CN111042869B - 一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，包括机匣后部、轮毂、叶轮叶片、机匣前部、导流叶片，导流叶片、叶轮叶片周向安装于轮毂上，导流叶片沿轴向均匀布置，且其叶根连接于机匣内侧，导流叶片前缘高度为尾缘高度的5倍。本发明能够实现向心涡轮轴向进气，并减小上游流动损失，提升涡轮做功能力，同时简化微型燃气轮机整机结构，使其更加紧凑。

Description

一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮
技术领域
本发明涉及的是一种涡轮。
背景技术
微型涡喷不仅可作为小型飞行器的动力装置，其重量轻、功率大的特点也使其可以成为清洁电力的来源，相较于传统发电形式，燃气发电粉尘低、排放少且运行平稳。此类微型发动机的核心部件为其高性能的涡轮是微型涡轮喷气发动机的核心部件，受制造、结构、振动以及成本等因素的影响，只能采用单转子单级涡轮设计。与单级轴流涡轮相比，单级向心涡轮具有制造工艺简单、生产成本较低、负荷大、效率高、结构紧凑的特点。近年来，微型涡轮喷气发动机在航空技术发达的国家得到了高度重视。但国内在航空向心涡轮方面的研究与设计起步比较晚，没有建立起适合航空燃气向心涡轮的气动设计体系。国内不少科技人员都进行过微型涡轮、微型齿轮的设计与研究，同时也有不少单位引进国外技术进行向心涡轮的生产和加工，但与国外相比，国内自行研制的微型涡喷性能较低，没有将先进的气动设计思想和技术引入到向心涡轮的设计和开发之中。
发明内容
本发明的目的在于提供能够实现向心涡轮轴向进气，并减小上游流动损失，提升涡轮做功能力，同时简化微型燃气轮机整机结构，使其更加紧凑的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：包括机匣后部、轮毂、叶轮叶片、机匣前部、导流叶片，导流叶片、叶轮叶片周向安装于轮毂上，导流叶片沿轴向均匀布置，且其叶根连接于机匣内侧，导流叶片前缘高度为尾缘高度的5倍。
本发明还可以包括：
1、导流叶片出口宽度等于叶轮叶片的入口高度。
2、叶轮叶片的出口处高度为入口处叶高的2倍。
3、导流叶片厚度沿工质流向保持一致，在叶顶处叶轮叶片厚度沿流向先减小后增大，沿径向由叶根到叶顶逐渐减小，叶根处最小厚度位置为工质出口处；叶轮叶片弯曲程度沿径向由叶根到叶顶逐渐增大。
4、叶轮背板与机匣存在间隙,且机匣前部弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
本发明的优势在于：传统结构向心涡轮结构较为复杂且需要单独的蜗壳保证进气，而且在工作过程中，岛型导流叶片会在其端壁间隙处产生泄漏、涡系等损失，其带来的分离、滞止损失同样不可忽略，而采用直导流叶片可以有效减少上游流道内产生的损失。而且直导流叶片对于简化整机的结构有一定的好处，在与压气机配合使用时，从压气机流出的空气不需要经过导流管转弯进入蜗壳进而流入流道，而是直接经过涡轮机匣转弯即可进入叶轮流道做功。因此，小型压气机-燃烧室-涡轮组成的微小型燃气轮机尺寸可得到大幅缩减，直型导流叶片可以简化其加工工艺，使得加工与工程实际应用更加方便。
附图说明
图1为本发明轴测图；
图2a为叶轮示意图，图2b为A-A视图；
图3a为机匣前部示意图，图3b为B-B视图，图3c为机匣后部示意图，图3d为C-C视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3d，本发明包括机匣后部1、轮毂2、叶轮叶片3、机匣前部4，导流叶片5、叶轮叶片3周向均匀安装于轮毂2上，导流叶片5的叶根连接于机匣内侧。由于且导流叶片5尾缘长度与叶轮叶片3入口处高度相近，故导流叶片5流道出口尺寸即叶轮流道入口尺寸。轴向来流经过机匣的转向及导流叶片的分流作用，沿径向流经叶轮做功。导流叶片5厚度沿工质流向保持一致，在叶顶处叶轮叶片3厚度沿流向先减小后增大，沿径向由叶根到叶顶逐渐减小。叶片3弯曲程度沿径向由叶根到叶顶逐渐增大。导流叶片与叶轮叶片3数量相同。导流叶片前缘高度为尾缘高度的5倍。叶轮叶片3的出口处高度为入口处叶高的2倍。叶轮叶片3在叶根处的厚度沿工质流向先增大后减小，且叶根处最小厚度位置为工质出口处。
本发明由机匣后部1、轮毂2、叶轮叶片3、机匣前部4组成，如图所示，导流叶片5与叶轮叶片3数量均为12，导流叶片5沿轴向均匀布置且直接与机匣1相连接，且导流叶片5尾缘切向与叶轮径向垂直，其前缘高度为尾缘高度的5倍，导叶5出口宽度等于叶轮叶片3的入口高度。叶轮叶片3的出口处高度为入口处叶高的2倍。叶轮叶片3在叶根处的厚度沿工质流向先增大后减小，且叶根处最小厚度位置为工质出口处。
结合图3来看，叶轮背板与机匣有一定间隙,且机匣前部4弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
本发明的核心部件为叶轮和导流叶片5，其设计步骤如下：
(1)确定设计点的气动参数如出口压力、入口压力、流量等。给出设计状态下的速度三角形。
(2)根据速度三角形与攻角范围，确定叶轮叶片3的入口安装角、出口安装角。之后给定叶片3入口、出口高度等参数，完成子午面的一维设计。
(3)在已完成的一维设计的基础上，对叶片3进行三维设计，这一步骤的目的是为了使叶片3的载荷分布达到理想的状态，并且对叶片3厚度进行调整。厚度分布的确定需要用数值模拟计算来进行调整。
(4)导流叶片5的设计基于叶轮叶片3，实际上，导流叶片5设计要易于叶轮叶片3，采用直导流叶片5的优势也可以得到体现。导流叶片5的主要作用是能保证叶轮入口气流攻角能够维持在给定范围内，因此，工质流出导流叶片5的速度的确定需要用到流量参数。而且导流叶片5的安装角的不同也会对下游流动产生影响，故最优安装角需要通过数值模拟等研究方法对其进行调整。
综上所述，本发明的目的在于提供一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮。叶轮叶片3、导流叶片5均为周向均匀布置。从压气机或者燃烧室流出的工质经过机匣的作用可顺利流入叶轮流道做功。此外，本发明设计的使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮不仅能够降低普通涡轮中存在的导叶损失，提高涡轮的气动性能。更重要的是其特殊的进气方式能够简化压气机、燃烧室与向心涡轮的匹配问题，确保整机结构紧凑、具有良好的工作可靠性。

