叶片的径向高度与离心叶轮右侧叶片的径向高度不同。本发明增压比能够达到较大的范围，结构更为紧凑，转子系统轴向长度更短。

Description

单级离心压气机

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，具体而言，涉及一种小流量紧凑型的单级离心压气机。

背景技术

现有单级离心压气机10(参见图1)的特点是小流量，单级增压比高，其增压能力与离心叶轮101出口的切线速度成正比。然而，离心叶轮101出口的切线速度越高，离心叶轮101的叶片承受的强度应力也越大。因此受到材料的限制，现有单级离心压气机10的增压比难以超过12.0:1。如果需要更高的增压比，通常采用双级离心压气机20(参见图2)，通过进口级离心压气机201增压后，再通过回流器203进入出口级离心压气机202，从而实现增压能力的大幅度提升，目前典型的双级离心压气机20例如MTR390和T800型双级离心压气机。

现有单级离心压气机的技术缺点是增压比受到当前材料的限制，当前单级离心压气机的增压比难以超过12.0:1，如果需要更高增压比，则需要采用新的轻质高强度材料。双级离心压气机的增压比可以超过12.0:1，但其技术特点是相对于现有单级离心压气机，由于转子系统由一个转子盘变为两个转子盘，其结构复杂程度大幅度增加，整个压气机的转子系统轴向长度成倍增长，带来较为严重的转子动力学问题，可靠性也会显著降低。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种转子系统轴向长度较短且增压能力较高的单级离心压气机。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种单级离心压气机，包括第一离心压气部、第二离心压气部、回流器以及离心叶轮盘体；所述第一离心压气部包括依次连接的离心叶轮左侧叶片、第一径向扩压器及轴向扩压器；所述第二离心压气部包括依次连接的离心叶轮右侧叶片、第二径向扩压器及蜗壳；所述回流器连接于所述第一离心压气部与所述第二离心压气部之间，所述回流器的进口连接于所述轴向扩压器的出口，所述回流器的出口连接于所述离心叶轮右侧叶片的进口；所述离心叶轮盘体具有相反的两侧，且其两侧分别设有所述离心叶轮左侧叶片与所述离心叶轮右侧叶片，且所述离心叶轮左侧叶片的径向高度与所述离心叶轮右侧叶片的径向高度不同。

根据本发明的其中一个实施方式，所述回流器包括依次连接的回流器转弯段通道、回流器叶片和回流器回转段通道，所述回流器转弯段通道呈弧形且其进口连接于所述轴向扩压器的出口，所述回流器回转段通道呈弧形且其出口连接于所述离心叶轮右侧叶片的进口。

根据本发明的其中一个实施方式，所述蜗壳的出口由所述回流器转弯段通道穿过并伸出。

根据本发明的其中一个实施方式，所述回流器转弯段通道供所述蜗壳的出口穿过的位置，与所述回流器叶片进口之间具有一高度差。

根据本发明的其中一个实施方式，所述高度差为所述回流器叶片径向高度的2～3倍。

根据本发明的其中一个实施方式，所述回流器的进口直径大于其出口直径，即所述回流器转弯段通道的进口直径大于所述回流器回转段通道的出口直径。

根据本发明的其中一个实施方式，所述回流器的通道的截面积，由前至后为先增大后减小的结构。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一径向扩压器、所述轴向扩压器、所述回流器与所述离心叶轮盘体共同界定一个封闭壳体。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一径向扩压器的径向高度与所述第二径向扩压器的径向高度不同。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一离心压气部还包括压气转弯段通道；所述压气转弯段通道呈弧形且连接于所述第一径向扩压器与轴向扩压器之间，即所述压气转弯段通道的进口连接于所述第一径向扩压器的出口，所述压气转弯段通道的出口连接于所述轴向扩压器的进口。

由上述技术方案可知，本发明提出的单级离心压气机的优点和积极效果在于：

本发明提出的单级离心压气机，通过将离心叶轮盘体的两侧分别设置离心叶轮左侧叶片和离心叶轮右侧叶片，相比于现有单级离心压气机，其增压比能够达到较大的范围，且相比于现有双级离心压气机，结构更为紧凑，转子系统轴向长度更短，可显著改善转子动力学特性，提高压气系统的可靠性。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是一种现有单级离心压气机的子午流道图；

