CN105298911A - 空心离心叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空心离心叶轮。本发明将所述离心叶轮分割成n个分割体；分割的分割面均垂直于所述离心叶轮的轴线；各分割体根据其处于离心叶轮不同部位的工况条件确定使用的材料，所述离心叶轮内部开有空腔，所述空腔位于经过测量的常规的单金属实心叶轮应力较低的区域；所述n个分割体的n≧2。本发明与常规的单金属实心叶轮相比可有效减轻叶轮重量，降低叶轮应力，延长叶轮寿命，大幅减小离心叶轮出口的轴向位移，从而利于叶尖间隙设计，提高经济性和实际应用性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，更具体地，涉及一种空心离心叶轮。
背景技术
如图1所示，现有技术采用单金属实心轮盘结构，随着转速的提高或叶轮半径的增大，叶轮承受的离心载荷增大，此时轮盘需要增加更多材料来承担载荷，由此增加了叶轮的重量，有时无论怎样增大轮盘也无法满足要求，无法实现用于中小型航空发动机或其他燃气涡轮发动机中的离心叶轮关于重量轻、寿命长的目标。
为解决上述问题，本申请人在公开号为CN103967837A的专利申请中公开了一种航空发动机的压气机离心叶轮，提出将离心叶轮分割成两个部分，形成双路承力结构，使承载力路线分散成两路，从而提高离心叶轮的承载能力；通过在两个部分围合形成的内空腔减轻结构自重，减少材料用量，最终减轻离心叶轮的重量。
上述技术方案虽然一定程度上解决了叶轮应力较高或重量偏重，但是效果毕竟有限，材料的利用有效性有待进一步提高。大量研究对比试验分析，虽有结构上的良好改进，但是上述技术方案沿袭了现有技术的技术定势，都是采用单一的金属材料，无法同时根据周边环境特点兼顾重量、抗外物损伤、耐高温、价格等因素。目前未见结合叶轮的工况所提出的能保障离心叶轮重量轻、材料利用率高、耐用、易制造的应用要求的技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中离心叶轮重量大、材料有效利用率低的不足，本发明提供一种结构和材料双重优化的空心离心叶轮，该空心离心叶轮重量轻、材料利用率高、寿命长、制造工艺简单。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
本发明打破现有技术的局限，创造性地结合离心叶轮的结构进一步地优化设计和材料的优化使用技术方案，实现一种根据周边环境特点兼顾重量、抗外物损伤、耐高温、价格等因素的技术解决方案。
具体地，本发明提供一种空心离心叶轮，将所述离心叶轮分割成n个分割体；分割的分割面均垂直于所述离心叶轮的轴线；各分割体根据其处于离心叶轮不同部位的工况条件确定使用的材料，所述离心叶轮内部开有空腔，所述空腔位于经过测量的叶轮应力较低的区域，所述空腔挖去的重量为整个离心叶轮重量较常规的单金属实心叶轮减轻了10%~35%；所述n个分割体的n≧2。
离心叶轮不仅有减轻重量的要求，同时有强度的要求，而在实际应用中，更有制造工艺和成本的要求。随着转速的提高或叶轮半径的增大，叶轮承受的离心载荷增大，此时轮盘需要增加更多材料来承担载荷，由此增加了叶轮的重量，有时无论怎样增大轮盘也无法满足强度要求。现有技术笼统地将离心叶轮分割为两个部分分散承载力以满足强度要求，经两个部分围合形成空腔减轻重量。但是本发明人进一步针对性地研究总结，离心叶轮的轮盘并不是所有部位应力度很高，见附图2所示，附图2是某离心叶轮应力分布图，从该图可看出，轮盘并不是所有部位应力度很高，内部有些部位的应力相对较小，材料的利用率不高，结构效率较低。同时，离心叶轮处于进气端的部位更容易被被沙粒打伤，可选用能抗沙粒打伤的材料，远离进气端的一侧的部位被沙粒打伤的概率很小，可以采用重量更轻一些、价格更便宜的材料。当离心叶轮靠近燃烧室时，靠近燃烧室的部分工作温度较高，希望材料能耐高温，但远离燃烧室的一侧工作温度较低，可以采用对耐高温要求不那么高、重量更轻一些、价格更便宜的材料。
