CN116291743B - 飞机辅助动力装置及组合式混流涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机辅助动力装置及组合式混流涡轮，属于飞机辅助动力设备领域。飞机辅助动力装置包括组合式混流涡轮，组合式混流涡轮包括相互连接的前排转子与后排转子；前排转子与后排转子分别均布多个叶片；前排转子上的前排叶片与后排转子上的后排叶片相互配合组成串列叶栅；混流涡轮的进出口落差主要分布在前排转子上；混流涡轮的叶片弯角主要分布在后排转子上。将传统混流涡轮改进为分体组合结构，叶片采用串列叶栅，转子盘体为两个独立的等强度盘；结构上涡轮转子由两个独立的转子组合而成，两个盘体可分别进行等强度设计，提高材料利用率，减轻转子质量；两个转子可根据工作温度不同选用不同种材料，进一步降低部件质量或制造成本。

Description

飞机辅助动力装置及组合式混流涡轮

技术领域

本发明涉及一种飞行器辅助动力机构及涡轮，具体讲是一种飞机辅助动力装置及组合式混流涡轮，属于飞机辅助动力设备领域。

背景技术

涡轮是一种将工质热能转化为机械能的叶片式流体机械。按照工质的流动方向，涡轮可以分为轴流式、径流式与混流式。混流式涡轮是一种介于轴流和径流之间的涡轮形式，在径流涡轮的基础上，混流涡轮的子午流路转折角相对平缓。因此，混流涡轮不仅具有径流涡轮单级落压比高、制造成本低的特点，同样具有轴流涡轮效率高的优点，在飞机辅助动力装置（APU）、微小型涡轮喷气动力以及涡轮增压器等领域得到了越来越多的应用。

但混流涡轮内部流动不仅存在较大的半径变化，还存在较大的周向角度变化，叶片通道内部的三维流动复杂，性能较差，相关设计方法也并不成熟。此外，目前混流涡轮转子成型方式多为整体铸造，转子轮盘材料整体利用率低，盘体质量过大，导致转子动力学设计较为困难。以上两个原因导致混流涡轮尚未在较大量级的流体机械中得到广泛应用。

为了解决混流涡轮效率偏低的问题，国内外学者已经进行了一些探索。2010年12月15日，中国发明专利申请2010101982752，公开了一种带有串列叶型的混流或径流涡轮，通过前后排叶片间的间隙形成的气流吹除作用，抑制叶片前缘附近的流动分离，减弱二次流动，扩大高效运行范围，改善涡轮在非设计工况及脉冲进气条件下的总体性能，但其涡轮转子盘体仍为整体式结构，并没有改变混流涡轮盘体质量过大的缺点，制约了其在飞机辅助动力装置（APU）、微小型涡轮喷气动力以及涡轮增压器等领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种采用分体结构设计，能有效降低质量、提升效率的组合式混流涡轮。

为了解决上述技术问题，本发明提供的组合式混流涡轮，包括相互连接的前排转子与后排转子；所述前排转子与后排转子分别均布多个叶片；所述前排转子上的前排叶片与后排转子上的后排叶片相互配合组成串列叶栅；

所述混流涡轮的进出口落差主要分布在前排转子上；

所述混流涡轮的叶片弯角主要分布在后排转子上。

本发明中，所述前排叶片进出口平均落差与转子叶片进出口总平均落差的比值处于0.65~0.75之间；

所述前排叶片进出口平均落差与转子叶片进出口总平均落差的比值等于(r1in-r1out)/(r1in-r2out)；式中，r1in为前排叶片进口平均半径、r1out为前排叶片出口平均半径、r2out为后排叶片出口平均半径。

本发明中，所述前排叶片弯角与转子叶片总弯角的比值处于0.25~0.35之间；

前排叶片弯角与转子叶片总弯角的比值等于(α2-α1)/(β2-α1)；式中，α1为前排叶片的叶片进口角度，α2为前排叶片的叶片出口角度，β2为后排叶片的叶片出口角度。

