CN111828375A - 分流离心叶轮及具有其的航空发动机 - Google Patents

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刘飞亭
胡亚飞
廖少峰
符鹏
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    • F04D29/666—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by means of rotor construction or layout, e.g. unequal distribution of blades or vanes

Abstract

本发明公开了一种分流离心叶轮，包括：叶轮基体，叶轮基体的外周壁上设有多片沿其周向依次间隔布设的主叶片、布设于相邻两片主叶片之间的一级分流叶片、及布设于相邻的主叶片和一级分流叶片之间的二级分流叶片。主叶片由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，一级分流叶片和二级分流叶片布设于离心叶轮的排气端，以减少离心叶轮进气端的叶片数量进而降低离心叶轮进气端的叶栅稠度，同时增加离心叶轮排气端的叶片数量进而提高离心叶轮排气端的叶栅稠度。本发明的分流离心叶轮中，叶栅稠度分配适宜、空气流量大、压缩比高、气流不容易分离、气动效率高。

Description

分流离心叶轮及具有其的航空发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种分流离心叶轮。此外，本发明还涉及一种包括上述分流离心叶轮的航空发动机。
背景技术
航空涡轮发动机离心叶轮经过了多次创造性改进，离心叶轮种类越来越多。早期的双面进气离心叶轮是组合式的，已经被淘汰；现在用的离心叶轮都是单面进气离心叶轮；后期的离心叶轮增加了分流叶片，现在用的高压比离心叶轮几乎全是一级分流离心叶轮，分流叶片和主叶片数量相等，随着电机技术的进步，离心叶轮有与无刷电机组合的趋势，为实现这一目的，需要做很多技术方案和试验，并解决很多技术问题。
预研中的先进航空发动机需要进一步提高离心压气机压比，提高气动效率，减少叶轮重量，并且需要在离心叶轮内安装起发一体无刷电机。
根据叶轮高速旋转的应力分析，当在叶轮上挖大孔安装起发一体无刷电机时，将显著增加材料应力，进而带来叶轮强度和冷却问题；另一方面，要进一步提高离心压气机压比，提高气动效率，减少叶轮重量，需要做很多技术方案和试验，并解决很多技术问题。
发明内容
本发明提供了一种分流离心叶轮及具有其的航空发动机，以解决现有的分流离心叶轮的压缩比及气动效率低的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种分流离心叶轮，包括：叶轮基体，叶轮基体的外周壁上设有多片沿其周向依次间隔布设的主叶片、布设于相邻两片主叶片之间的一级分流叶片、及布设于相邻的主叶片和一级分流叶片之间的二级分流叶片；主叶片由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，一级分流叶片和二级分流叶片布设于离心叶轮的排气端，以减少离心叶轮进气端的叶片数量进而降低离心叶轮进气端的叶栅稠度，同时增加离心叶轮排气端的叶片数量进而提高离心叶轮排气端的叶栅稠度。
进一步地，多片主叶片沿叶轮基体的周向均匀间隔布设，且主叶片的前缘接近叶轮基体的进气端，主叶片的后缘与叶轮基体排气端的周缘齐平；一级分流叶片位于相邻两片主叶片之间的中心位置，且一级分流叶片的后缘与叶轮基体排气端的周缘齐平，一级分流叶片的前缘朝叶轮基体的进气端延伸；二级分流叶片位于相邻的主叶片和一级分流叶片之间的中心位置，且二级分流叶片的后缘与叶轮基体排气端的周缘齐平，二级分流叶片的前缘朝叶轮基体的进气端延伸。
进一步地，主叶片的弦长大于一级分流叶片的弦长，且一级分流叶片的弦长大于二级分流叶片的弦长；主叶片的数量为5片～9片。
进一步地，主叶片、一级分流叶片、及二级分流叶片三者的叶型相同；主叶片、一级分流叶片、及二级分流叶片三者的叶片厚度差为0.5mm～1mm。
进一步地，一级分流叶片的叶根与叶轮基体外周壁的连接处、二级分流叶片的叶根与叶轮基体外周壁的连接处分别具有角度大小可调的圆角，以通过调整圆角的角度大小进而调整对应的一级分流叶片或二级分流叶片的基频以降低噪音；和/或一级分流叶片和二级分流叶片均为叶片厚度可调的可调叶片，以通过调整叶片厚度进而调整对应的一级分流叶片或二级分流叶片的基频以降低噪音。