图2是一种现有双级离心压气机的子午流道图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种单级离心压气机的子午流道图。

其中，附图标记说明如下：

10.单级离心压气机；101.离心叶轮；20.双级离心压气机；201.进口级离心压气机；202.出口级离心压气机；203.回流器；1.第一离心压气部；11.离心叶轮左侧叶片；12.第一径向扩压器；13.轴向扩压器；14.压气转弯段通道；2.第二离心压气部；21.离心叶轮右侧叶片；22.第二径向扩压器；23.蜗壳；3.回流器；31.回流器转弯段通道；32.回流器叶片；33.回流器回转段通道；4.离心叶轮盘体；41.旋转轴。

具体实施方式

在对本发明的以下描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统或步骤。应当理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“左侧”、“右侧”、“流进”、“流出”、“轴向”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

参阅图3，图3中代表性地示出了能够体现本发明的原理的单级离心压气机的子午流道图。在该示例性实施方式中，本发明提出的单级离心压气机是以航空燃气涡轮发动机为例，即将该单级离心压气机设置在航空燃气涡轮发动机为例进行说明。本领域技术人员容易理解的是，为将该单级离心压气机应用于其他各种设备或系统中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明的原理的范围内。

如图3所示，在本实施方式中，本发明提出的单级离心压气机主要包括第一离心压气部1、第二离心压气部2、回流器3以及离心叶轮盘体4。并且，第一离心压气部1、回流器3以及第二离心压气部2依次连接。需要说明的是，在以下的描述中，是以本领域惯用的方式描述各部分结构的位置关系。举例来说，本领域通常将图3所示的第一离心压气部1相对于第二离心压气部2的位置，描述为第二离心压气部2位于第一离心压气部1的前级或前侧，则在以下的描述中，“前”或“后”的方向性词语即指以离心叶轮(离心叶轮盘体4)的旋转轴41为方向，靠近第一离心压气部1或该单级离心压气机的进口一侧即为“后”，靠近第二离心压气部2或该单级离心压气机的出口一侧即为“前”。又如，在以下描述中，“轴向”即为离心叶轮盘体4的旋转轴41方向，“径向”即为垂直于轴向的离心叶轮盘体4的直径方向。

如图3所示，在本实施方式中，本发明提出的单级离心压气机的离心叶轮盘体4具有相反的两侧，且这两侧分别设有离心叶轮左侧叶片11与离心叶轮右侧叶片21，以分别作为第一离心压气部1与第二离心压气部2的离心叶片。上述离心叶轮盘体4的两侧叶片设计，即所对应的单级离心压气机的第一离心压气部1与第二离心压气部2的设计，能够使压气机获得超高的单级离心增压比，其增压能力相比于现有单级离心压气机大幅提升，且无需采用轻质的高强度材料。另外，在本实施方式中，离心叶轮左侧叶片11的径向高度大于离心叶轮右侧叶片21的径向高度。以有效减少离心叶轮右侧叶片21的高压气体向离心叶轮左侧叶片11的低压气体区域的泄露。但在其他实施方式中，离心叶轮左侧叶片11与离心叶轮右侧叶片21的径向高度亦可为其他关系，例如小于或等于，其中优选离心叶轮左侧叶片11的径向高度与离心叶轮右侧叶片21的径向高度具有一高度差，以进一步避免两侧叶片高度相同时可能出现的低压气体区域的泄露，然而，上述结构设计可根据实际需求灵活选用或删除，并不以此为限。

如图3所示，在本实施方式中，第一离心压气部1包括依次连接的离心叶轮左侧叶片11、第一径向扩压器12及轴向扩压器13。即，离心叶轮左侧叶片11的出口连接于第一径向扩压器12的进口，且第一径向扩压器12的出口连接于轴向扩压器13的进口。