本发明中，所述前排叶片与后排叶片数量比值为1:1或1:2。

本发明中，所述前排转子与后排转子之间设有泄压缝或者泄压孔。

本发明中，所述前排转子与后排转子之间设有相对定位和定心结构；

所述相对定位和定心结构包括位于前排转子出口端面的第一侧盘和位于后排转子进口端面的第二侧盘；

所述第一侧盘中心布置有外圆定心面，出口端面和多个周向分布的限位键；所述第二侧盘中心布置内圆定心面，进口端面和多个周向分布的限位槽；

所述外圆定心面与内圆定心面结构相适配；所述限位键与限位槽数量相对应、结构相适配；所述出口端面和进口端面相贴合。

本发明还提供了一种飞机辅助动力装置，包括前述组合式混流涡轮。

本发明的有益效果在于：（1）将传统混流涡轮改进为分体组合结构，叶片采用串列叶栅，转子盘体为两个独立的等强度盘，其在结构上，涡轮转子由两个独立的转子组合而成，两个盘体可分别进行等强度设计，提高材料利用率，从而大幅减轻转子质量；且两个转子可根据工作温度不同选用不同种材料，进一步降低部件质量或制造成本；在气动性能上，涡轮转子的进出口落差负荷主要分布于前排转子，而叶片弯角负荷主要分布于后排转子，这样前排转子更接近径流涡轮，而后排转子更接近轴流涡轮，这种布置可使涡轮在设计过程中充分借鉴径流涡轮与轴流涡轮成熟的设计经验，设计精度更高，结果更可靠；（2）本发明在保持落压比与传统混流涡轮相当的前提下，气动效率提升0.8%，达到传统轴流涡轮的水平；转子质量相比于传统混流涡轮可下降57%；若应用于涡轮喷气发动机，可降低发动机设计难度，降低发动机耗油率，提升发动机推重比；（3）前排转子与后排转子之间的泄压缝或者泄压孔，可以实现组合式混流涡轮盘体内部空腔与外部的连通，以达到泄压之目的；（4）通过相对定位结构在设计在方便装配的同时，大大保证了前排转子与后排转子的相对定位，提升了其工作的可靠性与稳定性；（5）本发明相比于传统径流涡轮具有质量轻、成本低等优点，利用本发明的组合式混流涡轮，可有效降低APU的质量与制造成本，符合技术发展趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为组合式混流涡轮结构示意图；

图2为前排转子结构示意图；

图3为后排转子结构示意图；

图4为转子子午面流道示意图以及转子进出口半径定义示意图；

图5为转子串列叶栅示意图以及叶栅几何参数定义示意图；

图6为组合式混流涡轮转子剖面示意图以及泄压缝/孔、盘体中间空腔示意图，（a）泄压缝式结构，（b）泄压孔式结构；

图7为组合式混流涡轮转子与主轴的连接方式示意图，（a）焊接方式，（b）大螺母压紧方式；

图8飞机辅助动力装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至3所示，本实施例提供的组合式混流涡轮包括前排转子1与后排转子2，两个转子的盘体分别进行独立的等强度设计。其中，前排转子1包括前排叶片11、前排流道出口端面12、周向限位键13、外圆定心面14与前排盘体后端面15；前排叶片11均布在前排转子1的盘体上。后排转子2包括后排叶片21、后排流道进口端面22、周向限位槽23、内圆定心面24与后排盘体前端面25；后排叶片21分别均布在后排转子2的盘体上。

本实施例中，定义前排叶片11的叶片数为Z1，后排叶片21的叶片数为Z2，前后排叶片21数比值Z1:Z2为1:1，前排转子1上的前排叶片11与后排转子2上的后排叶片21相互配合组成串列叶栅。

本实施例中，前排转子1与后排转子2的转子盘体分别进行独立的等强度设计，这样可以大幅提高材料的利用率。为了在结构上实现两个分体转子的相对定位，在前排转子1出口端面一侧盘中心布置有周向限位键13（四个）与前排盘体后端面15，后排转子2进口端面一侧盘中心布置有周向限位槽23（四个）和后排盘体前端面25。前排叶片11与后排转子2的周向定位通过周向限位键13和周向限位槽23的配合实现；前排叶片11与后排转子2的定心通过外圆定心面14和内圆定心面24的配合实现，两个转子的轴向定位通过前排盘体后端面15与后排盘体前端面25的轴向贴合实现。

如图7所示，前排转子1与后排转子2之间传递扭矩的方式为：将前排盘体后端面15与后排盘体前端面25利用大螺母压紧，通过端面摩擦辅以周向限位键13与周向限位槽23配合的方式进行传扭。当然，也可以通过扩散焊工艺，将前排盘体后端面15与后排盘体前端面25进行连接，传递扭矩。

众所周知，涡轮主要通过子午流面进出口落差与叶片进出口角度差实现功的输出。在混流涡轮中，既存在子午流面进出口半径的较大幅度变化，又存在叶片进出口角度的较大幅度变化，使得混流涡轮内部流动相对复杂，设计困难，相关设计方法也并不成熟。鉴于以上原因，本实施采用前后两排叶片，将半径的变化与角度的变化进行剥离：即子午流面进出口半径的变化主要集中在前排叶片11，而叶片进出口角度的变化主要集中在后排叶片21，这样前排转子1在设计方法上更接近径流涡轮，而后排转子2更接近轴流涡轮，在设计过程中可参考对应的设计方法进行。基于该理念，本实施例对叶片部分参数做出如下限定：

如图4所示，定义前排叶片11的进口平均半径为r1in，前排叶片11的出口平均半径为r1out，对应后排叶片21的进口平均半径为r2in，后排叶片21的出口平均半径分别与r2out。则前排叶片11进出口平均落差为r1in-r1out，后排叶片21进出口平均落差为r2in-r2out，转子叶片（前排叶片11和后排叶片21）进出口总平均落差为r1in-r2out，前后排叶片21的径向间隙为r1out-r2in。

本实施例中，前排叶片11进出口平均落差与转子叶片进出口总平均落差的比值(r1in-r1out)/(r1in-r2out)处于0.65~0.75之间，即涡轮转子的进出口落差主要分布在前排转子1上。

