CN117404335B - 一种用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法 - Google Patents

一种用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于涡轮发动机技术领域，公开了一种用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法。旋转扩压器包括旋转扩压器叶片、旋转扩压器机匣和旋转扩压器轮盘；旋转扩压器轮盘的旋转扩压器轮盘轴位于旋转扩压器机匣的中心轴线上，旋转扩压器轮盘的轮毂面上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片，旋转扩压器叶片叶顶与旋转扩压器机匣的内壁面之间具有隔离缝隙。旋转扩压器的设计方法在缩短旋转扩压器轴向尺寸且尽可能减小或消除内部流动分离的前提下，实现了将高增压比风扇转子出口高速气流减速扩压至绝对亚声速，通过旋转扩压器与高压比风扇转子共轴，实现了结构紧凑、高效地对高速气流进行减速扩压。

Description

一种用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法
技术领域
本发明属于涡轮发动机技术领域，具体涉及一种用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法。
背景技术
涡轮发动机是航空飞行器的“心脏”，为其提供核心动力。当今，军用和民用航空飞行器均朝着高速化发展，因而对涡轮发动机提出了高速、高效的需求。作为先进涡轮发动机的核心部件之一的风扇，承担着对发动机来流空气进行增压、减速的关键任务。为了增大发动机推重比，势必需要减小风扇级数，同时为了提升风扇的总压比，还需要在减小级数的同时增加单个转子对气流的做功能力。适当增加转子轴向速度，是较为直接有效提升转子做功能力的气动设计手段。但是，轴向速度的增加会导致转子出口气流速度显著增大，为了实现先进涡轮发动机中的风扇与高压压气机的高效匹配，发展一款能够实现将高增压比转子出口高速气流在单个叶片排内高效减速扩压至绝对亚声速的扩压器，是突破先进涡轮发动机高速飞行的关键核心技术之一。对于高增压比转子出口的高速气流，若想通过常规静止扩压叶栅将高速流体减速至亚声速，需要利用斜激波与结尾正激波或激波串进行减速扩压，这将导致常规静止扩压叶栅的轴向长度较长，而且会在结尾正激波或激波串之后的叶栅流道内出现大范围的流动分离。
当前，亟需发展一种新型的用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于涡轮发动机的旋转扩压器，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于涡轮发动机的旋转扩压器的设计方法，用以克服现有技术的缺陷。
本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器，其特点是，旋转扩压器和高压比风扇同中心轴线，按照气流流动方向，旋转扩压器安装在高压比风扇的下游，高压比风扇和旋转扩压器之间通过同轴反转锥齿轮组固定；所述的旋转扩压器包括旋转扩压器叶片、旋转扩压器机匣和旋转扩压器轮盘；高压比风扇包括高压比风扇转子叶片、高压比风扇转子机匣和高压比风扇转子轮盘；
旋转扩压器机匣和高压比风扇转子机匣为径向尺寸相同、长度不同的圆管；旋转扩压器机匣的内壁面沿气流方向平直，高压比风扇转子机匣的内壁面也沿气流方向平直；
旋转扩压器轮盘的旋转扩压器轮盘轴位于旋转扩压器机匣的中心轴线上，旋转扩压器轮盘的轮毂面上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片，旋转扩压器叶片叶顶与旋转扩压器机匣的内壁面之间具有隔离缝隙；旋转扩压器轮盘的轮毂面沿气流方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片的出口变为水平；高压比风扇转子轮盘的高压比风扇转子轮盘轴与旋转扩压器轮盘轴同中心轴线，高压比风扇转子轮盘的轮毂面上设置沿周向均匀分布高压比风扇转子叶片，高压比风扇转子叶片叶顶与高压比风扇转子机匣的内壁面之间也具有隔离缝隙，高压比风扇转子叶片与旋转扩压器叶片的旋向相反；高压比风扇转子轮盘的轮毂面沿气流方向逐渐扩大，与旋转扩压器轮盘的轮毂面之间平滑过渡；
