CN112377266B - 一种多辐板式离心叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多辐板式离心叶轮，包括盘体和若干大叶片、小叶片，所述大叶片、小叶片均布在盘体上，所述盘体的中心沿轴线设置有轮心，所述盘体包括沿盘体轴向间隙设置的若干辐板，相邻辐板之间设置有减重腔，相邻辐板的上缘相连组成一个整体。本发明的多辐板式离心叶轮通过在离心叶轮盘体部分分布数个小盘，相邻辐板之间设置有减重腔，从而保证离心叶轮强度和变形要求的前提下，大幅度降低离心叶轮的重量，在强度水平相当的前提下，可使离心叶轮的重量减轻15％以上。

Description

一种多辐板式离心叶轮

技术领域

本发明涉及离心叶轮领域，特别地，涉及一种多辐板式离心叶轮。

背景技术

离心叶轮是涡轮机械中的关键部件，通常小型燃气涡轮发动机叶轮为整体叶轮，如图1和图2所示。在结构上，离心叶轮主要由盘体1和若干叶片组成，包括大叶片2和小叶片3，叶片均布在盘体上。目前所使用的离心叶轮盘体均为实心盘，由于叶片轴向较长，单辐板盘体的重量较重，因此如何减轻重量，是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种多辐板式离心叶轮，以解决现有离心叶轮盘体均为实心盘，由于叶片轴向较长，单辐板盘体的重量较重的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种多辐板式离心叶轮，包括盘体和若干大叶片、小叶片，所述大叶片、小叶片均布在盘体上，所述盘体的中心沿轴线设置有轮心，

所述盘体包括沿盘体轴向间隙设置的若干辐板，相邻辐板之间设置有减重腔，相邻辐板的上缘相连组成一个整体。

进一步地，各个辐板在所述盘体轴向的位置分别与所述大叶片、小叶片、盘体的最大等效应力处和叶片位移最大处相对应。

进一步地，所述大叶片、小叶片的最大等效应力处包括叶片前缘处、叶片叶根处，所述盘体的最大等效应力处位于所述盘体的大端的轮心处，所述叶片位移最大处位于叶尖处。

进一步地，各个辐板的轴向宽度与所对应的最大等效应力处所承受的最大应力大小成正比。

进一步地，所述盘体包括四个沿轴向间隙设置的辐板，四个辐板在所述盘体轴向的位置分别与大叶片前缘处、小叶片前缘处、叶片叶根处、盘体的大端轮心处和叶尖处相对应。

进一步地，相邻辐板的上缘连接处的厚度为3mm以上。

进一步地，各减重腔的体积之和占盘体总体积的15％～35％。

进一步地，与小叶片前缘处、叶片叶根处、盘体的大端轮心处和叶尖处相对应的辐板的上缘和辐板下缘之间设置有宽度小于辐板下缘的喉部，所述喉部的宽度>＝4mm，且与上缘和辐板下缘的连接处均为圆弧过渡。

进一步地，各喉部的宽度需使辐板力学性能满足以下条件：

0.75*σ_0.1/最大离心径向应力≥1.0，

0.60*σ_b/最大离心径向应力≥1.0，

0.75*σ_0.1/平均周向应力≥1.0，

0.6*σ_b/平均周向应力≥1.0，

0.95*σ_0.1/内径处周向应力≥1.0，

其中，最大离心径向应力取喉部同一截面处径向应力的平均值；平均周向应力为辐板子午截面周向应力的平均值；内径处周向应力为辐板内径处周向应力的平均值；σ_0.1为离心叶轮所用材料的屈服极限；σ_b为离心叶轮所用材料的强度极限。

进一步地，相邻辐板的上缘通过焊接相连组成一个整体，

或者，

相邻辐板的上缘通过一体成型组成一个整体。

本发明具有以下有益效果：

本发明的多辐板式离心叶轮通过在离心叶轮盘体部分分布数个小盘，相邻辐板之间设置有减重腔，从而保证离心叶轮强度和变形要求的前提下，大幅度降低离心叶轮的重量，在强度水平相当的前提下，可使离心叶轮的重量减轻15％以上。

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。下面将参照附图，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是现有整体离心叶轮结构的示意图；

图2是现有整体离心叶轮的扇形段的示意图；

图3是现有整体离心叶轮应力分布的示意图；

图4是本发明优选实施例的多辐板式离心叶轮扇形段的示意图；

图5是本发明另一优选实施例的多辐板式离心叶轮扇形段示意图。

图中：1、盘体；2、大叶片；3、小叶片；4、大叶片前缘处；5、小叶片前缘处；6、叶片叶根处；7、大端轮心处；8、叶尖处；9、第一辐板；10、第二辐板；11、第三辐板；12、第四辐板；13、喉部；14、上缘连接处；15、辐板距离；16、轮心。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图4，本发明的优选实施例提供了一种多辐板式离心叶轮，包括盘体1和若干大叶片2、小叶片3，所述大叶片2、小叶片3均布在盘体1上，所述盘体1的中心沿轴线设置有轮心16，所述盘体1包括沿盘体1轴向间隙设置的若干辐板，相邻辐板之间设置有减重腔，相邻辐板的上缘相连组成一个整体。