进一步地，叶轮基体进气端的端面设有内凹且呈环形的安装环腔，安装环腔用于过盈安装无刷电机。
进一步地，叶轮基体的外周壁上设有与安装环腔连通的通气孔，通气孔用于供离心叶轮流道内的气流进入安装环腔以冷却无刷电机。
进一步地，安装环腔中心设有安装圆柱，安装圆柱为用于对无刷电机进行安装和定心的定心圆柱；叶轮基体的排气端内凹形成环形的环形周缘，环形周缘上加工有圆弧端齿，圆弧端齿用于与压气机上的圆弧端齿进行端面啮合。
进一步地，叶轮基体内还设有用于减轻其重量的减重腔，减重腔沿轴向的两端分别与叶轮基体的排气端和安装环腔连通。
根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，包括如上述中任一项的分流离心叶轮。
本发明具有以下有益效果：
本发明的分流离心叶轮中，由于主叶片由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，而一级分流叶片和二级分流叶片均布设于离心叶轮的排气端，该种布设方式相当于使离心叶轮进气端的叶片数量减少，同时使离心叶轮排气端的叶片数量增加。当离心叶轮进气端的叶片数量减少时，气流通道的截面积增大，不仅有利于增加气流流量，同时降低离心叶轮进气端的叶栅稠度；当离心叶轮排气端的叶片数量增加时，离心叶轮排气端的叶栅稠度大，气流通道截面积窄，气流流动时，更容易紧贴叶片的叶盆或叶背，故而气流不容易分离，离心叶轮的气动效率高，同时因离心叶轮排气端直径大约为其进气端轮毂直径的四倍，离心叶轮排气端圆周线速度高，且排气端叶片数量多，故而排气端做功能力强，压缩比高，故而本发明的分流离心叶轮中，叶栅稠度分配适宜、空气流量大、压缩比高、气流不容易分离、气动效率高；
本发明的航空发动机，叶栅稠度分配适宜、空气流量大、压缩比高、气流不容易分离、气动效率高。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的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是本发明优选实施例的分流离心叶轮的空间结构示意图；
图2是图1的剖视主视结构示意图；
图3是本发明优选实施例的航空发动机的部分结构示意图。
图例说明
10、叶轮基体；101、安装环腔；102、通气孔；103、定心圆柱；104、环形周缘；105、减重腔；20、主叶片；30、一级分流叶片；40、二级分流叶片。
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，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种分流离心叶轮，包括：叶轮基体10，叶轮基体10的外周壁上设有多片沿其周向依次间隔布设的主叶片20、布设于相邻两片主叶片20之间的一级分流叶片30、及布设于相邻的主叶片20和一级分流叶片30之间的二级分流叶片40。主叶片20由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，一级分流叶片30和二级分流叶片40布设于离心叶轮的排气端，以减少离心叶轮进气端的叶片数量进而降低离心叶轮进气端的叶栅稠度，同时增加离心叶轮排气端的叶片数量进而提高离心叶轮排气端的叶栅稠度。
本发明的分流离心叶轮中，由于主叶片20由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，而一级分流叶片30和二级分流叶片40均布设于离心叶轮的排气端，该种布设方式相当于使离心叶轮进气端的叶片数量减少，同时使离心叶轮排气端的叶片数量增加。当离心叶轮进气端的叶片数量减少时，气流通道的截面积增大，不仅有利于增加气流流量，同时降低离心叶轮进气端的叶栅稠度；当离心叶轮排气端的叶片数量增加时，离心叶轮排气端的叶栅稠度大，气流通道截面积窄，气流流动时，更容易紧贴叶片的叶盆或叶背，故而气流不容易分离，离心叶轮的气动效率高，同时因离心叶轮排气端直径大约为其进气端轮毂直径的四倍，离心叶轮排气端圆周线速度高，且排气端叶片数量多，故而排气端做功能力强，压缩比高，故而本发明的分流离心叶轮中，叶栅稠度分配适宜、空气流量大、压缩比高、气流不容易分离、气动效率高。
