CN114278617B - 一种压缩装置及其流道系统 - Google Patents

Abstract

一种压缩装置及其流道系统，该流道系统包括：机壳，包括贯穿机壳的主通道以及从主通道的内周面向主通道的下游方向延伸的旁通通道；叶轮，包括与主通道同轴设置的轮毂；旁通通道设置在主通道的侧壁内。轮毂的外周面与主通道的内周面之间形成一个环形通道，该环形通道即为主气流流道。在叶轮转动时，叶轮驱动主通道内的气流，旁通通道能作为外涵流道或引气流道来引流，以消除喘振。当旁通通道作为外涵流道时，当打开外涵流道时还可以增加发动机的涵道比，以提高发动机推进效率，降低发动机耗油率。尤其是，旁通流道设置在机壳的侧壁内，使得发动机的迎风面积较小，迎风阻力小。

Description

一种压缩装置及其流道系统

技术领域

本文涉及叶轮机械领域，尤指一种压缩装置及其流道系统。

背景技术

相比于容积式压缩机械，风扇/压气机等叶轮式压缩机械具有流量大、运行平稳、压缩效率高等优势。然而，风扇/压气机存在着单级压缩比相比于容积式压缩机械较小的不足，这导致风扇/压气机往往采用多级串联的气动布局设计。多级串联的气动布局设计带来的一大问题是非设计点的匹配问题，即各级风扇/压气机在设计点匹配良好的前提下，由于需要在工作范围内的不同工作点运行，会导致工况点偏离设计点，出现各级不匹配的问题，且随着级数增加，这种不匹配特性还会随着级数增加而变得更严重。典型情形为当运行转速低于设计转速时，前面级由于体积流量过小而可能发生喘振，而后面级由于体积流量过大而可能发生堵塞，工程中常简称为“前喘后堵”现象；而在运行转速高于设计转速时则情况刚好相反，会发生“前堵后喘”现象。

风扇/压气机子午流道几何设计是其气动设计的关键点之一，其对风扇/压气机的气动性能和匹配特性具有决定性的影响。子午流道是一个由通过风扇/压气机旋转轴线的平面和风扇/压气机气流通道相交所形成的流道截面，一般沿着流动方向是收缩的，即子午流道的总流道面积不断减小，以适应气流压缩之后体积流量的减小。常规的设计一般为“等外径设计”，即将子午流道的外径保持不变，而内径逐渐增加来实现流道的收缩，以更好的利用大半径下周向速度高便于加功的优点。然而，由于风扇/压气机的工作范围需求越来越大，尤其是涉及到空天组合发动机、变循环发动机等，风扇/压气机各级之间的匹配挑战急剧增加，使得很多风扇/压气机均采用级间引气或者设置外涵流道等设计。在这种情况下，由于引气流道或者外涵流道分布于子午流道外端，若继续采用等外径设计，将导致整个风扇/压气机的迎风面积进一步增加，这往往带来很大的负面作用(如体积和重量增加、迎风阻力增加等等)。

发明内容

本申请提供了一种流道系统，其包括：

机壳，包括贯穿所述机壳的主通道以及从所述主通道的内周面向所述主通道的下游方向延伸的旁通通道；

叶轮，包括与所述主通道同轴设置的轮毂；

其中，所述旁通通道设置在所述主通道的侧壁内。

优选地，所述主通道包括分流段以及位于所述分流段下游的常规段；

所述分流段的一端连接于所述常规段的一端，所述分流段越靠近所述常规段则内径越小；

所述旁通通道从所述分流段的内周面向所述主通道的下游方向延伸。

优选地，所述分流段的内周面为圆锥面。

优选地，所述轮毂包括位于所述分流段内的第一段以及位于所述常规段内的第二段；

其中，所述第一段的一端连接于所述第二段的一端，所述第二段越远离所述第一段则外径越大，所述第一段的外径均匀。

优选地，所述旁通通道包括

多个子通道，均设置在所述分流段的侧壁内；以及

汇合通道，设置在所述常规段的侧壁内；

每个所述子通道均从所述分流段的内周面延伸到所述汇合通道。

优选地，所述子通道和所述汇合通道均为横截面为圆环形的通道；

所述子通道、所述汇合通道均与所述主通道同轴设置。

优选地，所述子通道设置有连通于所述分流段的进气口；

多个进气口沿分流段的轴向依次排列，相邻两个进气口相互分开；

所述进气口为环形开口；或

所述进气口包括多个开口，多个开口在所述分流段同一轴向位置且沿分流段的周向分布。

优选地，所述轮毂的外周面与所述主通道的内周面之间形成主气流流道；

进气口设置有N个，N≥2，N个进气口将分流段分隔为N段，每段分流段的内径沿气流的流动方向逐渐减小，在第i段分流段中，所述主气流流道的流通面积缩小量为ΔS_i，其中ΔS_i采用以下算式计算：