同轴反转锥齿轮组包括顺序连接的主动锥齿轮、换向锥齿轮和从动锥齿轮，主动锥齿轮、换向锥齿轮和从动锥齿轮均固定在齿轮组固定架上；齿轮组固定架为n型架，两端分别固定在旋转扩压器轮盘轴和高压比风扇转子轮盘轴上；主动锥齿轮连接旋转扩压器轮盘轴；从动锥齿轮连接高压比风扇转子轮盘轴。
进一步地，所述的隔离缝隙的宽度为0.2mm。
进一步地，所述的旋转扩压器叶片的叶型由预先选取的若干典型叶高截面上的二维叶型按照重心积叠的方式进行三维成型，各典型叶高截面上的二维叶型的进口几何角与经高压比风扇转子叶片的出口绝对气流角在叠加旋转扩压器圆周速度后的相对进口气流角一致。
本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器的设计方法，包括以下步骤：
S10.进行旋转扩压器的总体结构设计；
以旋转扩压器的外径和轴向长度均不大于所匹配的高压比风扇作为总体结构尺寸限制要求，布局旋转扩压器的总体结构；
旋转扩压器包括旋转扩压器叶片、旋转扩压器机匣和旋转扩压器轮盘，旋转扩压器轮盘的旋转扩压器轮盘轴位于旋转扩压器机匣的中心轴线上，旋转扩压器轮盘的轮毂面上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片，旋转扩压器叶片叶顶与旋转扩压器机匣的内壁面之间具有隔离缝隙；
S20.设计旋转扩压器叶片的二维叶型；
旋转扩压器叶片包括叶片根部、叶片中部和叶片顶部在内的N个典型叶高截面，N为大于等于3的奇数，对典型叶高截面进行二维叶型设计；
旋转扩压器叶片各典型叶高截面二维叶型的进口几何角，根据旋转扩压器叶片对应的高压比风扇转子叶片的典型叶高截面出口绝对气流角叠加圆周速度求出；旋转扩压器叶片各典型叶高截面二维叶型的出口几何角，根据各对应截面的负荷需求给出，再通过三维数值仿真的流场特性和总体性能要求进行迭代调整；
S30.设计旋转扩压器机匣和旋转扩压器轮盘；
为了减小壁面形状变化对旋转扩压器机匣的内壁面与旋转扩压器叶片叶顶之间的间隙内流动的影响，旋转扩压器机匣的内壁面沿流动方向水平；为了减小旋转扩压器叶片根部的进口气流速度，进而减弱进口斜激波强度，旋转扩压器轮盘的轮毂面沿流动方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片的出口变为水平；
S40.设计旋转扩压器叶片；
将旋转扩压器叶片的二维叶型，按照重心积叠的方式进行三维成型，得到旋转扩压器叶片的三维叶型；再根据旋转扩压器叶片与高压比风扇转子叶片之间的轴向间距，确定旋转扩压器叶片的轴向位置，并将旋转扩压器叶片安装在旋转扩压器轮盘的轮毂面上；同时旋转扩压器叶片的叶顶与旋转扩压器机匣的内壁面之间设置宽度为0.2mm的隔离缝隙；
S50.设计同轴反转锥齿轮组；
同轴反转锥齿轮组的主动锥齿轮与旋转扩压器轮盘轴连接，同轴反转锥齿轮组的从动锥齿轮与高压比风扇转子轮盘轴连接，同轴反转锥齿轮组的换向锥齿轮连接主动锥齿轮与从动锥齿轮，同轴反转锥齿轮组的主动锥齿轮、换向锥齿轮以及从动锥齿轮由作为静止部件的齿轮组固定架组合固定在一起。
本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器通过同轴反转锥齿轮组实现旋转扩压器与高压比风扇转子同轴反转，旋转扩压器叶片的安装角大于常规静止扩压叶栅，使得旋转扩压器的轴向长度更小。本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器通过综合利用进口斜激波和叶型流道收缩对高速气流进行减速扩压，使得整个旋转扩压器流道内均为相对超声速流动，不存在常规静止扩压叶栅中的结尾正激波或激波串，避免了大范围的流动分离。高速气流经过旋转扩压器减速扩压之后，在出口降为较低的相对超声速状态，通过相对坐标系与绝对坐标系之间速度的换算，旋转扩压器出口速度为绝对亚声速。
本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器具有以下特点：
a.旋转扩压器与高压比风扇转子同轴反转，进口相对气流角与轴线方向的夹角大于常规静止扩压叶栅，旋转扩压器叶片安装角也大于常规静止扩压叶栅，实现了旋转扩压器的轴向长度更小，结构更紧凑；
b.旋转扩压器整个流道内均为相对超声速流动，不存在常规静止扩压叶栅中的结尾正激波或激波串，避免了由结尾正激波或激波串引发的大范围流动分离，更为高效；