可选地，如图1所示，多片主叶片20沿叶轮基体10的周向均匀间隔布设，且主叶片20的前缘接近叶轮基体10的进气端，主叶片20的后缘与叶轮基体10排气端的周缘齐平。一级分流叶片30位于相邻两片主叶片20之间的中心位置，且一级分流叶片30的后缘与叶轮基体10排气端的周缘齐平，一级分流叶片30的前缘朝叶轮基体10的进气端延伸。由于多片主叶片20沿叶轮基体10的周向均匀间隔布设，而一级分流叶片30位于相邻两片主叶片20的中心，故而相当于多片一级分流叶片30也沿叶轮基体10的周向均匀间隔布设。二级分流叶片40位于相邻的主叶片20和一级分流叶片30之间的中心位置，且二级分流叶片40的后缘与叶轮基体10排气端的周缘齐平，二级分流叶片40的前缘朝叶轮基体10的进气端延伸。
本可选方案中，如图1所示，主叶片20的弦长大于一级分流叶片30的弦长，且一级分流叶片30的弦长大于二级分流叶片40的弦长。离心叶片排气端叶片的数量增加，单个叶片的平均功率有所降低，当主叶片20的弦长大于一级分流叶片30的弦长，且一级分流叶片30的弦长大于二级分流叶片40的弦长时，可使叶片的总重量减少，有利于减少离心叶轮的总体重量。主叶片20的数量为5片～9片。现有设计中，一级分流离心叶轮中，主叶片的数量一般为11片，甚至更多，本发明的二级分流离心叶轮中，主叶片20的数量为5片～9片，相比于一级分流离心叶轮，二级分流离心叶轮进气端叶片的数量减少，进而可减少离心叶轮进气端处的离心负荷，以便后续离心叶轮进气端结构的相关设计。
本可选方案中，如图1所示，主叶片20、一级分流叶片30、及二级分流叶片40三者的叶型相同，有利于提高离心叶轮结构的均匀性，减少离心叶轮旋转过程中因结构不均匀导致的振动。主叶片20、一级分流叶片30、及二级分流叶片40三者的叶片厚度差为0.5mm～1mm，进一步提高离心叶轮结构的均匀性，进一步减少离心叶轮旋转过程中因结构不均匀导致的振动。
可选地，如图1所示，一级分流叶片30的叶根与叶轮基体10外周壁的连接处、二级分流叶片40的叶根与叶轮基体10外周壁的连接处分别具有角度大小可调的圆角，以通过调整圆角的角度大小进而调整对应的一级分流叶片30或二级分流叶片40的基频以降低噪音。和/或一级分流叶片30和二级分流叶片40均为叶片厚度可调的可调叶片，以通过调整叶片厚度进而调整对应的一级分流叶片30或二级分流叶片40的基频以降低噪音。因一级分流叶片30和二级分流叶片40均可视为截短的主叶片20，离心叶轮的重量较轻，故而基频更高，本发明中，通过调整叶片叶根与叶轮基体10外周壁的连接处的圆角的角度大小、或叶片的厚度，可使每片叶片的基频都可不相同，进而有利于降低噪音。
可选地，如图1和图2所示，叶轮基体10进气端的端面设有内凹且呈环形的安装环腔101，安装环腔101用于过盈安装无刷电机。当在叶轮基体10的进气端加工内凹的用于安装无刷电机的安装环腔101后，叶轮基体10进气端的强度会削弱，本发明中，通过减少叶轮基体10进气端的叶片数量，进而有效降低叶轮基体10进气端的离心负荷。本发明结构中，通过在离心叶轮进气端安装起动发电一体的无刷电机，满足新一代多电航空发动机的设计要求，充足的电力使各种附件都可采用电力驱动，且相比现有的航空发动机中，需通过另设的附件齿轮传动机构传动无刷电机，本发明结构中，可有效简化发动机的传动系统，减少发动机零件的数量，并降低发动机的整体重量。本可选方案中，安装环腔101与无刷电机外转子的装配过盈达0.05mm～0.1mm。
优选地，如图1和图2所示，叶轮基体10的外周壁上设有与安装环腔101连通的通气孔102，通气孔102用于供离心叶轮流道内的气流进入安装环腔101以冷却无刷电机。本优选方案的具体实施例中，通气孔102的数量为多个，多个通气孔102沿叶轮基体10的周向均匀间隔布设，且各通气孔102沿气流流动方向倾斜布设，有利于流道内的气流顺畅通过通气孔102进入安装环腔101内。
可选地，如图1和图2所示，安装环腔101中心设有安装圆柱，安装圆柱为用于对无刷电机进行安装和定心的定心圆柱103。本可选方案中，定心圆柱103的外圆柱面为用于对无刷电机进行安装、定心的定心柱面。叶轮基体10的排气端内凹形成环形的环形周缘104，环形周缘104上加工有圆弧端齿，圆弧端齿用于与压气机上的圆弧端齿进行端面啮合。
可选地，如图2所示，叶轮基体10内还设有用于减轻其重量的减重腔105，减重腔105沿轴向的两端分别与叶轮基体10的排气端和安装环腔101连通。
参照图3，本发明的优选实施例提供了一种航空发动机，包括如上述中任一项的分流离心叶轮。由于本发明的航空发动机包括如上述中任一项的分流离心叶轮，故而本发明的航空发动机，叶栅稠度分配适宜、空气流量大、压缩比高、气流不容易分离、气动效率高。
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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分流离心叶轮，其特征在于，包括：
