CN111550444A - 混合式叶片径向/斜向扩压器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及航空发动机技术领域，提出了一种混合式叶片径向/斜向扩压器，包括进口段、叶片式扩压段、无叶式扩压段、转弯段以及叶片，叶片设置在叶片式扩压段上，叶片包括朝向进口段的进气端和朝向无叶式扩压段的出气端；其中，进气端与进口段相邻设置，出气端与无叶式扩压段相邻设置。本公开的混合式叶片径向/斜向扩压器，叶片的进气端与进口段相邻设置，叶片的出气端与无叶式扩压段相邻设置，即在叶片的出气端与转弯段之间的无叶式扩压段为空余区域，由于无叶式扩压段不存在叶片，从而不会对气流产生阻碍作用，避免增加摩擦损失和二次流损失，显著降低了现有技术中的叶片式径向/斜向扩压器的叶片会对气流产生阻碍的问题。

Description

混合式叶片径向/斜向扩压器

技术领域

本公开涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种混合式叶片径向/斜向扩压器。

背景技术

径向/斜向扩压器作为离心/斜流压气机的核心部件，安装在与离心/斜流叶轮相邻的下游位置，对压气机效率、堵塞流量等有着决定性的影响。径向/斜向扩压器的主要作用是对叶轮出口的高速气流进行减速扩压，将其动能最大程度地转化为压力能。

径向/斜向扩压器作为离心/斜流压气机的核心部件，安装在与离心/斜流叶轮1相邻的下游位置，对压气机效率、堵塞流量等有着决定性的影响。径向/斜向扩压器的主要作用是对叶轮出口的高速气流进行减速扩压，将其动能最大程度地转化为压力能。径向/斜向扩压器主要分为叶片式径向/斜向扩压器(如图1所示)和无叶径向/斜向扩压器(如图2所示)，前者由扩压器盖板3、扩压器轮毂面4以及扩压器叶片2组成，后者仅由扩压器盖板3和轮毂面4组成径向/斜向扩压器通道。

无叶径向/斜向扩压器具有比较宽的工作范围，结构简单，成本低，但是总压恢复系数较低，静压升较小，径向尺寸大；与无叶径向/斜向扩压器相比，叶片式径向/斜向扩压器可以获得更大的静压升和更高的总压恢复系数，并且在同样的静压升条件下，叶片式径向/斜向扩压器的径向尺寸更小，因此在高负荷紧凑型离心/斜流压气机中得到广泛使用。

常规的叶片式径向/斜向扩压器一般采用前加载叶片负荷分布，叶片后半部分基本无负荷，但依然会对气流产生阻碍作用，增加了摩擦损失和二次流损失，尤其是针对径向/斜向扩压器子午通道较长的径向/斜向扩压器，径向/斜向扩压器后半部分流动由于端壁和叶片边界层的累积以及叶片对气流偏转方向的强行干扰，导致气动堵塞很严重，损失较大，制约了径向/斜向扩压器性能的提升，甚至会影响压气机的低转速性能。