c.旋转扩压器与高压比风扇转子依靠一组简单可靠的同轴反转锥齿轮组结构实现同轴反转，拆装方便、可靠性高且易于维护。
本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器设计方法通过同轴反转锥齿轮组实现了旋转扩压器与高压比风扇转子同轴反转，利用旋转扩压器的叶型进口斜激波和叶型流道收缩对高速气流进行减速扩压，使得整个旋转扩压器流道内均为相对超声速流动，避免了大范围的流动分离，确保了旋转扩压器尺寸紧凑、扩压高效、结构可靠。
总而言之，本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器及其设计方法在缩短旋转扩压器轴向尺寸且尽可能减小或消除内部流动分离的前提下，实现了将高增压比风扇转子出口高速气流减速扩压至绝对亚声速，通过旋转扩压器与高压比风扇转子共轴，实现了结构紧凑、高效地对高速气流进行减速扩压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器的结构示意图；
图2为本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器与高压比风扇转子装配结构示意图（立体图）；
图3为本发明的用于涡轮发动机的旋转扩压器与高压比风扇转子装配结构示意图（剖面图）。
图中，1.旋转扩压器叶片；2.旋转扩压器机匣；3.旋转扩压器轮盘；4.同轴反转锥齿轮组；5.高压比风扇转子叶片；6.高压比风扇转子机匣；7.高压比风扇转子轮盘；
2-1.内壁面；3-1.轮毂面；3-2.旋转扩压器轮盘轴；4-1.主动锥齿轮；4-2.换向锥齿轮；4-3.从动锥齿轮；4-4.齿轮组固定架；7-1.高压比风扇转子轮盘轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
如图1、图2、图3所示，本实施例的用于涡轮发动机的旋转扩压器和高压比风扇同中心轴线，按照气流流动方向，旋转扩压器安装在高压比风扇的下游，高压比风扇和旋转扩压器之间通过同轴反转锥齿轮组4固定；所述的旋转扩压器包括旋转扩压器叶片1、旋转扩压器机匣2和旋转扩压器轮盘3；高压比风扇包括高压比风扇转子叶片5、高压比风扇转子机匣6和高压比风扇转子轮盘7；
旋转扩压器机匣2和高压比风扇转子机匣6为径向尺寸相同、长度不同的圆管；旋转扩压器机匣2的内壁面2-1沿气流方向平直，高压比风扇转子机匣6的内壁面也沿气流方向平直；
旋转扩压器轮盘3的旋转扩压器轮盘轴3-2位于旋转扩压器机匣2的中心轴线上，旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片1，旋转扩压器叶片1叶顶与旋转扩压器机匣2的内壁面2-1之间具有隔离缝隙；旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1沿气流方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片1的出口变为水平；高压比风扇转子轮盘7的高压比风扇转子轮盘轴7-1与旋转扩压器轮盘轴3-2同中心轴线，高压比风扇转子轮盘7的轮毂面上设置沿周向均匀分布高压比风扇转子叶片5，高压比风扇转子叶片5叶顶与高压比风扇转子机匣6的内壁面2-1之间也具有隔离缝隙，高压比风扇转子叶片5与旋转扩压器叶片1的旋向相反；高压比风扇转子轮盘7的轮毂面沿气流方向逐渐扩大，与旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1之间平滑过渡；
同轴反转锥齿轮组4包括顺序连接的主动锥齿轮4-1、换向锥齿轮4-2和从动锥齿轮4-3，主动锥齿轮4-1、换向锥齿轮4-2和从动锥齿轮4-3均固定在齿轮组固定架4-4上；齿轮组固定架4-4为n型架，两端分别固定在旋转扩压器轮盘轴3-2和高压比风扇转子轮盘轴7-1上；主动锥齿轮4-1连接旋转扩压器轮盘轴3-2；从动锥齿轮4-3连接高压比风扇转子轮盘轴7-1。
进一步地，所述的隔离缝隙的宽度为0.2mm。
进一步地，所述的旋转扩压器叶片1的叶型由预先选取的若干典型叶高截面上的二维叶型按照重心积叠的方式进行三维成型，各典型叶高截面上的二维叶型的进口几何角与经高压比风扇转子叶片5的出口绝对气流角在叠加旋转扩压器圆周速度后的相对进口气流角一致。
本实施例的用于涡轮发动机的旋转扩压器的设计方法，包括以下步骤：
S10.进行旋转扩压器的总体结构设计；