如图3所示，在本实施方式中，第二离心压气部2包括依次连接的离心叶轮右侧叶片21、第二径向扩压器22及蜗壳23。即，离心叶轮右侧叶片21的出口连接于第二径向扩压器22的进口，且第二径向扩压器22的出口连接于蜗壳23的进口。另外，对应于离心叶轮左侧叶片11的径向高度与离心叶轮右侧叶片21的径向高度具有一高度差的结构，第一径向扩压器12的径向高度与第二径向扩压器22的径向高度亦具有一高度差，即在本实施方式中为第一径向扩压器12的径向高度大于第二径向扩压器22的径向高度，以有效减少离心叶轮右侧叶片21的高压气体向离心叶轮左侧叶片11的低压气体区域的泄露。但在其他实施方式中，第一径向扩压器12与第二径向扩压器22的径向高度亦可为其他关系，例如小于或等于，并不以此为限。

如图3所示，在本实施方式中，回流器3连接于第一离心压气部1与第二离心压气部2之间，且回流器3包括依次连接的回流器转弯段通道31、回流器叶片32和回流器回转段通道33。即，回流器转弯段通道31的进口连接于轴向扩压器13的出口，回流器转弯段通道31的出口连接于回流器叶片32的进口，回流器叶片32的出口连接于回流器回转段通道33的进口，回流器回转段通道33的出口连接于离心叶轮右侧叶片21的进口。

需要说明的是，如图3所示，在本实施方式中，回流器转弯段通道31呈弧形，使其进口方向为轴向以连接轴向扩压器13，且出口方向为径向以连接第二径向扩压器22，当然，在本发明的其他实施方式中，回流器转弯段通道31的结构及形状并不唯一，以满足与轴向扩压器13和回流器转弯段通道31连接的要求为宜。

应当注意的是，如图3所示，本领域技术人员应当能够理解，基于上述结构，第一径向扩压器12、轴向扩压器13、回流器3与离心叶轮盘体4共同界定出一个封闭壳体，超高增压气流需要通过蜗壳23进行集气，蜗壳23的出口向前延伸，并由回流器转弯段通道31穿过和伸出，从而使气流由封闭壳体里排出。其中，蜗壳23的出口穿过回流器转弯段通道31的位置与回流器叶片32进口之间具有一高度差，且该高度差优选为回流器叶片32径向高度的2～3倍。然而，在本发明的其他示例性实施方式中，蜗壳23的出口穿过回流器转弯段通道31的位置，即蜗壳23的出口穿过回流器3以伸出该封闭壳体的设置方式并不唯一，上述结构设计通过将蜗壳23的出口伸出位置，设置在回流器3上段的未设置回流器叶片32的通道上，由于通过轴向扩压器13后的整流气体的马赫数低且流场好，蜗壳23在上述位置穿出，其气流损失较小且有利于减少蜗壳23出口通道的扰流影响，为回流器3进口提高较好的进气流场。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的单级离心压气机仅仅是能够采用本发明原理的许多种单级离心压气机中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的单级离心压气机的任何细节或单级离心压气机的任何部件。

例如，并非为了符合本发明的原理，在本实施方式中，第一离心压气部1还包括压气转弯段通道14，该压气转弯段通道14呈弧形且连接于第一径向扩压器12与轴向扩压器13之间，即压气转弯段通道14的进口呈径向以连接于第一径向扩压器12的出口，压气转弯段通道14的出口呈轴向以连接于轴向扩压器13的进口。

然而，并非在本发明的每一个实施方式中，第一离心压气部1都必须设置有上述结构的压气转弯段通道14，上述结构的具体设计方式，可以根据实际需求以及单级离心压气机的具体结构灵活调整。

又如，并非为了符合本发明的原理，在本实施方式中，回流器3的进口直径大于其出口直径，即回流器转弯段通道31的进口直径大于回流器回转段通道33的出口直径。另外，回流器3的通道的截面积，由前至后为先增大后减小的结构。上述结构设计，通过回流器3通道面积的逐渐减小，保证回流器3内不出现流动分离，以降低气流分离损失。