发明内容

本公开提供一种混合式叶片径向/斜向扩压器，以降低现有技术中的叶片式径向/斜向扩压器的叶片会对气流产生阻碍的问题。

本发明提供了一种混合式叶片径向/斜向扩压器，包括：

进口段、叶片式扩压段、无叶式扩压段以及转弯段；

叶片，叶片设置在叶片式扩压段上，叶片包括朝向进口段的进气端和朝向无叶式扩压段的出气端；

其中，进气端与进口段相邻设置，出气端与无叶式扩压段相邻设置。

在本发明的一个实施例中，叶片由常规扩压器叶片切割而成；

其中，常规扩压器叶片的两端可分别与进口段和转弯段相邻设置。

在本发明的一个实施例中，常规扩压器叶片切割后形成出气端。

在本发明的一个实施例中，常规扩压器叶片的两端的垂直距离为L，进气端和出气端的垂直距离为S；其中，S小于L。

在本发明的一个实施例中，0.2L≤S≤0.8L。

在本发明的一个实施例中，0.33L≤S≤0.66L。

在本发明的一个实施例中，叶片为多个，多个叶片呈环形均匀分布在叶片式扩压段上；

其中，相邻两个叶片之间由进气端朝向出气端的方向形成径向渐扩开口。

在本发明的一个实施例中，多个叶片均为相同的部件。

在本发明的一个实施例中，多个叶片的各个进气端均与进口段相邻设置，多个叶片的各个出气端与转弯段之间的最小距离均相等。

在本发明的一个实施例中，进气端的厚度小于出气端的厚度。

本发明的混合式叶片径向/斜向扩压器，叶片的进气端与进口段相邻设置，叶片的出气端与无叶式扩压段相邻设置，即在叶片的出气端与转弯段之间的无叶式扩压段为空余区域，由于无叶式扩压段不存在叶片，从而不会对气流产生阻碍作用，避免增加摩擦损失和二次流损失，显著降低了现有技术中的叶片式径向/斜向扩压器的叶片会对气流产生阻碍的问题。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标，特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，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是叶片式径向/斜向扩压器的结构示意图；

图2是无叶径向/斜向扩压器的结构示意图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种混合式叶片径向/斜向扩压器示意图，同时示出了切割之前的常规扩压器叶片轮廓；

图4是根据一示例性实施方式示出的一种混合式叶片径向扩压器子午面示意图，同时示出了扩压器上游的离心叶轮子午轮廓；

图5是根据一示例性实施方式示出的一种混合式叶片径向扩压器的模型示意图，同时示出了切割之前的常规扩压器叶片轮廓；

图6是本发明的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高载荷分布对比图；

图7是本发明的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器不同流量条件下流动损失对比图；

图8是本发明的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高叶栅通道速度矢量对比图；

图9是本发明的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高叶栅通道马赫数等值线云图对比。

附图标记说明如下：

1、离心/斜流叶轮；2、叶片；3、扩压器盖板；4、扩压器轮毂面；

11、进口段；12、叶片式扩压段；13、无叶式扩压段；14、转弯段；20、叶片；21、进气端；22、出气端；30、离心/斜流叶轮。

具体实施方式

体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。

在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构，系统和步骤。应理解的是，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，并且可在不偏离本公开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“之上”，“之间”，“之内”等来描述本公开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公开的范围内。

本发明的一个实施例提供了一种混合式叶片径向/斜向扩压器，请参考图3至图5，混合式叶片径向/斜向扩压器包括：进口段11、叶片式扩压段12、无叶式扩压段13以及转弯段14；叶片20，叶片20设置在叶片式扩压段12上，叶片20包括朝向进口段11的进气端21和朝向无叶式扩压段13的出气端22；其中，进气端21与进口段11相邻设置，出气端22与无叶式扩压段13相邻设置。

本发明一个实施例的混合式叶片径向/斜向扩压器，叶片20的进气端21与进口段11相邻设置，叶片20的出气端22与无叶式扩压段13相邻设置，即在叶片20的出气端22与转弯段14之间的无叶式扩压段13为空余区域，由于无叶式扩压段13不存在叶片20，从而不会对气流产生阻碍作用，避免增加摩擦损失和二次流损失，解决了现有技术中的叶片式径向/斜向扩压器的叶片会对气流产生阻碍的问题。

在一个实施例中，进气端21与进口段11相邻设置，即进气端21与进口段11之间的最小距离为0，出气端22与无叶式扩压段13相邻设置，即出气端22与无叶式扩压段13之间的最小距离为0。

在一个实施例中，混合式叶片径向/斜向扩压器包括依次设置的进口段11、叶片式扩压段12、无叶式扩压段13以及转弯段14，气流依次流过进口段11、叶片式扩压段12、无叶式扩压段13以及转弯段14，而气流在无叶式扩压段13的流动会在惯性力的作用下实现流动，故即使无叶式扩压段13没有叶片20，也可以保证气流的正常流动，在进入转弯段14后实现气流方向的改变。