以旋转扩压器的外径和轴向长度均不大于所匹配的高压比风扇作为总体结构尺寸限制要求，布局旋转扩压器的总体结构；
旋转扩压器包括旋转扩压器叶片1、旋转扩压器机匣2和旋转扩压器轮盘3，旋转扩压器轮盘3的旋转扩压器轮盘轴3-2位于旋转扩压器机匣2的中心轴线上，旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片1，旋转扩压器叶片1叶顶与旋转扩压器机匣2的内壁面2-1之间具有隔离缝隙；
S20.设计旋转扩压器叶片1的二维叶型；
旋转扩压器叶片1包括叶片根部、叶片中部和叶片顶部在内的N个典型叶高截面，N为大于等于3的奇数，对典型叶高截面进行二维叶型设计；
旋转扩压器叶片1各典型叶高截面二维叶型的进口几何角，根据旋转扩压器叶片1对应的高压比风扇转子叶片5的典型叶高截面出口绝对气流角叠加圆周速度求出；旋转扩压器叶片1各典型叶高截面二维叶型的出口几何角，根据各对应截面的负荷需求给出，再通过三维数值仿真的流场特性和总体性能要求进行迭代调整；
S30.设计旋转扩压器机匣2和旋转扩压器轮盘3；
为了减小壁面形状变化对旋转扩压器机匣2的内壁面2-1与旋转扩压器叶片1叶顶之间的间隙内流动的影响，旋转扩压器机匣2的内壁面2-1沿流动方向水平；为了减小旋转扩压器叶片1根部的进口气流速度，进而减弱进口斜激波强度，旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1沿流动方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片1的出口变为水平；
S40.设计旋转扩压器叶片1；
将旋转扩压器叶片1的二维叶型，按照重心积叠的方式进行三维成型，得到旋转扩压器叶片1的三维叶型；再根据旋转扩压器叶片1与高压比风扇转子叶片5之间的轴向间距，确定旋转扩压器叶片1的轴向位置，并将旋转扩压器叶片1安装在旋转扩压器轮盘3的轮毂面3-1上；同时旋转扩压器叶片1的叶顶与旋转扩压器机匣2的内壁面2-1之间设置宽度为0.2mm的隔离缝隙；
S50.设计同轴反转锥齿轮组4；
同轴反转锥齿轮组4的主动锥齿轮4-1与旋转扩压器轮盘轴3-2连接，同轴反转锥齿轮组4的从动锥齿轮4-3与高压比风扇转子轮盘轴7-1连接，同轴反转锥齿轮组4的换向锥齿轮4-2连接主动锥齿轮4-1与从动锥齿轮4-3，同轴反转锥齿轮组4的主动锥齿轮4-1、换向锥齿轮4-2以及从动锥齿轮4-3由作为静止部件的齿轮组固定架4-4组合固定在一起。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于涡轮发动机的旋转扩压器，其特征在于，旋转扩压器和高压比风扇同中心轴线，按照气流流动方向，旋转扩压器安装在高压比风扇的下游，高压比风扇和旋转扩压器之间通过同轴反转锥齿轮组（4）固定；所述的旋转扩压器包括旋转扩压器叶片（1）、旋转扩压器机匣（2）和旋转扩压器轮盘（3）；高压比风扇包括高压比风扇转子叶片（5）、高压比风扇转子机匣（6）和高压比风扇转子轮盘（7）；
旋转扩压器机匣（2）和高压比风扇转子机匣（6）为径向尺寸相同、长度不同的圆管；旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）沿气流方向平直，高压比风扇转子机匣（6）的内壁面也沿气流方向平直；
旋转扩压器轮盘（3）的旋转扩压器轮盘轴（3-2）位于旋转扩压器机匣（2）的中心轴线上，旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片（1），旋转扩压器叶片（1）叶顶与旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）之间具有隔离缝隙；旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）沿气流方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片（1）的出口变为水平；高压比风扇转子轮盘（7）的高压比风扇转子轮盘轴（7-1）与旋转扩压器轮盘轴（3-2）同中心轴线，高压比风扇转子轮盘（7）的轮毂面上设置沿周向均匀分布高压比风扇转子叶片（5），高压比风扇转子叶片（5）叶顶与高压比风扇转子机匣（6）的内壁面（2-1）之间也具有隔离缝隙，高压比风扇转子叶片（5）与旋转扩压器叶片（1）的旋向相反；高压比风扇转子轮盘（7）的轮毂面沿气流方向逐渐扩大，与旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）之间平滑过渡；
