CN113074022A - 一种使用轴流导叶的向心涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用轴流导叶的向心涡轮,包括轴流导叶、机匣、弯折流道、轮毂和动叶。其中,动叶周向均匀安装于动叶轮毂上,轴流导叶周向均匀安装于导叶机匣上,轴流导叶与动叶中间连接有弯折流道。通过这种结构,可实现向心涡轮轴向进气方向,同时可实现进气与出气方向相反,大大缩小整个涡轮的轴向尺寸与径向尺寸,减少整个涡轮的重量,增加涡轮结构的紧凑性,提升涡轮的做功能力。本发明提出的轴流导叶,具有较好的工艺制造性,结构简单,能够显著降低生产成本。

Description

一种使用轴流导叶的向心涡轮
技术领域
本发明涉及一种向心涡轮,具体涉及一种使用轴流导叶的向心涡轮,属于叶轮机械技术领域。
背景技术
向心涡轮是压缩空气系统的关键做功部件,气流在向心涡轮动叶中作径向到轴向的流动,它的动叶叶轮形状和离心式压气机叶轮的形状相似。向心涡轮具有结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉,以及高膨胀比、大焓降、在小流量的情况下仍具有较大效率等优点,在导弹发动机、航空发动机的部件及辅助动力装置、车用涡轮增压器等领域中有着广泛应用。目前,向心涡轮越来越朝着小型化的趋势发展,以满足飞行器的减重需求,提高发动机的推重比。
相对于轴流涡轮,单级向心涡轮的叶片数目少,有较高的圆周速度,且叶轮流动损失和余速损失较小,重量轻、简单可靠。但是,向心涡轮的尺寸减小将会导致单级向心涡轮的负荷增加、内部流场复杂化。只有采用更优化的叶片与设计形式,才能降低各种损失,以提高涡轮的气动性能。
因此,在满足向心涡轮各项气动性能的基础上,设计一种具备小尺寸、高性能特点的向心涡轮,具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了进一步提高向心涡轮的气动性能和工作效率,使向心涡轮的结构更加紧凑,实现向心涡轮轴向进气并以进气方向相反的方向出气,创造性地提出一种使用轴流导叶的向心涡轮。
本发明采用以下技术方案。
一种使用轴流导叶的向心涡轮,包括轴流导叶、动叶、导叶机匣、导叶轮毂、弯折流道、动叶轮毂和动叶机匣。其中,动叶周向均匀安装于动叶轮毂上,轴流导叶周向均匀安装于导叶机匣上,轴流导叶与动叶中间连接有弯折流道。通过这种结构,可实现向心涡轮轴向进气方向,同时可实现进气与出气方向相反,大大缩小整个涡轮的轴向尺寸与径向尺寸,减少整个涡轮的重量,增加涡轮结构的紧凑性,提升涡轮的做功能力。
有益效果
本发明方法,与现有技术相比,具有如下优点:
1.本发明采用无蜗壳设计,大大减小了涡轮的径向尺寸与轴向长度,增加了涡轮结构的紧凑性,有效降低涡轮的重量。
2.本发明提出的结构设计,有效降低了涡轮在导流过程中的流动损失,显著提升了涡轮的效率与做功能力。
3.本发明提出的轴流导叶,具有较好的工艺制造性,结构简单,能够显著降低生产成本。
附图说明
图1为本发明所述向心涡轮的轴测图。
图2为本发明所述向心涡轮的子午流面图。
图3为本发明所述向心涡轮的子午流面部件分解图。
图4为本发明所述向心涡轮的轴流导叶2的轴测图。
图5为本发明所述向心涡轮的弯折流道5的轴测图。
图6为本发明所述向心涡轮的弯折流道5的侧视图。
图7为本发明所述向心涡轮的动叶7的轴测图。
图8为本发明所述向心涡轮的动叶7的侧视图。
其中,1-导叶轮毂,2-轴流导叶,3-导叶机匣,4-动叶机匣,5-弯折流道,6-动叶轮毂,7-动叶,8-导叶出口,9-弯折流道进口,10-弯折流道出口,11-动叶进口,12-导叶前缘,13-导叶尾缘,14-动叶前缘,15-动叶尾缘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步详细说明。
实施例
如图1、图2和图3所示,一种使用轴流导叶的向心涡轮,包括导叶轮毂1、轴流导叶2、导叶机匣3、动叶机匣4、弯折流道5、动叶轮毂6、动叶7、导叶出口8、弯折流道进口9、弯折流道出口10和动叶进口11。
如图4所示,轴流导叶1的导叶前缘12与导叶尾缘13均为半圆,且轴流导叶1的安装角、叶片弯角、叶片厚度分布沿径向方向均相同。轴流导叶1沿流向的厚度先增大后减小。
如图2、图3、图5和图6所示,弯折流道5的进口9高度与轴流导叶2的出口8处高度相同,弯折流道5的出口10宽度与动叶7的进口11处宽度相同。
如图7和图8所示,动叶7的前缘14为半圆形的圆弧,沿流向叶片厚度先增大、中段处厚度保持不变,之后逐渐减小,且沿流线方向上前缘14的半径与尾缘15的半径相同,叶片、叶顶处沿流向厚度均相同。动叶5的叶顶与动叶机匣4之间存在间隙,且沿流向方向的间隙大小相等。优选的,动叶7的叶片采用直叶片形式。
上述组成部分的连接关系为:
轴流导叶2周向均匀连接导叶机匣3,并置于动叶7的正上位置处。
弯折流道5位于轴流导叶2至动叶7之间。弯折流道5的进口9处的外侧型线和内侧型线,分别与轴流导叶2的出口8处的流道上、下处型线相切。弯折流道5的出口10左、右两侧型线,分别与动叶7的进口11处的流道左、右两侧型线相切。其中,弯折流道7的左、右两侧型线均采用贝塞尔曲线,优选的,采用三阶贝塞尔曲线形状。
动叶7周向均匀安装于动叶轮毂6上。
当向心涡轮工作时,从发动机燃烧室出来的高温高压气体,首先进入轴流导叶2。流入轴流导叶2中的气体,经过轴流导叶2的加速后,流入轴流导叶2与动叶7中间的弯折流道5。气流经弯折流道5后,进入动叶7,并推动动叶7转动对外做功。
其中,轴流导叶2、弯折流道5、动叶7,是本发明所述向心涡轮的核心部件,可以采用以下方法进行设计。
首先,根据给定的进口总压、总温、膨胀比、流量等设计参数,进行轴流导叶2、动叶7的一维设计与计算。一维设计与计算的内容包括:速度三角形的设计、动叶7进出口处的直径、动叶7进出口的叶片的高度、轴流导叶2进出口叶片的高度等基本几何尺寸。
然后,在一维设计与计算的基础上,进行轴流导叶2与动叶7的三维造型设计。动叶7的三维造型设计包括:动叶7的叶片角的分布形式、动叶7厚度的分布形式等几何参数。轴流导叶2的三维造型设计包括:轴流导叶2的厚度分布,轴流导叶2的叶片角的分布等几何参数,优选的,轴流导叶2叶片采用直叶片形式。
之后,将设计好的涡轮进行网格划分后,在CFD软件中进行三维计算。在数值模拟结果的基础上,进行动叶与轴流导叶叶片几何的修改与调整。反复迭代,直至达到指标期望值。