如图5所示，定义前排叶片11的叶片进口角度为α1（叶片前缘切线与轴向的夹角，规定与旋转方向相同为正角度），前排叶片11的出口角度为α2（叶片尾缘切线与轴向的夹角），后排叶片21对应的进口角度为β1，后排叶片21对应的出口角度为β2。则前排叶片1111弯角为α2-α1，后排叶片21弯角为β2-β1，转子叶片总弯角为β2-α1。

本实施例中，前排叶片11弯角与转子叶片总弯角的比值 (α2-α1)/(β2-α1)处于0.25~0.35之间，即涡轮转子的叶片弯角主要分布在后排转子2上。

如图6所示，前排叶片11与后排转子2组合后，两盘体中间存在一空腔，为防止空腔因温度剧烈变化产生内应力，前排流道出口端面12与后排流道进口端面22并不接触，两者之间形成一道泄压缝或者泄压孔，实现内部空腔与外部连通，达到泄压作用。

随着涡轮转子内部工质能量的转化，从进口至出口，工质温度是逐渐降低的，即前排转子1与后排转子2内部工质温度并不相同，呈现前排转子1温度高、后排转子2温度低的趋势。这样在实际使用过程中，可根据不同转子各自工质温度选用同种或不同的材料，以实现进一步控制部件成本以及整体质量的目的。

本实施例中，涡轮转子与主轴的连接方式采用焊接的方式。选用焊接方式时，主轴材料选择需满足现有标准的焊接工艺要求。

在另一实施例中，定义前排叶片11的叶片数为Z1，后排叶片21的叶片数为Z2，前后排叶片21数比值Z1:Z2为1:2。涡轮转子与主轴采用主螺母压紧的方式，其优点是主轴材料选择相对自由。

航空器辅助动力装置（APU）是指航空器上独立于主动力装置之外，可独立输出功率或压缩空气的小型动力装置，结构形式一般是小型的燃气涡轮发动机。随着技术的发展，轻量化、低成本是未来先进APU的方向发展之一。如图8所示，本实施例提供的飞机辅助动力装置主要包括前排转子1、后排转子2、功率输出轴3、减速器4、主轴8、压气机5、燃烧室6、和尾喷管7。主轴8的一端通过减速器4连接功率输出轴3，压气机5通过主轴8与前排转子1、后排转子2相连接。本实施例中，前排转子1、后排转子2组成组合式混流涡轮。需要特别指出的是，现有的采用涡喷发动机结构的航空器辅助动力装置，基本均包括进气道、压气机5、燃烧室6、涡轮和尾喷管7等部件，这也是涡喷发动机的几大基本构成部件，对上述现有结构的具体连接关系本实施例不再展开赘述。

本实施例提供的飞机辅助动力装置，由于采用的涡轮转子为两个独立的转子组合而成，两个盘体可分别进行等强度设计，可大大提高材料的利用率，从而大幅减轻转子质量，进而可有效降低APU的本身质量与制造成本，符合当前技术发展趋势。

本发明提供了一种飞机辅助动力装置及组合式混流涡轮的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种组合式混流涡轮，其特征在于：包括相互连接的前排转子与后排转子；所述前排转子与后排转子分别均布多个叶片；所述前排转子上的前排叶片与后排转子上的后排叶片相互配合组成串列叶栅；

所述混流涡轮的进出口落差主要分布在前排转子上；

所述混流涡轮的叶片弯角主要分布在后排转子上；

所述前排叶片进出口平均落差与转子叶片进出口总平均落差的比值处于0.65~0.75之间；

所述前排叶片进出口平均落差与转子叶片进出口总平均落差的比值等于(r1in-r1out)/(r1in-r2out)；式中，r1in为前排叶片进口平均半径、r1out为前排叶片出口平均半径、r2out为后排叶片出口平均半径；

所述前排叶片弯角与转子叶片总弯角的比值处于0.25~0.35之间；

前排叶片弯角与转子叶片总弯角的比值等于(α2-α1)/(β2-α1)；式中，α1为前排叶片的叶片进口角度，α2为前排叶片的叶片出口角度，β2为后排叶片的叶片出口角度；

所述前排转子与后排转子之间设有相对定位和定心结构；

所述相对定位和定心结构包括位于前排转子出口端面的第一侧盘和位于后排转子进口端面的第二侧盘；

所述第一侧盘中心布置有外圆定心面，出口端面和多个周向分布的限位键；所述第二侧盘中心布置内圆定心面，进口端面和多个周向分布的限位槽；

所述外圆定心面与内圆定心面结构相适配；所述限位键与限位槽数量相对应、结构相适配；所述出口端面和进口端面相贴合。

2.根据权利要求1所述的组合式混流涡轮，其特征在于：所述前排叶片与后排叶片数量比值为1:1或1:2。

3.根据权利要求1或2所述的组合式混流涡轮，其特征在于：所述前排转子与后排转子之间设有泄压缝或者泄压孔。

4.一种飞机辅助动力装置，其特征在于：包括权利要求1所述的组合式混流涡轮。