本实施例中，离心叶轮的内流道要从轴向到径向经过90度的变化，因此我们设计的多辐板结构中各辐板结构从左到右逐渐增大。多辐板的定义一般指从中间分隔开看的话，每部分都是一个类似盘体1的形状。

本实施例的多辐板式离心叶轮通过在离心叶轮盘体1部分分布数个小盘，相邻辐板之间设置有减重腔，从而在保证离心叶轮强度和变形要求的前提下，大幅度降低离心叶轮的重量，在强度水平相当的前提下，可使离心叶轮的重量减轻15％以上。

在本发明的优选实施例中，各个辐板在所述盘体1轴向的位置分别与所述大叶片2、小叶片3、盘体1的最大等效应力处和叶片位移最大处相对应。具体地，所述大叶片2、小叶片3的最大等效应力处包括叶片前缘处、叶片叶根处6，所述盘体1的最大等效应力处位于所述盘体1的大端的轮心处，所述叶片位移最大处位于叶尖处8。同时，各个辐板的轴向宽度与所对应的最大等效应力处所承受的最大应力大小成正比。

离心叶轮在设计时，在强度方面要考虑的部位有：叶片前缘，如图3的大叶片前缘处4、小叶片前缘处5，叶片叶根处6，盘体1的大端轮心处7，这几处的应力要满足强度要求。叶尖处8的位移要满足变形要求。最大平均径向应力、平均周向应力和内径处平均周向应力要满足强度标准要求。此外，各个辐板局部的一些圆弧、倒角等区域的应力也不能太大。因此由单辐板改为多辐板时，并不能随便的去除材料，除了满足叶片上的要求外，每个辐板都要满足最大平均径向应力、平均周向应力、内径处平均周向应力、轮心应力、局部应力的要求。在这些要求的前提下，尽可能的去除材料，降低重量。结构主要是通过拓扑优化和尺寸优化得到，如通过拓扑优化得到一个最佳的材料分布，得到新的构型设计，为设计者提供设计思路，但局部的细节并不是最优的，尺寸优化则对结构细节进行进一步的优化，对具体的尺寸进行优化，并减小局部的应力集中。

在本发明的优选实施例中，所述盘体1包括四个沿轴向间隙设置的辐板：第一辐板9、第二辐板10、第三辐板11、第四辐板12，四个辐板在所述盘体1轴向的位置分别与大叶片前缘处4、小叶片前缘处5、叶片叶根处6、盘体1的大端轮心处7和叶尖处8相对应。

本实施例设置四个辐板及其位置的原因是：

通常离心叶轮叶片应力较大的位置分别处于图3所示的位置，因此分别在其下方设置了三个辐板，即第一辐板9、第二辐板10、第三辐板11，一般来说下方区域越大，则对应上方的叶片上的应力越小。大叶片前缘处4、小叶片前缘处5应力相对小一些，叶片叶根处6应力一般最大。盘体1的大端轮心处7应力最大，通常都比叶片上的应力大，此处是整个离心叶轮寿命最低点。叶尖处8的位移最大，为了保证气动性能，叶尖处8的位移不能太大。因此为了保证大端轮心处7的应力水平和叶尖处8的位移不太大，本实施例在该处设置第四辐板12，最终形成具有四个辐板的最优方案。

本实施例中，大叶片前缘处4应力较小，并且该位置只有一大叶片2，因此第一辐板9最小。小叶片前缘处5处应力虽然也较小，但是与之相邻的周向位置还有大叶片2，因此第二辐板10比第一辐板9要大一些。第三辐板11位于叶片叶根处6下方，叶片叶根处6是叶片上应力最大处，因此第三辐板11要比第二辐板10设置的大一些。由于大端轮心处7的应力最大，并且还要确保叶尖处8位移不太大，因此第四辐板12最大，四个辐板中，各辐板下缘宽度从左到右逐渐增大，与各处对应的应力大小关系正相关。

另外，各辐板下缘之间的辐板距离15从左到右逐渐减小，也是基于应力方面的考虑，越往左边应力偏小，越往右边应力偏大，由于各个辐板的轮心16处的应力必须要得到保证，所以越往右边的辐板的轮心16处的宽度要宽一些，因此两个辐板下缘之间的辐板距离15自然就变小了。

在本发明的优选实施例中，相邻辐板的上缘连接处14厚度为3mm以上，一方面要保证焊接处的强度，另一方面厚度太薄，对叶片叶根的应力不利。

在本发明的优选实施例中，各减重腔的体积之和占盘体1总体积的15％～35％。虽然在满足强度、寿命、位移等要求的前提下，减得越多越好，然而，实践证明，最好以减15％～35％为宜，从而兼顾强度、寿命、位移和重量，达到性能的平衡，若减得太多，很难满足多方面的要求。

在本发明的优选实施例中，与小叶片前缘处5、叶片叶根处6、盘体1的大端轮心处7和叶尖处8相对应的辐板的上缘和辐板下缘之间设置有宽度小于辐板下缘的喉部13，所述喉部13的宽度>＝4mm，且与上缘和辐板下缘的连接处均为圆弧过渡。