如果笼统地采用单一的金属材料，即使将离心叶轮分割成2个部分分散承载力，但仍然存在很多情况下叶轮应力与结构不适配、应力与材料不适配、重量偏重、不能尽量高效地利用材料的技术缺陷。
本发明将离心叶轮分割成多个分割体，并设置分割面均垂直于所述离心叶轮的轴线，大大提高离心叶轮的承载能力。同时将空腔设置于低应力区，可以设置各分割体在低应力区围合形成空腔，也可以设置分割体后在叶轮的低应力区挖空形成空腔，实现减轻重量和保证强度的双重技术效果。再进一步，本发明各分割体根据其处于离心叶轮不同部位的工况条件确定使用的材料，在越靠近离心叶轮高温侧的分割体使用相对耐高温的材料，在越靠近低温侧的分割体的材料可以使用耐高温要求较低的材料；在越靠近进气口的分割体使用强度更高的材料，而在越靠近出气口的分割体的材料使用的材料强度要求相对可较低，实现兼顾重量、抗外物损伤、耐高温、价格等因素的技术效果。
优选地，靠近低温侧或出气口的部分采用金属材料A，靠近高温侧或进气口的部分采用金属材料B。
进一步地，所述金属材料A为铝合金、钛合金或者不锈钢，所述金属材料B为高温合金钢、钛合金或者不锈钢。
进一步地，被分割的所述分割体之间通过定位销连接。采用定位销连接，工艺简单，装配效率高。
进一步地，所述定位销沿周向均布，所述定位销的数量为2、3、4、5或6。
进一步地，所述定位销沿周向均布。
进一步地，对所述离心叶轮在进行轴向压力预紧。本发明采用轴向压力预紧的技术手段可以有效抑制分割体之间的轴向位移，减少分割体之间产生缝隙。离心叶轮装配在转轴上，随着叶轮的不停转动，分割体之间会产生轴向位移，从而使分割体之间有缝隙，影响了离心叶轮的性能。因此对离心叶轮进行轴向压力预紧，进一步确保本发明离心叶轮工作的稳定性。
本发明具有以下有益效果：
本发明将离心叶轮分割成多个分割体，并设置分割面均垂直于所述离心叶轮的轴线，大大提高离心叶轮的承载能力。同时将空腔设置于低应力区，可以设置各分割体在低应力区围合形成空腔，也可以设置分割体后在叶轮的低应力区挖空形成空腔，实现减轻重量和保证强度的双重技术效果。再进一步，本发明各分割体根据其处于离心叶轮不同部位的工况条件确定使用的材料，在越靠近离心叶轮高温侧的分割体使用相对耐高温的材料，在越靠近低温侧的分割体的材料可以使用耐高温要求较低的材料；在越靠近进气口的分割体使用强度更高的材料，而在越靠近出气口的分割体的材料使用的材料强度要求相对可较低，实现兼顾重量、抗外物损伤、耐高温、价格等因素的技术效果。
本发明提出了一种大胆创新的技术设计，科学根据工况条件，确定叶轮各分割体的材料，达到降低成本、减轻叶轮重量、满足各部分强度要求目的，符合实际运用的需求。
为了使制造工艺简单，将叶轮分成两个分割体，两个分割体用定位销连接，其中定位销起到将两个分割体定位的作用，且定位销起到传递部分扭矩的作用；更进一步地，对所述离心叶轮进行轴向压力预紧，两部分由预紧力实现贴合、压紧。
综上所述，本发明可有效减轻叶轮重量，降低叶轮应力，延长叶轮寿命，大幅减小离心叶轮出口的轴向位移，从而利于叶尖间隙设计，提高经济性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是单金属离心叶轮子午截面示意图。
图2是单金属离心叶轮子午截面应力分布图。
图3的本发明优选实施例离心叶轮子午截面示意图。