其中，R_i-in为第i段分流段内径最大一端的端部的半径，R_i-ex为第i段分流段内径最小一端的端部的半径，R_i-in>R_i-ex；ΔS_i的取值范围为S_Bi≤ΔS_i≤S_i-in，S_Bi为子通道的截面积，由气动设计决定；S_i-in为分流段内径最大一端的端部处主气流流道的流通面积，S_i-in可以采用以下算式计算：

R_i-in为第i段分流段内径最大一端的端部的半径，r_i-in为轮毂在第i段分流段内径最大一端端部处的半径。

优选地，轮毂在第i段分流段内径最小一端端部处的内径r_i-ex满足以下关系式：

其中，S_i-ex为主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积，R_i-ex为第i段分流段内径最小一端端部的半径；

主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积S_i-ex采用以下算式计算：

S_i-ex＝S_i-in÷SR_i

其中，SR_i为主气流流道在第i段分流段内径最大一端端部处的流通面积与主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积之比，该比值由气动设计条件确定，SR_i>1。

优选地，每个所述子通道上均设置有阀门。

本发明还提出了一种压缩装置，其包括如上所述的流道系统。

轮毂的外周面与主通道的内周面之间形成一个环形通道，该环形通道即为主气流流道。在叶轮转动时，叶轮驱动主通道内的气流，旁通通道能作为外涵流道或引气流道来引流，以消除喘振。同时，当旁通通道作为外涵流道时，当打开外涵流道时还可以增加发动机的涵道比(通过外涵流道空气质量流量与通过主气流流道的空气质量流量的比值)，以提高发动机推进效率，降低发动机耗油率。尤其是，旁通流道设置在机壳的侧壁内，使得发动机的迎风面积较小，迎风阻力小。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例中的一种流道系统的局部剖视图；

图2为本申请实施例中的一种流道系统的局部剖视图；

图3为本申请实施例中的一种流道系统的左视示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，图1-3显示了一种压缩装置的流道系统。该压缩装置可以是涡喷航空发动机、涡扇航空发动机、涡轴航空发动机、涡桨航空发动机等常规构型的航空发动机的风扇/压气机结构，也可以是变循环发动机、空天组合发动机等航空动力装置的风扇/压气机结构，还可以是其它流体压缩设备的风扇/压气机结构。该压缩装置包括流道系统。

流道系统包括机壳1和叶轮2。叶轮2设置在机壳1内。叶轮2能绕自身的轴线转动。

机壳1可以构造为大致的筒状结构。机壳1包括上游端101和下游端102。上游端101和下游端102相互背离。机壳1内设置有主通道15和旁通通道14。主通道15为直通道，且贯穿机壳1。该主通道15的内周面为回转面。从上游端101到下游端102的方向上，该主通道15的内径具有减小的趋势。

如图2所示，主通道15包括分流段151和常规段152。分流段151位于常规段152的上游。分流段151的一端连接于常规段152的一端。分流段151背离常规段152的一端靠近上游端101，常规段152背离分流段151的一端靠近下游端102。从上游端101到下游端102的方向上，分流段151的内径逐渐变小。分流段151的内周面可以构造为圆锥面。常规段152的外周面为圆柱面，常规段152的内径均匀。常规段152的内径小于或等于分流段151的最小内径。

旁通通道14设置在主通道15的侧壁内，即旁通通道14设置在机壳1的外周面与主通道15的内周面之间。旁通通道14从直流道的分流段151向下游端102延伸。旁通通道14可以是环形流道，旁通通道14可以与主通道15同轴设置。