叶轮基体(10)，所述叶轮基体(10)的外周壁上设有多片沿其周向依次间隔布设的主叶片(20)、布设于相邻两片所述主叶片(20)之间的一级分流叶片(30)、及布设于相邻的所述主叶片(20)和所述一级分流叶片(30)之间的二级分流叶片(40)；
所述主叶片(20)由离心叶轮的进气端至排气端方向布设，所述一级分流叶片(30)和所述二级分流叶片(40)布设于所述离心叶轮的排气端，以减少所述离心叶轮进气端的叶片数量进而降低所述离心叶轮进气端的叶栅稠度，同时增加所述离心叶轮排气端的叶片数量进而提高所述离心叶轮排气端的叶栅稠度。
2.根据权利要求1所述的分流离心叶轮，其特征在于，
多片所述主叶片(20)沿所述叶轮基体(10)的周向均匀间隔布设，且所述主叶片(20)的前缘接近所述叶轮基体(10)的进气端，所述主叶片(20)的后缘与所述叶轮基体(10)排气端的周缘齐平；
所述一级分流叶片(30)位于相邻两片所述主叶片(20)之间的中心位置，且所述一级分流叶片(30)的后缘与所述叶轮基体(10)排气端的周缘齐平，所述一级分流叶片(30)的前缘朝所述叶轮基体(10)的进气端延伸；
所述二级分流叶片(40)位于相邻的所述主叶片(20)和所述一级分流叶片(30)之间的中心位置，且所述二级分流叶片(40)的后缘与所述叶轮基体(10)排气端的周缘齐平，所述二级分流叶片(40)的前缘朝所述叶轮基体(10)的进气端延伸。
3.根据权利要求2所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述主叶片(20)的弦长大于所述一级分流叶片(30)的弦长，且所述一级分流叶片(30)的弦长大于所述二级分流叶片(40)的弦长；
所述主叶片(20)的数量为5片～9片。
4.根据权利要求2所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述主叶片(20)、所述一级分流叶片(30)、及所述二级分流叶片(40)三者的叶型相同；
所述主叶片(20)、所述一级分流叶片(30)、及所述二级分流叶片(40)三者的叶片厚度差为0.5mm～1mm。
5.根据权利要求2所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述一级分流叶片(30)的叶根与所述叶轮基体(10)外周壁的连接处、所述二级分流叶片(40)的叶根与所述叶轮基体(10)外周壁的连接处分别具有角度大小可调的圆角，以通过调整所述圆角的角度大小进而调整对应的所述一级分流叶片(30)或所述二级分流叶片(40)的基频以降低噪音；和/或
所述一级分流叶片(30)和所述二级分流叶片(40)均为叶片厚度可调的可调叶片，以通过调整叶片厚度进而调整对应的所述一级分流叶片(30)或所述二级分流叶片(40)的基频以降低噪音。
6.根据权利要求1所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述叶轮基体(10)进气端的端面设有内凹且呈环形的安装环腔(101)，所述安装环腔(101)用于过盈安装无刷电机。
7.根据权利要求6所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述叶轮基体(10)的外周壁上设有与所述安装环腔(101)连通的通气孔(102)，所述通气孔(102)用于供所述离心叶轮流道内的气流进入所述安装环腔(101)以冷却所述无刷电机。
8.根据权利要求6所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述安装环腔(101)中心设有安装圆柱，安装圆柱为用于对所述无刷电机进行安装和定心的定心圆柱(103)；
所述叶轮基体(10)的排气端内凹形成环形的环形周缘(104)，所述环形周缘(104)上加工有圆弧端齿，所述圆弧端齿用于与压气机上的圆弧端齿进行端面啮合。
9.根据权利要求8所述的分流离心叶轮，其特征在于，
所述叶轮基体(10)内还设有用于减轻其重量的减重腔(105)，所述减重腔(105)沿轴向的两端分别与所述叶轮基体(10)的排气端和所述安装环腔(101)连通。
10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的分流离心叶轮。
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