同轴反转锥齿轮组（4）包括顺序连接的主动锥齿轮（4-1）、换向锥齿轮（4-2）和从动锥齿轮（4-3），主动锥齿轮（4-1）、换向锥齿轮（4-2）和从动锥齿轮（4-3）均固定在齿轮组固定架（4-4）上；齿轮组固定架（4-4）为n型架，两端分别固定在旋转扩压器轮盘轴（3-2）和高压比风扇转子轮盘轴（7-1）上；主动锥齿轮（4-1）连接旋转扩压器轮盘轴（3-2）；从动锥齿轮（4-3）连接高压比风扇转子轮盘轴（7-1）。
2.根据权利要求1所述的用于涡轮发动机的旋转扩压器，其特征在于，所述的隔离缝隙的宽度为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的用于涡轮发动机的旋转扩压器，其特征在于，所述的旋转扩压器叶片（1）的叶型由预先选取的若干典型叶高截面上的二维叶型按照重心积叠的方式进行三维成型，各典型叶高截面上的二维叶型的进口几何角与经高压比风扇转子叶片（5）的出口绝对气流角在叠加旋转扩压器圆周速度后的相对进口气流角一致。
4.一种用于涡轮发动机的旋转扩压器的设计方法，其用于设计权利要求1~3中任意一种所述的用于涡轮发动机的旋转扩压器，其特征在于，包括以下步骤：
S10.进行旋转扩压器的总体结构设计；
以旋转扩压器的外径和轴向长度均不大于所匹配的高压比风扇作为总体结构尺寸限制要求，布局旋转扩压器的总体结构；
旋转扩压器包括旋转扩压器叶片（1）、旋转扩压器机匣（2）和旋转扩压器轮盘（3），旋转扩压器轮盘（3）的旋转扩压器轮盘轴（3-2）位于旋转扩压器机匣（2）的中心轴线上，旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）上设置沿周向均匀分布旋转扩压器叶片（1），旋转扩压器叶片（1）叶顶与旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）之间具有隔离缝隙；
S20.设计旋转扩压器叶片（1）的二维叶型；
旋转扩压器叶片（1）包括叶片根部、叶片中部和叶片顶部在内的N个典型叶高截面，N为大于等于3的奇数，对典型叶高截面进行二维叶型设计；
旋转扩压器叶片（1）各典型叶高截面二维叶型的进口几何角，根据旋转扩压器叶片（1）对应的高压比风扇转子叶片（5）的典型叶高截面出口绝对气流角叠加圆周速度求出；旋转扩压器叶片（1）各典型叶高截面二维叶型的出口几何角，根据各对应截面的负荷需求给出，再通过三维数值仿真的流场特性和总体性能要求进行迭代调整；
S30.设计旋转扩压器机匣（2）和旋转扩压器轮盘（3）；
为了减小壁面形状变化对旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）与旋转扩压器叶片（1）叶顶之间的间隙内流动的影响，旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）沿流动方向水平；为了减小旋转扩压器叶片（1）根部的进口气流速度，进而减弱进口斜激波强度，旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）沿流动方向逐渐收缩，并在旋转扩压器叶片（1）的出口变为水平；
S40.设计旋转扩压器叶片（1）；
将旋转扩压器叶片（1）的二维叶型，按照重心积叠的方式进行三维成型，得到旋转扩压器叶片（1）的三维叶型；再根据旋转扩压器叶片（1）与高压比风扇转子叶片（5）之间的轴向间距，确定旋转扩压器叶片（1）的轴向位置，并将旋转扩压器叶片（1）安装在旋转扩压器轮盘（3）的轮毂面（3-1）上；同时旋转扩压器叶片（1）的叶顶与旋转扩压器机匣（2）的内壁面（2-1）之间设置宽度为0.2mm的隔离缝隙；
S50.设计同轴反转锥齿轮组（4）；
同轴反转锥齿轮组（4）的主动锥齿轮（4-1）与旋转扩压器轮盘轴（3-2）连接，同轴反转锥齿轮组（4）的从动锥齿轮（4-3）与高压比风扇转子轮盘轴（7-1）连接，同轴反转锥齿轮组（4）的换向锥齿轮（4-2）连接主动锥齿轮（4-1）与从动锥齿轮（4-3），同轴反转锥齿轮组（4）的主动锥齿轮（4-1）、换向锥齿轮（4-2）以及从动锥齿轮（4-3）由作为静止部件的齿轮组固定架（4-4）组合固定在一起。
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