叶轮2设置在主通道15内。叶轮2包括轮毂21以及动叶片组。在本实施例中，轮毂21为一体式结构，轮毂21为柱状结构。轮毂21为回转体。轮毂21与主通道15同轴设置。动叶片组设置在轮毂21的外周面上。

轮毂21包括第一段211和第二段212。第一段211的外周面为圆柱面，第一段211的外径均匀。第二段212的一端连接于第一段211的一端。第一段211与第二段212同轴设置。第一段211位于分流段151内，第一段211的外径小于分流段151的最小内径。第二段212设置在常规段152内。从上游端101到下游端102的方向上，第二段212的外径逐渐变大。第二段212的最大外径小于常规段152的内径。

轮毂21的外周面与主通道15的内周面之间形成一个环形通道，该环形通道即为主气流流道16。主气流流道16和旁通通道14组成子午流道。由此，在从上游端101到下游端102的方向上主气流流道16的截面面积具有减小的趋势，而机壳1的侧壁具有增大的趋势，这使得侧壁壁厚较大处能设置旁通通道14。在叶轮2转动时，叶轮2驱动主通道15内的气流从上游端101向下游端102的方向运动，旁通通道14能作为外涵流道或引气流道来引流，以消除喘振。同时，旁通流道设置在机壳1内，使得发动机的迎风面积较小，迎风阻力小。

在一个示意性实施例中，旁通通道14包括多个子通道141和汇合通道142。汇合通道142设置在常规段152的侧壁内，并向下游端102的方向延伸。汇合通道142可以是横截面为圆环形的直通道。汇合通道142与常规段152同轴设置。多个子通道141均设置在分流段151的侧壁内。子通道141为横截面为圆环形的通道。子通道141、汇合通道142均与主通道15同轴设置。多个子通道141均从分流段151的内周面向下游端102延伸，并均连接于汇合通道142。多个子通道141均汇合于汇合通道142。

每个子通道141均设置有一个连通分流段151的进气口143。进气口143设置在分流段151的内周面上。进气口143为环形开口。多个进气口143在分流段151的内周面上同轴设置，且沿分流段151的轴向依次排列。相邻两个进气口143相互分开。

主气流流道16内的气流可以从任意一个进气口143进入到子通道141内，然后从子通道141流入到汇合通道142内。

在一个示意性的实施例中，机壳1包括筒体11、第一分流环12和第二分流环13。筒体11构造为圆筒结构。筒体11的内周面上设置有径向向内的凸起111。该凸起111设置在靠近上游端101的位置。该凸起111包括第一内锥面1111，第一内锥面1111朝向上游端101。

第一分流环12设置在筒体11内，第一分流环12与筒体11同轴设置。第一分流环12的表面包括第二内锥面121。第二内锥面121朝向上游端101。第二内锥面121的最大半径可以小于第一内锥面1111的最小半径。第一分流环12的外周面与筒体11的内周面之间具有环形空腔，该环形空腔为旁通流道的子通道141。

第一内锥面1111、第二内锥面121均为主通道15的分流段151的内周面。

第二分流环13设置在筒体11内，第二分流环13与筒体11同轴设置。第二分流环13设置在第一分流环12背离凸起111的一侧。第二分流环13的外周面与筒体11的内周面之间具有环形通道，该环形通道为旁通流道的子通道141。

第二分流环13位于第一分流环12的下游。第一分流环12和第二分流环13之间间隔设置。第一分流环12与第二分流环13之间具有环形通道，该环形通道为旁通流道的子通道141。

第一分流环12的内周面与筒体11的凸起111的第一内锥面1111之间以及第一分流环12的内周面与第二分流环13的内周面之间均形成子通道141的进气口143。

在一个示意性的实施例中，每个进气口143上均设置有阀门。调节阀门的开度可以调节该阀门所处进气口143的进气量。在主气流流道16内的气流的流速或气压发生变化时可以相应地调节阀门开度来适应主气流流道16内的气流变化，以使得消除喘振的效果最佳。