Claims (6)

1.一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,包括导叶轮毂(1)、轴流导叶(2)、导叶机匣(3)、动叶机匣(4)、弯折流道(5)、动叶轮毂(6)、动叶(7)、导叶出口(8)、弯折流道进口(9)、弯折流道出口(10)和动叶进口(11);
其中,轴流导叶(1)的导叶前缘(12)与导叶尾缘(13)均为半圆,且轴流导叶(1)的安装角、叶片弯角、叶片厚度分布沿径向方向均相同,轴流导叶(1)沿流向的厚度先增大后减小;动叶(5)的叶顶与动叶机匣(4)之间存在间隙,且沿流向方向的间隙大小相等;
上述组成部分的连接关系为:
轴流导叶(2)周向均匀连接导叶机匣(3),并置于动叶(7)的正上位置处;
弯折流道(5)位于轴流导叶(2)至动叶(7)之间;弯折流道(5)的进口(9)处的外侧型线和内侧型线,分别与轴流导叶(2)的出口(8)处的流道上、下处型线相切;弯折流道(5)的出口(10)左、右两侧型线,分别与动叶(7)的进口(11)处的流道左、右两侧型线相切;其中,弯折流道(7)的左、右两侧型线均采用贝塞尔曲线;
动叶(7)周向均匀安装于动叶轮毂(6)上;
当向心涡轮工作时,从发动机燃烧室出来的高温高压气体,首先进入轴流导叶(2);流入轴流导叶(2)中的气体,经过轴流导叶(2)的加速后,流入轴流导叶(2)与动叶(7)中间的弯折流道(5);气流经弯折流道(5)后,进入动叶(7),并推动动叶(7)转动对外做功。
2.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,动叶(7)的叶片采用直叶片形式。
3.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,弯折流道(7)的左、右两侧型线采用三阶贝塞尔曲线形状。
4.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,弯折流道(5)的进口(9)高度与轴流导叶(2)的出口(8)处高度相同,弯折流道(5)的出口(10)宽度与动叶(7)的进口(11)处宽度相同。
5.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,动叶(7)的前缘(14)为半圆形的圆弧,沿流向叶片厚度先增大、中间段厚度保持不变,之后逐渐减小,且沿流线方向上前缘(14)的半径与尾缘(15)的半径相同,叶片和叶顶处沿流向厚度均相同。
6.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮,其特征在于,轴流导叶(2)、弯折流道(5)和动叶(7),采用以下方法进行设计:
首先,根据给定的设计参数,包括进口总压、总温、膨胀比和流量,进行轴流导叶(2)、动叶(7)的一维设计与计算;
其中,一维设计与计算的内容包括速度三角形的设计、动叶(7)进出口处的直径、动叶(7)进出口的叶片的高度、轴流导叶(2)进出口叶片的高度;
然后,在一维设计与计算的基础上,进行轴流导叶(2)与动叶(7)的三维造型设计;动叶(7)的三维造型设计参数包括动叶(7)的叶片角的分布形式、动叶(7)厚度的分布形式;轴流导叶(2)的三维造型设计参数包括:轴流导叶(2)的厚度分布,轴流导叶(2)的叶片角的分布;
之后,将设计好的涡轮进行网格划分后,在CFD软件中进行三维计算;在数值模拟结果的基础上,进行动叶与轴流导叶叶片几何的修改与调整;反复迭代,直至达到指标期望值。
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