在一个实施例中，叶片20由常规扩压器叶片切割而成；其中，常规扩压器叶片的两端可分别与进口段11和转弯段14相邻设置。为了不对混合式叶片径向/斜向扩压器的相关结构进行改变，以防出现其他问题，故利用常规扩压器叶片，将其部分段体进行切割，以形成本实施例中的叶片20，不仅可以利用常规扩压器叶片的制造设备以及工艺，且可以保证叶片20和叶片式扩压段12的同步适应，从而保证了使用性能。

具体地，如果将常规扩压器叶片使用到本实施例中，则常规扩压器叶片会占据叶片式扩压段12和无叶式扩压段13的部分，即叶片式扩压段12和无叶式扩压段13整体用于设置常规扩压器叶片，常规扩压器叶片的两端与进口段11和转弯段14之间的最小距离为0，此时构成了一个叶片式径向/斜向扩压器(具体也可以是图1中所示结构)。而本实施例将常规扩压器叶片进行切割，从而使得无叶式扩压段13上并没有叶片20，即形成了进口段为叶片式径向/斜向扩压器，出口段为无叶径向/斜向扩压器的混合式叶片径向/斜向扩压器。

在一个实施例中，常规扩压器叶片切割后形成出气端22。常规扩压器叶片的两端分别与进口段11和转弯段14相连接，而本实施例的叶片20是将靠近转弯段14的部分进行了切除，从而形成了出气端22，安装时依然利用常规扩压器叶片未切割的一端与进口段11的相对位置关系进行安装。

在一个实施例中，常规扩压器叶片的两端的垂直距离为L，进气端21和出气端22的垂直距离为S；其中，S小于L。常规扩压器叶片的两端的垂直距离L为叶片式扩压段12远离无叶式扩压段13的一端和无叶式扩压段13远离叶片式扩压段12一端的垂直距离，而将常规扩压器叶片切割后形成的叶片20。

在一个实施例中，0.2L≤S≤0.8L，常规扩压器叶片的切割部分和保留部分在一个特定范围能来保证叶片20的使用性能。

在一个实施例中，0.33L≤S≤0.66L。进气端21和出气端22的垂直距离S可以为0.33L、0.43L或0.66L。

在一个实施例中，叶片20为多个，多个叶片20呈环形均匀分布在叶片式扩压段12上；其中，相邻两个叶片20之间由进气端21朝向出气端22的方向形成径向渐扩开口。相邻两个叶片20之间形成了径向渐扩开口，即气流由叶片式扩压段12流入转弯段14的过程中逐渐扩散。

在一个实施例中，多个叶片20均为相同的部件。多个叶片20均采用相同的常规扩压器叶片切割而成，不仅制造方便，且结构更加可靠。

在一个实施例中，多个叶片20的各个进气端21均与进口段11相邻设置，多个叶片20的各个出气端22与转弯段14之间的最小距离均相等。多个叶片20的进气端21均沿进口段11的一端依次分布在叶片式扩压段上。多个叶片20的各个出气端22与转弯段14之间的最小距离均为0。

在一个实施例中，进气端21的厚度小于出气端22的厚度。

本发明的混合式叶片径向/斜向扩压器通过将常规扩压器叶片后半部分进行切割设计，降低扩压器叶片通道摩擦损失、附面层损失及二次流损失，提高径向/斜向扩压器性能，减少气流堵塞和损失，改善流动，提高径向/斜向扩压器性能。其中，混合式叶片径向/斜向扩压器用于安装在离心/斜流叶轮30相邻的下游位置，如图4和图5所示。

在一个实施例中，在常规叶片式径向/斜向扩压器基础上，对径向/斜向扩压器叶片出口段20％-80％子午通道长度部分进行切除，由于叶片切除后，会导致喉道位置的气动堵塞减少和混合式叶片径向/斜向扩压器出口角度会变大，这时需适当减小混合式叶片径向/斜向扩压器喉道面积、增加混合式叶片径向/斜向扩压器下游的静子叶片进口角度。