在一个示意性的实施例中，每个子通道141均处于常开状态，即子通道141的进气口143上均不设置阀门。

进气口143上均不设置阀门，整个流道系统的结构更加简单。

在一个示意性实施例中，动叶片组包括多个第一动叶片22、多个第二动叶片23、多个第三动叶片24和多个第四动叶片25。多个第一动叶片22绕轮毂21的周向均匀分布。第一动叶片22均固定在轮毂21的外周面。多个第一动叶片22设置在同一轴向位置，且均位于第一内锥面1111所围合的区域内。多个第二动叶片23绕轮毂21的周向均匀分布。第二动叶片23均固定在轮毂21的外周面。多个第二动叶片23设置在同一轴向位置，且均位于第二内锥面121所围合的区域内。多个第三动叶片24绕轮毂21的周向均匀分布。第三动叶片24均固定在轮毂21的外周面。多个第三动叶片24设置在同一轴向位置，且均位于常规段152内。多个第四动叶片25绕轮毂21的周向均匀分布。第四动叶片25均固定在轮毂21的外周面。多个第四动叶片25设置在同一轴向位置，且均位于常规段152内，第四动叶片25设置在第三动叶片24靠近下游端102的一侧。

在一个示意性实施例中，流道系统还包括多个第一静叶片41、多个第二静叶片42、多个第三静叶片43和多个第四静叶片44。多个第一静叶片41均固定在第一内锥面1111上，且位于同一轴向位置，第一静叶片41靠近第一动叶片22且位于第一动叶片22的下游。多个第二静叶片42均固定在第二内锥面121上，且位于同一轴向位置，第二静叶片42靠近第二动叶片23且位于第二动叶片23的下游。多个第三静叶片43均固定在常规段152的内周面上，且位于同一轴向位置，第三静叶片43设置在第三动叶片24和第四动叶片25之间。多个第四静叶片44均固定在常规段152的内周面上，且位于同一轴向位置，第四静叶片44靠近第四动叶片25且位于第四动叶片25的下游。

在一个示意性的实施例中，第一分流环12可以设置多个，多个第一分流环12均设置在凸起111与第二分流环13之间。多个第一分流环12沿筒体11的轴向依次排布，相邻两个第一分流环12之间相互间隔开来。每个第一分流环12的外周面与筒体11的内周面之间具有环形空腔，该环形空腔为旁通流道的子通道141。相邻两个第一分流环12的内周面之间也形成子通道141的进气口143。

可以根据气动性能设计要求，确定旁通流道的子通道141的数量，进而确定第一分流环12的数量。

在一个示意性的实施例中，如图2、3所示，进气口143设置有N个，N≥2。N个进气口143将分流段151分隔为N段。每段分流段151的内径沿气流的流动方向逐渐减小。在第i段分流段151中，主气流流道16的流通面积缩小量为ΔS_i，其中ΔS_i采用以下算式计算：

其中，R_i-in为第i段分流段151直径最大一端的端部的半径，R_i-ex为第i段分流段151直径最小一端的端部的半径，R_i-in>R_i-ex；ΔS_i的取值范围为S_Bi≤ΔS_i≤S_i-in，S_Bi为子通道141的截面积，由气动设计决定；S_i-in为分流段151直径最大一端的端部处主气流流道16的流通面积，S_i-in可以采用以下算式计算：

R_i-in为第i段分流段151直径最大一端的端部的半径，r_i-in为轮毂21在第i段分流段151内径最大一端端部处的半径，即轮毂21的第一段211的半径。

在一个示意性的实施例中，轮毂21在第i段分流段151直径最小一端端部处的内径r_i-ex满足以下关系式：

其中，S_i-ex为主气流流道16在第i段分流段151内径最小一端端部处的流通面积，R_i-ex为第i段分流段151内径最小一端端部的半径。

主气流流道16在第i段分流段151内径最小一端端部处的流通面积S_i-ex采用以下算式计算：

S_i-ex＝S_i-in÷SR_i

其中，SR_i为主气流流道16在第i段分流段151内径最大一端端部处的流通面积与主气流流道16在第i段分流段151内径最小一端端部处的流通面积之比，该比值由气动设计条件确定，SR_i>1。

在一个示意性实施例中，轮毂由多个转轴组成。多个转轴同轴设置。多个转轴沿主通道的轴线依次排布。相邻两个转轴同心嵌套在一起。在本实施例中，第一动叶片22可以是设置在第一个转轴上，第二动叶片23可以是设置在第二个转轴上，第三动叶片24和第四动叶片25可以是设置在第三个转轴上。第一个转轴位于第二个转轴的内部，第一个转轴与第二个转轴同心；第二个转轴位于第三个转轴的内部，第二个转轴与第三个转轴同心。

