CN109268310A - 一种内置骨架结构式离心叶轮 - Google Patents

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胡晓安
程穆威
赵高乐
张宇
王云
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Abstract

本发明公开了一种内置骨架结构式离心叶轮，包括入口端、出口端、圆弧形外表面、轴孔、轮毂、主叶片、导流叶片、主叶片骨架、导流叶片骨架，轮毂内部设为空心，主叶片骨架一端连接主叶片根部，另一端连接轴孔内壁面，导流叶片骨架一端连接导流叶片根部，另一端连接轴孔内壁面，其中主叶片骨架、导流叶片骨架将轮毂内部分割成多个单独腔体，主叶片、导流叶片分别沿圆弧形外表面阵列，轴孔上端设有入口端，轮毂底端设有出口端，进口端设有清粉孔，清粉孔联通放置起动磁铁的磁铁座1、磁铁座2和轮毂内的腔体。本发明优点：这种结构重量较轻、材料应力分布均匀、材料利用率高，提高了发动机的推重比。

Description

一种内置骨架结构式离心叶轮
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，特别是涉及一种内置骨架结构式离心叶轮。
背景技术
离心式压气机相较于轴流式压气机，具有结构简单、单机增压比特点，在空气流量小的情况下流动损失大、迎风面积大等问题并不突出，因此广泛应用于小型涡喷和涡轴发动机，离心叶轮在出口处半径大，采用实心轮毂结构的叶轮，重量较大，叶片的重量占比较低，并且，小型发动机拥有较高转速，轮毂在发动机运行过程中承受巨大离心载荷。
现有的离心叶轮受到传统的锻造、铸造工艺的限制，内部的复杂结构难以加工，从而大多采用实心结构设计。这种叶轮加工较为方便，但是通过气动优化提高发动机推重比效果不明显，而推重比的提高，对提升飞行器的负载能力和机动性具有十分重大的意义。近年来，随着增材制造技术和CAD技术的飞速发展，依靠传统工艺难以成形的复杂结构可以轻松设计、生产，促进了航空工业的进一步发展。在保证气动外形不变的前提下，利用增材制造技术可以对离心叶轮内部的复杂结构进行设计与加工，从而在不降低叶轮强度与刚度的前提下降低其质量，为提高航空发动机的推重比提供了有力的技术条件。
同时，等强度盘的结构在轴流式叶轮机械中广泛使用，这种结构重量较轻、材料应力分布均匀、材料利用率高。离心式叶轮由于不同的气动结构，其轮盘(轮毂)结构与轴流式压气机存在很大不同，因此，使用实心轮设计时，难以运用等强度结构。而增材制造技术的发展为这一结构原理在离心式叶轮机械中的应用提供了可能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种内置骨架结构式离心叶轮，能降低离心叶轮重量、增加材料利用率，可应用于航空离心式压气机叶轮的减重优化设计，也可以用于小型涡轴、涡桨发动机。
本发明采用如下技术方案：一种内置骨架结构式离心叶轮，包括入口端、出口端、圆弧形外表面、轴孔、轮毂、主叶片、导流叶片、主叶片骨架、导流叶片骨架、磁铁座1、磁铁座2、清粉孔、腔体，入口端处设有清粉孔，用于为增材制造方案清理粉末，清粉孔联通磁铁座1、磁铁座2、腔体，磁铁座1、磁铁座2设于内置骨架结构式离心叶轮上端，主叶片、导流叶片连接在圆弧形外表面上，并分别沿圆弧形外表面阵列，磁铁座1、磁铁座2用于放置发动机起动用的磁铁，轮毂内部采用空心，主叶片骨架、导流叶片骨架设于轮毂内部，且主叶片骨架一端连接主叶片根部，另一端连接轴孔内壁面，导流叶片骨架一端连接导流叶片根部，另一端连接轴孔内壁面，主叶片骨架沿径向针对主叶片的离心载荷采用等强度的厚度变化规律、导流叶片骨架沿径向针对导流叶片的离心载荷采用等强度的厚度变化规律，其中主叶片骨架、导流叶片骨架拉伸应力小于对应实心结构离心叶轮最大应力水平的110％。
优选地，所述轴孔的壁厚是变化的，且轴孔壁厚度最大处靠近出口端。
优选地，所述主叶片骨架、导流叶片骨架将轮毂的空心内部分割成多个单独腔体。
优选地，所述圆弧形外表面厚度取1mm，入口端厚度取1mm，出口端厚度取1～3mm，轴孔处壁面厚度取2～5mm，清粉孔直径取1mm。
优选地，所述主叶片骨架、导流叶片骨架厚度分别沿转轴半径减少方向逐渐变厚，且承受的离心拉伸应力保持定值。
本发明具有的优点：这种结构重量较轻、材料应力分布均匀、材料利用率高，提高了发动机的推重比。
附图说明
图1是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的结构示意图。