Claims (9)

1.一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：包括机匣后部、轮毂、叶轮叶片、机匣前部、导流叶片，导流叶片、叶轮叶片周向安装于轮毂上，导流叶片沿周向均匀布置，且其叶根连接于机匣内侧，导流叶片前缘高度为尾缘高度的5倍。
2.根据权利要求1所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：导流叶片出口宽度等于叶轮叶片的入口高度。
3.根据权利要求1或2所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：叶轮叶片的出口处高度为入口处叶高的2倍。
4.根据权利要求1或2所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：导流叶片厚度沿工质流向保持一致，在叶顶处叶轮叶片厚度沿流向先减小后增大，沿轴向由叶根到叶顶逐渐减小，叶根处最小厚度位置为工质出口处；叶轮叶片弯曲程度沿轴向由叶根到叶顶逐渐增大。
5.根据权利要求3所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：导流叶片厚度沿工质流向保持一致，在叶顶处叶轮叶片厚度沿流向先减小后增大，沿轴向由叶根到叶顶逐渐减小，叶根处最小厚度位置为工质出口处；叶轮叶片弯曲程度沿轴向由叶根到叶顶逐渐增大。
6.根据权利要求1或2所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：叶轮背板与机匣存在间隙,且机匣前部弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
7.根据权利要求3所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：叶轮背板与机匣存在间隙,且机匣前部弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
8.根据权利要求4所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：叶轮背板与机匣存在间隙,且机匣前部弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
9.根据权利要求5所述的一种使用直导流叶片的轴向进气方式的小型向心涡轮，其特征是：叶轮背板与机匣存在间隙,且机匣前部弧形型线与叶轮轮缘型线一致。
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