图1~图3中，1为轮盘，2为叶片，3为采用金属材料A部分，4为采用金属材料B部分，5为分割面，6为空腔，7为定位销，8为低应力区，9为高应力区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图3所示，本实施例提供一种空心离心叶轮，本实施例中的空心离心叶轮用于燃气涡轮发动机中，该离心叶轮的一侧温度较高，另一侧温度较低，将所述离心叶轮分割成两个部分，靠近低温侧的部分使用金属材料A3，靠近高温侧的部分使用金属材料B4；分割面5垂直于所述离心叶轮的轴线，如图3所示，两个分割面5将叶轮分割成两部分金属A3和金属B4；金属A3和金属B4的材料不为同一种材料，根据离心叶轮的工况条件，越靠近高温侧的分割体比越靠近低温侧的分割体的材料更耐高温；本实施例中所述金属材料A3选用铝合金；所述金属材料B4选用高温合金钢；所述离心叶轮内部开有空腔6，所述空腔6位于如图2所示的经过测量的叶轮应力较低的区域，所述空腔6挖去的重量为整个离心叶轮重量的10%~35%。
金属材料A3靠近低温侧的材料可以选用耐温性较差，相对便宜和质量较轻的材料，从而降低制造成本，减轻叶轮的重量，因此金属材料A3选用材料便宜，质量轻的铝合金；而金属B4靠近高温侧，需要选用耐高温的金属，因此金属B4选用高温合金钢。
金属材料A3部分和金属材料B4部分之间通过定位销7连接。两个分割体用定位销连接，定位销7起到将两个分割体定位的作用，且定位销7起到传递部分扭矩的作用。
所述定位销7沿周向均布，本实施例所述定位销7的数量为2。
对所述离心叶轮进行轴向压力预紧。两部分由预紧力实现贴合、压紧。
本实施例将叶轮分成左、右两半，分别由不同的金属材料构成，两部分分别加工。两者之间形成“空腔”，该空腔的上部正好是原单一金属盘的低应力区，由原来的单路承力变成双路承力，使结构效率有较大提高。本申请人对离心叶轮进行了仿真计算，按本发明设计的离心轮重量减轻了约10~35%，应力降低了约8~10%，离心叶轮出口的轴向位移降低100%以上，综合效果非常明显。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。
Claims (9)
1.一种空心离心叶轮，其特征在于，所述离心叶轮被分割成n个分割体；分割的分割面均垂直于所述离心叶轮的轴线；各分割体根据其处于离心叶轮不同部位的工况条件确定使用的材料，所述离心叶轮内部开有空腔，所述空腔位于经过测量的叶轮应力较低的区域；所述n个分割体的n≧2。
2.根据权利要求1所述空心离心叶轮，其特征在于，所述空腔挖去的重量为整个离心叶轮重量较常规的单金属实心叶轮减轻了10%~35%。
3.根据权利要求1所述空心离心叶轮，其特征在于，所述n为2，离心叶轮被分割成两个部分，靠近低温侧或出气口的部分使用金属材料A，靠近高温侧或进气口的部分使用金属材料B。
4.根据权利要求3所述空心离心叶轮，其特征在于，所述金属材料A为铝合金、钛合金或者不锈钢，所述金属材料B为高温合金钢、钛合金或者不锈钢。
5.根据权利要求1所述空心离心叶轮，其特征在于，被分割的所述分割体之间通过定位销连接。
6.根据权利要求5所述空心离心叶轮，其特征在于，所述定位销沿周向均布。
7.根据权利要求5或6所述空心离心叶轮，其特征在于，所述定位销的数量大于1。
8.根据权利要求7所述空心离心叶轮，其特征在于，所述定位销的数量为2、3、4、5或6。
9.根据权利要求1所述空心离心叶轮，其特征在于，对所述离心叶轮在装配状态下进行轴向压力预紧。
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