图2是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的骨架结构剖视图。
图3是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的正视图。
图4是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的俯视局部剖视图(A-A截面)。
图5是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的磁铁座局部剖视图。
图6是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的清粉孔剖视图(B-B截面)。
图7是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的腔体示意图(C-C截面)。
图8是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的有限元网络。
图9是实心结构叶轮设计工况应力分布云图。
图10是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮的设计工况应力分布云图。
图11是实心结构叶轮距出口端平面6mm处应力分布图。
图12是本发明一种内置骨架结构式离心叶轮距出口端平面6mm处应力分布图。
附图标记说明:1、入口端 2、出口端 3、圆弧形外表面 4、轴孔 5、轮毂 6、主叶片7、导流叶片 8、主叶片骨架 9、导流叶片骨架 10、清粉孔 11、轴孔壁厚度最大处 12、腔体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11，一种内置骨架结构式离心叶轮，包括入口端(1)、出口端(2)、圆弧形外表面(3)、轴孔(4)、轮毂(5)、主叶片(6)、导流叶片(7)、主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)、磁铁座1、磁铁座2、清粉孔(10)、腔体(12)，入口端(1)处设有清粉孔(10)，用于为增材制造方案清理粉末，清粉孔(10)联通磁铁座1、磁铁座2、腔体(12)，磁铁座1、磁铁座2设于内置骨架结构式离心叶轮上端，主叶片(6)、导流叶片(7)连接在圆弧形外表面(3)上，并分别沿圆弧形外表面(3)阵列，磁铁座1、磁铁座2用于放置发动机起动用的磁铁，轮毂(5)内部采用空心，主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)设于轮毂(5)内部，且主叶片骨架(8)一端连接主叶片(6)根部，另一端连接轴孔(4)内壁面，导流叶片骨架(9)一端连接导流叶片(7)根部，另一端连接轴孔(4)内壁面，主叶片骨架(8)沿径向针对主叶片(6)的离心载荷采用等强度的厚度变化规律、导流叶片骨架(9)沿径向针对导流叶片(7)的离心载荷采用等强度的厚度变化规律，其中主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)拉伸应力小于对应实心结构离心叶轮最大应力水平的110％。
优选地，所述轴孔(4)的壁厚是变化的，且轴孔壁厚度最大处(11)靠近出口端(2)。
优选地，所述主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)将轮毂(5)的空心内部分割成多个单独腔体(12)。
优选地，所述圆弧形外表面(3)厚度取1mm，入口端(1)厚度取1mm，出口端(2)厚度取1～3mm，轴孔(4)处壁面厚度取2～5mm，清粉孔(10)直径取1mm。
优选地，所述主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)厚度分别沿转轴半径减少方向逐渐变厚，且承受的离心拉伸应力保持定值。
本发明是这样实现的：利用增材制造技术，将主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)、主叶片(6)、导流叶片(7)、轮毂(5)加工为一个整体，在任意垂直于轴向方向的平面(下称平面)内，主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)的中线均为直线段，且主叶片骨架(8)沿主叶片(6)的叶根与轴心连线方向、导流叶片骨架(9)沿导流叶片(7)的叶根与轴心连线方向，主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)形状关于中线对称，在平面内主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)的厚度符合下述规律：