本实施例中，喉部13的宽度>＝4mm，喉部13的宽度小于辐板下缘的宽度，喉部13下方宽。较窄的喉部13利于降低轮心16处的最大应力及内径处平均周向应力的应力水平，但是太窄的话，会导致喉部13最大平均径向应力不满要求。第二辐板10、第三辐板11、第四辐板12都为这种结构形式的喉部13，由于第一辐板9的径向尺寸太短，因此未设计成这种形式的喉部13。

在本发明的优选实施例中，各辐板的喉部的宽度需使辐板力学性能满足以下条件：

0.75*σ_0.1/最大离心径向应力≥1.0，

0.60*σ_b/最大离心径向应力≥1.0，

0.75*σ_0.1/平均周向应力≥1.0，

0.6*σ_b/平均周向应力≥1.0，

0.95*σ_0.1/内径处周向应力≥1.0，

其中，最大离心径向应力取喉部13同一截面处径向应力的平均值；平均周向应力为辐板子午截面周向应力的平均值；内径处周向应力为辐板内径处周向应力的平均值；σ_0.1为离心叶轮所用材料的屈服极限；σ_b为离心叶轮所用材料的强度极限。

本实施例中，航空发动机的轮盘属于关键件，为了保证轮盘具有足够的安全储备，在航空发动机设计中必须满足上述强度标准。

在本发明的优选实施例中，相邻辐板的上缘通过焊接相连组成一个整体，加工时分成四段进行加工，可降低加工难度，每个辐板加工完成后，在上缘连接处14进行焊接，焊接后再加工叶片。

如图5所示，在本发明的优选实施例中，相邻辐板的上缘通过一体成型组成一个整体，一体成型可以确保辐板的整体性，避免焊接不达标可能造成的缺陷。如在一体式的毛坯的基础上进行减材加工，或者，通过整体3D打印等进行增材加工的方式组成一个整体。

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 (7)

1.一种多辐板式离心叶轮，包括盘体(1)和若干大叶片(2)、小叶片(3)，所述大叶片(2)、小叶片(3)均布在盘体(1)上，所述盘体(1)的中心沿轴线设置有轮心(16)，其特征在于，

所述盘体(1)包括沿盘体(1)轴向间隙设置的若干辐板，相邻辐板之间设置有减重腔，相邻辐板的上缘相连组成一个整体；

各个辐板在所述盘体(1)轴向的位置分别与所述大叶片(2)、小叶片(3)、盘体(1)的最大等效应力处和大叶片(2)、小叶片(3)的叶片位移最大处相对应；

所述大叶片(2)、小叶片(3)的最大等效应力处包括叶片前缘处、叶片叶根处(6)，所述盘体(1)的最大等效应力处位于所述盘体(1)的大端的轮心处，所述大叶片(2)、小叶片(3)的叶片位移最大处位于叶尖处(8)；

所述盘体(1)包括四个沿轴向依次间隙设置的第一辐板(9)、第二辐板(10)、第三辐板(11)、第四辐板(12)，其中，所述第一辐板(9)在所述盘体(1)轴向的位置与大叶片前缘处(4)相对应，所述第二辐板(10)在所述盘体(1)轴向的位置与小叶片前缘处(5)相对应，所述第三辐板(11)在所述盘体(1)轴向的位置同时与大叶片(2)、小叶片(3)的叶片叶根处(6)相对应，所述第四辐板(12)在所述盘体(1)轴向的位置同时与盘体(1)的大端轮心处(7)和叶尖处(8)相对应。

2.根据权利要求1所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，

各个辐板的轴向宽度与所对应的最大等效应力处所承受的最大应力大小成正比。

3.根据权利要求1所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，

相邻辐板的上缘连接处(14)的厚度为3mm以上。

4.根据权利要求1所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，

各减重腔的体积之和占盘体(1)总体积的15％～35％。

5.根据权利要求1所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，

所述第二辐板(10)、第三辐板(11)、第四辐板(12)的辐板上缘和辐板下缘之间设置有宽度小于辐板下缘的喉部(13)，所述喉部(13)的宽度>＝4mm，且与辐板上缘和辐板下缘的连接处均为圆弧过渡。

6.根据权利要求5所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，各喉部(13)的宽度使辐板力学性能满足以下条件：

0.75*σ_0.1/最大离心径向应力≥1.0，

0.60*σ_b/最大离心径向应力≥1.0，

0.75*σ_0.1/平均周向应力≥1.0，

0.6*σ_b/平均周向应力≥1.0，

0.95*σ_0.1/内径处周向应力≥1.0，

其中，最大离心径向应力取喉部(13)同一截面处径向应力的平均值；平均周向应力为辐板子午截面周向应力的平均值；内径处周向应力为辐板内径处周向应力的平均值；σ_0.1为离心叶轮所用材料的屈服极限；σ_b为离心叶轮所用材料的强度极限。

7.根据权利要求1所述的多辐板式离心叶轮，其特征在于，

相邻辐板的上缘通过焊接相连组成一个整体，

或者，

相邻辐板的上缘通过一体成型组成一个整体。

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