轮毂由多个转轴组成的优点包括但不限于：

1)缓解高增压比压缩系统在低转速运行时的喘振问题，以使发动机能在更宽广的转速和流量范围内稳定工作；

2)改善高增压比压缩系统中各级压气机的级间匹配特性，使压气机前后级尽可能工作在高效率区，以提高气动性能。

在一个示意性的实施例中，一个进气口143可以由多个开口组成。多个开口均设置在分流段151的内周面上，组成该进气口151的多个开口在分流段151的同一轴向位置且沿分流段151的周向均匀分布。

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种流道系统，其特征在于，包括：

机壳，包括贯穿所述机壳的主通道以及从所述主通道的内周面向所述主通道的下游方向延伸的旁通通道；

叶轮，包括与所述主通道同轴设置的轮毂；

其中，所述旁通通道设置在所述主通道的侧壁内；

所述主通道包括分流段以及位于所述分流段下游的常规段；

所述分流段的一端连接于所述常规段的一端，所述分流段越靠近所述常规段则内径越小；

所述旁通通道从所述分流段的内周面向所述主通道的下游方向延伸；

所述轮毂包括位于所述分流段内的第一段以及位于所述常规段内的第二段；

其中，所述第一段的一端连接于所述第二段的一端，所述第二段越远离所述第一段则外径越大，所述第一段的外径均匀。

2.根据权利要求1所述的流道系统，其特征在于，所述分流段的内周面为圆锥面。

3.根据权利要求1所述的流道系统，其特征在于，所述旁通通道包括

多个子通道，均设置在所述分流段的侧壁内；以及

汇合通道，设置在所述常规段的侧壁内；

每个所述子通道均从所述分流段的内周面延伸到所述汇合通道。

4.根据权利要求3所述的流道系统，其特征在于，所述子通道和所述汇合通道均为横截面为圆环形的通道；

所述子通道、所述汇合通道均与所述主通道同轴设置。

5.根据权利要求4所述的流道系统，其特征在于，所述子通道设置有连通于所述分流段的进气口；

多个进气口沿分流段的轴向依次排列，相邻两个进气口相互分开；

所述进气口为环形开口；或

所述进气口包括多个开口，多个开口在所述分流段同一轴向位置且沿分流段的周向分布。

6.根据权利要求5所述的流道系统，其特征在于，所述轮毂的外周面与所述主通道的内周面之间形成主气流流道；

进气口设置有N个，N≥2，N个进气口将分流段分隔为N段，每段分流段的内径沿气流的流动方向逐渐减小，在第i段分流段中，所述主气流流道的流通面积缩小量为ΔS_i，其中ΔS_i采用以下算式计算：

其中，R_i-in为第i段分流段内径最大一端的端部的半径，R_i-ex为第i段分流段内径最小一端的端部的半径，R_i-in>R_i-ex；ΔS_i的取值范围为S_Bi≤ΔS_i≤S_i-in，S_Bi为子通道的截面积，由气动设计决定；S_i-in为分流段内径最大一端的端部处主气流流道的流通面积，S_i-in可以采用以下算式计算：

R_i-in为第i段分流段内径最大一端的端部的半径，r_i-in为轮毂在第i段分流段内径最大一端端部处的半径。

7.根据权利要求6所述的流道系统，其特征在于，轮毂在第i段分流段内径最小一端端部处的半径r_i-ex满足以下关系式：

其中，S_i-ex为主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积，R_i-ex为第i段分流段内径最小一端端部处的半径；

主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积S_i-ex采用以下算式计算：

S_i-ex＝S_i-in÷SR_i

其中，SR_i为主气流流道在第i段分流段内径最大一端端部处的流通面积与主气流流道在第i段分流段内径最小一端端部处的流通面积之比，该比值由气动设计条件确定，SR_i>1。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的流道系统，其特征在于，每个所述子通道上均设置有阀门；或

每个所述子通道均处于常开状态。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的流道系统，其特征在于，所述轮毂由多个转轴组成，多个所述转轴沿所述主通道的轴线依次排布；或

所述轮毂为一体式结构。

10.一种压缩装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的流道系统。

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