然而，并非在本发明的每一个实施方式中，回流器3都必须设计为上述结构。回流器3的具体设计方式，可以根据实际需求以及单级离心压气机的具体结构灵活调整。

下面结合图3所示，对本发明提出的单级离心压气机的工作原理和工作流程说明如下：

当本发明提出的单级离心压气机工作时，气流进入第一离心压气部1的离心叶轮左侧叶片11进行增压，再流入第一径向扩压器12和轴向扩压器13进行整流。气流由第一离心压气部1增压并整流后，流入回流器3的回流器转弯段通道31中，并回转至回流器叶片32中进行整流和加速，然后通过回流器回转段通道33进入第二离心压气部2的离心叶轮右侧叶片21进行增压。气流由离心叶轮右侧叶片21增压后，由蜗壳23的出口流入下一部件。

本发明提出的单级离心压气机，通过上述结构设计，相比于现有单级离心压气机，能够使压气机获得超高的单级离心增压比，其增压能力相比于现有单级离心压气机大幅提升，且无需采用轻质的高强度材料。例如，在上述实施方式中，离心叶轮左侧叶片11的增压比为3.0～8.0:1，离心叶轮右侧叶片21的增压比为2.0～4.0:1，因此，本发明提出的单级离心压气机的增压比在上述实施方式中可以达到6.0～32.0:1。同时，相比于现有双级离心压气机，其向长度缩短50％左右，结构紧凑，可显著改善转子动力学特性，可靠性高。

以上详细地描述和/或图示了示例性实施例。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种单级离心压气机，包括：

第一离心压气部(1)，包括依次连接的离心叶轮左侧叶片(11)、第一径向扩压器(12)及轴向扩压器(13)；

第二离心压气部(2)，包括依次连接的离心叶轮右侧叶片(21)、第二径向扩压器(22)及蜗壳(23)；

回流器(3)，连接于所述第一离心压气部(1)与所述第二离心压气部(2)之间，所述回流器(3)的进口连接于所述轴向扩压器(13)的出口，所述回流器(3)的出口连接于所述离心叶轮右侧叶片(21)的进口；以及

离心叶轮盘体(4)，具有相反的两侧，且其两侧分别设有所述离心叶轮左侧叶片(11)与所述离心叶轮右侧叶片(21)，且所述离心叶轮左侧叶片(11)的径向高度与所述离心叶轮右侧叶片(21)的径向高度不同。

2.根据权利要求1所述的单级离心压气机，其特征在于，所述回流器(3)包括依次连接的回流器转弯段通道(31)、回流器叶片(32)和回流器回转段通道(33)，所述回流器转弯段通道(31)呈弧形且其进口连接于所述轴向扩压器(13)的出口，所述回流器回转段通道(33)呈弧形且其出口连接于所述离心叶轮右侧叶片(21)的进口。

3.根据权利要求2所述的单级离心压气机，其特征在于，所述蜗壳(23)的出口由所述回流器转弯段通道(31)穿过并伸出。

4.根据权利要求3所述的单级离心压气机，其特征在于，所述回流器转弯段通道(31)供所述蜗壳(23)的出口穿过的位置，与所述回流器叶片(32)进口之间具有一高度差。

5.根据权利要求4所述的单级离心压气机，其特征在于，所述高度差为所述回流器叶片(32)径向高度的2～3倍。

6.根据权利要求2所述的单级离心压气机，其特征在于，所述回流器(3)的进口直径大于其出口直径，即所述回流器转弯段通道(31)的进口直径大于所述回流器回转段通道(33)的出口直径。

7.根据权利要求2所述的单级离心压气机，其特征在于，所述回流器(3)的通道的截面积，由前至后为先增大后减小的结构。

8.根据权利要求2所述的单级离心压气机，其特征在于，所述第一径向扩压器(12)、所述轴向扩压器(13)、所述回流器(3)与所述离心叶轮盘体(4)共同界定一个封闭壳体。

9.根据权利要求1所述的单级离心压气机，其特征在于，所述第一径向扩压器(12)的径向高度与所述第二径向扩压器(22)的径向高度不同。

10.根据权利要求1所述的单级离心压气机，其特征在于，所述第一离心压气部(1)还包括：

压气转弯段通道(14)，呈弧形且连接于所述第一径向扩压器(12)与轴向扩压器(13)之间，即所述压气转弯段通道(14)的进口连接于所述第一径向扩压器(12)的出口，所述压气转弯段通道(14)的出口连接于所述轴向扩压器(13)的进口。