CN109184804A - 一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，包括：前盖板、后盖板、叶片；所述叶片包括根部边缘、弧形边缘、进口边缘、出口边缘；所述多个叶片通过根部边缘固定在所述后盖板上，所述叶片翼型骨线的弯曲方向与所述透平叶轮旋转方向相同；所述前盖板与所述后盖板依次固定在透平结构的外壳上，所述叶片弧形边缘和所述前盖板之间留有间隙。本发明透平叶轮使用氦氙混合气体为工作介质，具有尺寸小、结构简单、可靠性高、效率高的优点。

Description

一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮
技术领域
本发明涉及一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，属于空间推进技术领域，特别适用于空间布雷顿循环系统。
背景技术
电源系统是航天器中不可缺少的重要组成的部分，其可靠性直接影响着航天器的寿命。航天器电源要根据飞行任务、航天器设计寿命和供电要求来选择。主要有三种可选择方式：化学电源系统、太阳能电源系统、核电源系统。为保证航天器及其有效载荷的正常运行，对其能量系统有如下要求：可扩展性，有升级潜力，能适应日后增长要求；可维护性，可以更换部分单元；在日照期和阴影期都能提供电源；结构紧凑；能够抵抗严酷的空间环境。其中太阳能电源系统和核电源系统都可以利用闭式布雷顿循环(CBC)实现热电转换。适用于闭式布雷顿循环热电转换装置的透平和压气机等部件具有巨大的发展潜力，透平是目前我国航天领域热电转换系统的重点发展的单机产品，也成为各国研究空间电源的热点。在轨应用时，透平的效率尤为关键，空间没有对流换热，损失的能量全部转化为热量，给系统的热平衡带来挑战，因此透平的效率越高，越有利于空间布雷顿循环系统的运行稳定性。
目前地面上应用的布雷顿循环系统功率大，机组转速低，透平以压缩空气为工质运行，叶轮基本为长短叶片结构，这就导致了布雷顿系统的透平结构尺寸大、重量大，无法满足空间应用结构紧凑的要求。地面上应用的透平大部分以液力透平为主，透平的设计主要以反转的离心泵为主，叶片数较少，一般不超过9个叶片，反转泵的液力透平效率较低，不超过75％。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，本发明尺寸小、可靠性高、效率高绝热效率达到80％以上。
本发明的技术解决方案是：
一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，包括：前盖板、后盖板、叶片；
所述叶片包括根部边缘、弧形边缘、进口边缘、出口边缘；
所述多个叶片通过根部边缘固定在所述后盖板上，所述叶片翼型骨线的弯曲方向与所述透平叶轮旋转方向相同；所述进口边缘平行于所述盖板的轴线；所述出口边缘的延长线与所述后盖板的轴线垂直且相交，所述多个固定在所述后盖板上的叶片的出口边缘共面；
所述前盖板与所述后盖板依次固定在透平结构的外壳上，所述叶片的弧形边缘和所述前盖板之间留有间隙。
所述叶片的弧形边缘为L型折线，所述L型折线由所述叶片进口向出口方向逆时针弯折。
所述叶片翼型骨线与所述后盖板进口边的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片的进口安放角，所述进口安放角的取值范围为80～85°。
所述叶片翼型骨线与所述后盖板出口边的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片的出口安放角，所述出口安放角的取值范围为0～5°。
所述叶片出口边缘的长度大于所述叶片进口边缘长度的两倍。
所述后盖板未安装有叶片的端面开有环形凹槽，所述后盖板的安装有叶片的端面上还开有用于与外部发电机连接的内六角沉孔。
所述叶片进口边缘与后盖板进口边的交点与所述后盖板进口边圆周所在圆心的连线与所述出口边缘的夹角取值范围为16～24°。
所述叶片、后盖板和前盖板的材料均为镍基高温合金。
所述叶片的个数大于12。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1)本发明透平叶轮采用半开放式叶轮结构，叶片基于离心式设计，由多个叶片固定在后盖板上，优选的采用14片标准镍基高温合金制成的叶片，本发明叶轮结构简单，加工容易。
2)本发明叶轮直径小，透平叶轮入口所在圆周的直径为110mm，重量轻，降低航天器发射成本，同时有助于降低轴向力，提高使用寿命。
3)本发明透平叶轮后盖板设计有环形凹槽，优选的为2条宽度为3mm，深度为3mm的环形凹槽，利用其结构在背面形成高压力梯度，防止气体工作介质从叶轮后盖板和外部透平结构的外壳间隙处泄露，同时有助于减少叶轮轴向力。
4)本发明透平叶轮的进口角安放角、出口角安放角取值合理，保证叶轮效率高于80％，同时，叶片最大厚度为2mm，保证叶片强度满足高转速和耐压需求。
附图说明
图1为本发明后盖板和叶片连接的结构示意图；
图2为本发明透平叶轮轴向剖视图；
图3为本发明透平叶轮木模图；
图4为本发明透平叶轮轴面流道示意图。
具体实施方式
本发明一种为半开放式叶轮的空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，使用的工质为氦氙混合气，其中，氦气摩尔分数为0.7172，混合气摩尔质量为40g/mol。本发明透平叶轮的工况点参数如下：流量为0.45kg/s，转速为36500rpm，涡轮进口总压为400-500KPa，进口总温为700-800℃，涡轮出口静压为300-350KPa，出口静温为550-600℃，透平的整机效率为80％。
如图1所示，本发明的透平叶轮，包括前盖板1、后盖板2、叶片3；叶片3为离心式叶片，叶片3的四条边缘分别为根部边缘31、弧形边缘32、进口边缘33、出口边缘34；多个叶片3通过根部边缘31依次固定在所述后盖板2正面上，所述叶片3翼型骨线的弯曲方向与所述透平叶轮旋转方向相同；叶片3安装在后盖板2上时，安装的交界面均匀过渡。前盖板1与所述后盖板2依次固定在透平结构的外壳上，所述后盖板2的正面朝向所述前盖板1，所述叶片3弧形边缘32和所述前盖板1之间留有间隙，间隙用于保证叶片3在转动时形成轴向力；前盖板1和后盖板为分体结构。叶片3、后盖板2、前盖板1的材料为镍基高温合金。