在一个实施例中，在高压比单级离心压气机设计中采用了本发明的混合式叶片径向扩压器，将径向扩压器叶片出口段33.3％弦长的部分进行切除，如图5所示，切除长度为33.3％L，L为常规扩压器叶片的两端的垂直距离。对实施例进行三维数值仿真，图6示出的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高载荷分布对比，仿真结果显示出了采用前加载的常规叶片式扩压器后半部分基本无负荷的特征，同时也显示出本发明的混合式叶片径向扩压器载荷分布与常规叶片式扩压器前半部分载荷分布基本一致。

图7示出的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器不同流量条件下流动损失对比，结果显示本发明的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器相比，具有更宽的流量范围，且在整个流量范围内总压恢复系数均有0.6个百分点以上的提高，总压恢复系数表征扩压器流动损失，总压恢复系数越大，代表扩压器流动损失越小。

图8示出的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高叶栅通道速度矢量对比，其中，颜色越深表示流动速度越低；图9示出的混合式叶片径向扩压器与常规叶片式扩压器50％叶高叶栅通道马赫数等值线云图对比，其中，图中标记的字数越小代表马赫数越低，流动速度也越小，结果显示常规叶片式扩压器后半段通道内呈现出低速流体在近叶片区域堆积的现象，容易造成流动堵塞，甚至发生流动分离，不利于扩压器流动损失控制，本发明的混合式叶片径向扩压器将后半段切割去除后，完全避免了近叶片区域低速流体堆积，扩压器后半段流动更加均匀，流场改善效果非常明显。

本发明的混合式叶片径向/斜向扩压器可改善常规叶片式扩压器通道后半段具有的附面层堵塞严重和损失大等流动特征，提高扩压器性能；将常规叶片式扩压器后半段进行切除设计，可对有减重需求的航空发动机做出一定贡献；且仍然能够沿用目前已具备丰富经验参数的常规叶片式径向/斜向扩压器设计准则。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由前面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，包括：

进口段(11)、叶片式扩压段(12)、无叶式扩压段(13)以及转弯段(14)；

叶片(20)，所述叶片(20)设置在所述叶片式扩压段(12)上，所述叶片(20)包括朝向所述进口段(11)的进气端(21)和朝向所述无叶式扩压段(13)的出气端(22)；

其中，所述进气端(21)与所述进口段(11)相邻设置，所述出气端(22)与所述无叶式扩压段(13)相邻设置。

2.根据权利要求1所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，所述叶片(20)由常规扩压器叶片切割而成；

其中，所述常规扩压器叶片的两端可分别与所述进口段(11)和所述转弯段(14)相邻设置。

3.根据权利要求2所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，所述常规扩压器叶片切割后形成所述出气端(22)。

4.根据权利要求2或3所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，所述常规扩压器叶片的两端的垂直距离为L，所述进气端(21)和所述出气端(22)的垂直距离为S；其中，S小于L。

5.根据权利要求4所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，0.2L≤S≤0.8L。

6.根据权利要求5所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，0.33L≤S≤0.66L。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，所述叶片(20)为多个，多个所述叶片(20)呈环形均匀分布在所述叶片式扩压段(12)上；

其中，相邻两个所述叶片(20)之间由所述进气端(21)朝向所述出气端(22)的方向形成径向渐扩开口。

8.根据权利要求7所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，多个所述叶片(20)均为相同的部件。

9.根据权利要求8所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，多个所述叶片(20)的各个所述进气端(21)均与所述进口段(11)相邻设置，多个所述叶片(20)的各个所述出气端(22)与所述转弯段(14)之间的最小距离均相等。

10.根据权利要求1所述的混合式叶片径向/斜向扩压器，其特征在于，所述进气端(21)的厚度小于出气端(22)的厚度。

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