CN113756951A - 一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器，该扩压器特别适用于径向与轴向尺寸受限的航空用离心压气机。其具备以下两个关键技术：1.将叶片扩压器径向段、折转段与轴向段一体化设计。2.该扩压器的径向段类似于楔形扩压器，从转弯段开始，一部分叶片与内机匣开始相互融合，最终该部分叶片转换为内机匣而径向壁面则转换为叶片表面。采用这种设计方式使得扩压器可在径向与轴向尺寸受约束的情况下保证气流方向由径向转换到轴向，并可使得扩压器的每一段都具备良好的扩压度，因此气流在流道内不会发生分离现象，减小扩压器内流动损失，提升压气机整体性能。

Description

一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器
技术领域
本发明专利属于离心压气机技术领域，涉及一种新型扩压器结构。该结构通过径向叶片与轴向叶片的相互融合，使气流方向由径向快速转化到轴向的目的，特别适用于径向尺寸受限的航空用离心压气机。
背景技术
随着航空发动机推重比不断提高，紧凑型高压比离心压气机受到广泛关注。离心压气机压比越高，离心叶轮出口气流马赫数也越高。高马赫数来流给扩压器设计带来严峻挑战，特别是在机组径向尺寸受限情况下。
现有技术中，在微小型离心压气机中也有将扩压器的径向段、转弯段、轴向段一体化构建(如CN201410453415.4、CN200810196137.3)。该种构建方式是将扩压器的径向叶片和内、外机匣同时向轴向进行90度弯折，叶片和内机匣没有发生融合或本质上的转换，由此形成该类型一体化扩压器的径向、转弯与轴向叶片，虽然有利于减小扩压器径向与轴向尺寸，但由于微小型离心压气机扩压器的流路很短，流道曲率过大，这种简单的构建方式在转弯处无可避免的会因为局部扩压度过大而导致流动分离，降低扩压器性能。
又如已公开专利CN108386389A披露了一种叶片与机匣和轮毂相融合的离心压气机扩压器结构，其主要技术方案通过将径向扩压器与轴向扩压器连成一体和将前缘设计为锐边来降低损失，减小扩压器外径，并进一步将叶片与扩压器机匣和轮毂相融合来减小扩压器叶片的扭曲程度。但由于这种融合方式，导致扩压器本身不能有过长的径向叶片，因此具有扩压器进口直径之比需控制在1.3以下的限制，导致其应用范围受限。
发明内容
随着航空发动机推重比不断提高，紧凑型离心压气机受到广泛关注。本发明巧妙的将扩压器的径向段、转弯段与轴向段进行一体化构建，实现叶片和机匣融合设计。同时，扩压器叶片从转弯段开始与内机匣逐渐进行融合形成轴向叶片。采用此结构可缩短扩压器外径和减小扩压器叶片的扭曲程度，在较小的径向尺寸范围内将离心叶轮出口气流方向由径向转变为轴向，同时减小了扩压器内部流动损失。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器，所述的保型扩压器包括内机匣和叶片；所述的叶片沿扩压器周向均匀分布，相邻两个叶片之间构成扩压器内气流通道；每个叶片包括径向段、转弯段与轴向段，三段一体化构建；叶片从转弯段开始与内机匣逐渐进行转化，实现叶片与内机匣的融合；
所述的转化包括：
径向段吸力面逐渐变小，经过转弯段后，最后成为轴向段吸力面的一部分；径向段内机匣面从转弯段开始作为吸力面，并开始逐渐扭转，最终成为轴向段吸力面的一部分；轴向段吸力面的两部分之间相交，形成一个钝角边，以确保转弯段到轴向段的曲率平稳过渡；
径向段压力面从转弯段开始逐渐扭转，最终成为轴向段内机匣面；且从转弯段开始增加一个压力面，增加的压力面逐渐变大，最终成为轴向段独立的压力面；增加的压力面始端位于径向段压力面末端与径向段外机匣面末端之间。
进一步地，所述的径向段的前端是楔形，叶片厚度较小，前缘较薄，适用于高速来流。
进一步地，扩压器内气流通道的截面形状从径向段的四边形变为转弯段及轴向段五边形。
本发明的有益效果：
(1)将扩压器径向段、转弯段与轴向段一体化构建，实现叶片和机匣融合设计，保证了气流通道的连续性，可以提高扩压器通道的稳流性能，并在一定程度上抑制流动分离现象。同时有效减小扩压器的径向与轴向尺寸。
(2)扩压器径向段采用类似楔形扩压器结构的方式不仅可以适应高马赫数来流，同时可以保证径向段具备良好的扩压度，不会出现流动分离。
(3)扩压器叶片从转弯段开始与内机匣逐渐进行融合形成轴向叶片，融合过程可以进一步保证转弯段与轴向段有着良好的扩压度，不会因为局部扩压度过大出现流动分离现象，也不会因为过小而增大摩擦损失。同时，采用此结构可缩短扩压器外径和减小扩压器叶片的扭曲程度，在较小的径向尺寸范围内将离心叶轮出口气流方向由径向转变为轴向，在满足性能要求的情况下，扩压器结构变得紧凑进一步减小了扩压器内部流动损失。