叶片3的弧形边缘32为L型折线，所述L型折线由所述叶片3进口向出口方向逆时针弯折。叶片3翼型骨线与所述后盖板2进口边4的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片3的进口安放角，所述进口安放角的取值范围为80～85°，叶片3翼型骨线与所述后盖板2出口边5的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片3的出口安放角，所述出口安放角的取值范围为0～5°，该设计保证叶轮效率高于80％。叶片3的出口边缘34的延长线与所述后盖板2的轴线垂直且相交，所述多个固定在所述后盖板2上的叶片3的出口边缘34共面。叶片3的进口边缘33平行于所述盖板2的轴线。叶片3出口边缘34的长度大于所述叶片3进口边缘33长度的两倍。叶片3进口边缘33与后盖板2进口边4的交点与所述后盖板进口边4圆周所在圆心的连线与所述出口边缘34的夹角取值范围为16～24°。
后盖板2的背面还开有环形凹槽21，用于在后盖板2的背面形成高压力梯度，防止气体工作介质从透平叶轮后盖板2间隙处泄露，同时有助于减少透平叶轮的轴向力。透平叶轮还包括轮毂9，所述轮毂9上开有用于与外部发电机连接的内六角沉孔8，轮毂9与后盖板2通过铸造或焊接形成一个整体。
两相邻叶片3进口边缘33之间的间隙构成透平叶轮的进口。叶片3出口边缘34与后盖板2相交处的圆周直径大于透平叶轮最大输出功率时，承载轴的直径设计值，所述叶片3出口边缘34与前盖板1相交处的圆周直径与透平叶轮的流量和透平叶轮出口处的压力、温度有关。
叶片3的材料为标准氮基高温合金。
工作时，叶片3与后盖板2同轴转动，气体从叶片3进口处进入叶轮做功，气体在叶片3压力面作用下被挤压流入两相邻叶片3之间的流道，高温高压气体对叶片3做功，使透平叶轮转动，最终做功后的气体通过叶片3的出口流出。叶片3的压力面6为气体工作介质流动做功面，叶片3的吸力面7为旋转低压产生面，低压吸入工作介质。
具体实施例如下：
如图2所示，为本发明叶轮轴向剖视图，14个叶片3依次固定在后盖板2上，叶片3的进口边缘33的长度H3为6.5mm，出口边缘34的长度H4为14.5mm，叶片3与前盖板1之间的距离为0.3mm，叶片3的最大厚度为2mm，保证叶片强度满足高转速和耐压需求。叶片3进口边缘33与后盖板2进口边4的交点与所述后盖板进口边4圆周所在圆心的连线与所述出口边缘34的夹角为叶片3包角C，如图3所示，包角C为20°。如图4所示，叶片3的进口边缘33与后盖板2进口边4交点所在圆周的直径D3为110mm；叶片3的出口边缘33与后盖板2出口边5交点所在圆周的直径D2为35mm，叶片3的出口边缘33与前盖板1出口边5交点所在圆周的直径D1为64mm；叶轮直径小，有助于降低轴向力，提高使用寿命。
透平叶轮后盖板2背面有2条环形凹槽21，环形凹槽21宽度为3mm，深度为3mm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，包括：前盖板(1)、后盖板(2)、叶片(3)；
所述叶片(3)包括根部边缘(31)、弧形边缘(32)、进口边缘(33)、出口边缘(34)；
所述多个叶片(3)通过根部边缘(31)固定在所述后盖板(2)上，所述叶片(3)翼型骨线的弯曲方向与所述透平叶轮旋转方向相同；所述进口边缘(33)平行于所述盖板(2)的轴线；所述出口边缘(34)的延长线与所述后盖板(2)的轴线垂直且相交，所述多个固定在所述后盖板(2)上的叶片(3)的出口边缘(34)共面；
所述前盖板(1)与所述后盖板(2)依次固定在透平结构的外壳上，所述叶片(3)的弧形边缘(32)和所述前盖板(1)之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)的弧形边缘(32)为L型折线，所述L型折线由所述叶片(3)进口向出口方向逆时针弯折。
3.根据权利要求1所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)翼型骨线与所述后盖板(2)进口边(4)的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片(3)的进口安放角，所述进口安放角的取值范围为80～85°。
4.根据权利要求1所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)翼型骨线与所述后盖板(2)出口边(5)的切线在圆周方向上形成的夹角为所述叶片(3)的出口安放角，所述出口安放角的取值范围为0～5°。
5.根据权利要求4所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)出口边缘(34)的长度大于所述叶片(3)进口边缘(33)长度的两倍。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述后盖板(2)未安装有叶片(3)的端面开有环形凹槽(21)，所述后盖板(2)的安装有叶片(3)的端面上还开有用于与外部发电机连接的内六角沉孔(8)。
7.根据权利要求6所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)进口边缘(33)与后盖板(2)进口边(4)的交点与所述后盖板进口边(4)圆周所在圆心的连线与所述出口边缘(34)的夹角取值范围为16～24°。
8.根据权利要求7所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)、后盖板(2)、前盖板(1)的材料均为镍基高温合金。
9.根据权利要求8所述的一种空间布雷顿循环系统用的透平叶轮，其特征在于，所述叶片(3)的个数大于12。
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