其中：h为平面内主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)的厚度；e为自然对数的底数；r为厚度h对应的半径；ω为内置骨架结构式离心叶轮的转速；ρ为内置骨架结构式离心叶轮材料的密度；σ为所取的主叶片骨架(8)或导流叶片骨架(9)内离心载荷产生的应力；σ′为主叶片(6)或导流叶片(7)的叶根处应力值，由数值仿真得到；h′为平面内主叶片(6)的叶根与主叶片骨架(8)中线垂直方向的厚度、导流叶片(7)的叶根与导流叶片骨架(9)中线垂直方向的厚度。
下面对本发明使用有限元法进行强度校核。
在进行有限元分析时采用的材料是钛合金，牌号为TC4，该合金综合性能优异,在航空工业中获得广泛的应用，TC4合金的一些参数如下，密度为4.44g/cm3、弹性模量为107Gpa、泊松比为0.34、室温下弹性极限为830Mpa。
注意到分析对象具有关于转轴循环对称的特性，因此采用简化的模型(完整模型的七分之一)进行计算。
对本发明及对应实心结构叶轮经简化的模型划分有限元网格，如图8所示，网格类型为四面体网格(C3D4)，网格尺寸为0.2mm。
进行有限元法计算时，约束了分析对象的轴向位移，定义转速为110000r/min。计算结果如图9、图10所示。
仿真结果表明：
1)本发明对应的实心结构叶轮最大米塞斯应力为478.117Mpa，高应力区较为集中，主要分布在轴孔(4)周围靠近出口端(2)的某位置，最大应力位于出口端(2)曲率较大的位置。
2)本发明最大米塞斯应力为525.674Mpa，高应力区主要分布在轴孔(4)最末端的位置。最大应力也出现在这一区域。应力最大值变大，但不高于实心结构叶轮最高应力的110％，低于材料弹性极限830Mpa。采用TC4合金的弹性极限求得的安全系数为1.58，高于英军标安全系数的1.33。在叶根部位，由于弯曲现象，应力变大，但并不是最大应力区域。
3)在模型垂直于轴线的平面内，本发明的应力分布较实心结构叶轮明显改善，如图11所示，平面内实心结构叶轮应力分布不均匀，存在较大面积的低应力区域，应力值沿半径减小方向增加，材料利用率不佳。本发明的应力云图中，主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)处应力分布均匀，径向方向应力值接近，材料利用率明显提高。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种内置骨架结构式离心叶轮，包括入口端(1)、出口端(2)、圆弧形外表面(3)、轴孔(4)、轮毂(5)、主叶片(6)、导流叶片(7)、主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)、磁铁座1、磁铁座2、清粉孔(10)、腔体(12)，入口端(1)处设有清粉孔(10)，清粉孔(10)联通磁铁座1、磁铁座2、腔体(12)，主叶片(6)、导流叶片(7)连接在圆弧形外表面(3)上，并分别沿圆弧形外表面(3)阵列，其特征在于，轮毂(5)内部采用空心，主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)设于轮毂(5)内部，且主叶片骨架(8)一端连接主叶片(6)根部，另一端连接轴孔(4)内壁面，导流叶片骨架(9)一端连接导流叶片(7)根部，另一端连接轴孔(4)内壁面。
2.根据权利要求1所述的内置骨架结构式离心叶轮，其特征在于，所述轴孔(4)的壁厚是变化的，且轴孔壁厚度最大处(11)靠近出口端(2)。
3.根据权利要求1所述的内置骨架结构式离心叶轮，其特征在于，所述主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)将轮毂(5)的空心内部分割成多个单独腔体(12)。
4.根据权利要求1所述的内置骨架结构式离心叶轮，其特征在于，所述圆弧形外表面(3)厚度取1mm，入口端(1)厚度取1mm，出口端(2)厚度取1～3mm，轴孔(4)处壁面厚度取2～5mm，清粉孔(10)直径取1mm。
5.根据权利要求1所述的内置骨架结构式离心叶轮，其特征在于，所述主叶片骨架(8)、导流叶片骨架(9)厚度分别沿转轴半径减少方向逐渐变厚，且承受的离心拉伸应力保持定值。
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