附图说明
图1是本发明的径向与轴向扩压器相融合的的离心压气机保型扩压器主视图；
图2是本发明的扩压器结构的俯视图；
图3是本发明的扩压器结构的三维视图1；
图4是本发明的扩压器结构的三维视图2；
图5是本发明的扩压器结构的子午面视图；
图6是本发明的扩压器结构单叶片三维视图1；
图7是本发明的扩压器结构单叶片三维视图2；
图8是本发明的扩压器结构单叶片三维视图3；
图中：1、径向段吸力面；2、径向段内机匣面；3、径向段压力面；4、径向段外机匣面；5、转弯段渐变吸力面；6、转弯段渐变内机匣面；7、转弯段渐变压力面一；8、转弯段外机匣面；9、转弯段新增渐变压力面二；10、轴向段吸力面一；11、轴向段吸力面二；12、轴向段压力面；13、轴向段外机匣面；14、轴向段内机匣面。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
如图1至图8所示，本发明的一种径向与轴向扩压器相融合的的离心压气机保型扩压器结构，所述的保型扩压器包括内机匣和叶片；由于该扩压器结构复杂同时尺寸较小，推荐采用3D打印的加工方式。扩压器叶片按所需数量沿扩压器周向均匀分布，相邻两叶片与叶片之间构成扩压器内气流通道。各扩压器叶片包括由径向段、转弯段与轴向段一体化构建。扩压器叶片径向段的前端是楔形，叶片厚度较小，前缘较薄，适用于高速来流，其与外侧壁面、内侧壁面构成完整的叶片径向部分。叶片从转弯段开始转向轴向段，同时开始与内机匣发生融合。
径向段吸力面1从扩压器的的转弯段开始向下游扭转，最终成为轴向段吸力面一10，作为轴向吸力面的一部分；径向段内机匣面2在转弯段的扭转过程中渐渐不再作为内机匣面，而是最终成为了轴向段吸力面的另一部分，记为轴向段吸力面二11；轴向段吸力面一10与轴向段吸力面二11渐渐形成一个钝角边，以确保转弯段到轴向段的曲率平稳过渡。径向段压力面3在扩压器的转弯段处开始向下游转化，成为轴向段内机匣面14；从转弯段开始增加转弯段压力面二9，转弯段新增压力面二9逐渐变大，最终成为轴向段独立的轴向段压力面12；增加的转弯段压力面二9始端位于径向段压力面3末端与径向段外机匣面4末端之间。由此完成扩压器流道部分造型。扩压器径向段气流通道截面形状为四边形，从转弯段开始气流通道截面形状变为五边形。
将扩压器径向段、转弯段与轴向段一体化构建，实现叶片和机匣融合设计，保证了气流通道的连续性，可以提高扩压器通道的稳流性能，并在一定程度上抑制流动分离现象。同时有效减小扩压器的径向与轴向尺寸。其中，扩压器径向段采用类似楔形扩压器结构的方式不仅可以适应高马赫数来流，还可以保证径向段具备良好的扩压度，不会出现流动分离。扩压器叶片从转弯段开始与内机匣逐渐进行融合形成轴向叶片的过程，可以进一步保证转弯段与轴向段有着良好的扩压度，不会因为局部扩压度过大出现流动分离现象，也不会因为过小而增大摩擦损失。另一方面，采用此结构可缩短扩压器外径和减小扩压器叶片的扭曲程度，在较小的径向尺寸范围内将离心叶轮出口气流方向由径向转变为轴向，大大减小了扩压器内部流动损失。
此外，需要说明的是，以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器，其特征在于，所述的保型扩压器包括内机匣和叶片；所述的叶片沿扩压器周向均匀分布，相邻两个叶片之间构成扩压器内气流通道；每个叶片包括径向段、转弯段与轴向段，三段一体化构建；叶片从转弯段开始与内机匣逐渐进行转化，实现叶片与内机匣的融合；
所述的转化包括：
径向段吸力面逐渐变小，经过转弯段后，最后成为轴向段吸力面的一部分；径向段内机匣面从转弯段开始作为吸力面，并开始逐渐扭转，最终成为轴向段吸力面的一部分；轴向段吸力面的两部分之间相交，形成一个钝角边，以确保转弯段到轴向段的曲率平稳过渡；
径向段压力面从转弯段开始逐渐扭转，最终成为轴向段内机匣面；且从转弯段开始增加一个压力面，增加的压力面逐渐变大，最终成为轴向段独立的压力面；增加的压力面始端位于径向段压力面末端与径向段外机匣面末端之间。
2.根据权利要求1所述的一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器，其特征在于，所述的径向段的前端是楔形。
3.根据权利要求1或2所述的一种径向与轴向扩压器相融合的保型扩压器，其特征在于，扩压器内气流通道的截面形状从径向段的四边形变为转弯段及轴向段五边形。
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