CN209586450U - 一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构，该叶栅结构包括：叶栅内环、叶栅外环和叶片。其中，叶栅外环设置于叶栅内环的外侧，叶栅外环的内表面与叶栅内环外表面之间有间距。叶片具有叶片前部和叶片后部，而叶片设置于叶栅内环和所述叶栅外环之间。其中，叶片前部位于叶栅结构的进气端，叶片后部与叶片前部一体成型，叶片后部位于叶栅结构的出气端，且叶片前部的厚度大于叶片后部的厚度。本实用新型提供的叶栅结构能够实现超高压比，而且结构强度高、结构应力低，相应的使用寿命以及转化效率也提高了。

Description

一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构

技术领域

本实用新型涉及叶栅结构技术领域，尤其涉及涡轮喷嘴叶栅结构，具体为一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构。

背景技术

涡轮喷嘴叶栅是液体火箭发动机的关键零部件。发动机工作时，来自燃气发生器的高温高压燃气在喷嘴叶栅中膨胀，将燃气的热能转化为动能，再冲击涡轮动叶，带动转子旋转做功。通常喷嘴叶栅进口总压与出口静压的比值越高，转化的燃气动能越大，涡轮轮周效率越高。由于燃气发生器循环的液体火箭发动机超音速涡轮喷嘴叶栅可将高温高压的燃气加速至超音速状态，燃气的动能很高，因而可以用较小流量的燃气产生很高的功率，有助于降低发动机副系统的推进剂消耗，从而提高发动机的整体性能，因此超音速涡轮喷嘴叶栅结构广泛应用于燃气发生器循环的液体火箭发动机中。

现实中，受材料强度影响，涡轮叶片出口压力太低将会使涡轮动叶长度较长，这会使动叶根部应力较高，影响涡轮叶片的工作可靠性。因此通常采用提高进口总压的方法来提高涡轮的总静压比和涡轮喷嘴出口的动能。但随着涡轮进口压力的提高，喷嘴叶栅需承受的径向载荷变大，因此必须对喷嘴叶栅结构进行合理的设计。现有的超音速涡轮叶栅结构的总静压比通常在2～15之间。当总静压比进一步升高时，达到超高压比(即喷嘴叶栅进口总压与出口静压的比值在20以上)时，涡轮喷嘴叶栅结构将会带来叶片尾缘或叶片喉部应力集中等问题，影响着产品的可靠性。

因此本领域技术人员亟需一款承载能力强、可靠性高、结构应力低且能够实现超高压比的叶栅结构。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构，该结构能够实现超高压比，且在实现超高压比的同时还能做到结构应力低，而且结构的承载能力强，可靠性高。

本实用新型提供了一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构，该叶栅结构包括：叶栅内环；叶栅外环，所述叶栅外环设置于所述叶栅内环的外侧，所述叶栅外环的内表面与所述叶栅内环外表面之间有间距；以及多个具有叶片前部和叶片后部的叶片，所述叶片设置于所述叶栅内环和所述叶栅外环之间；其中，叶片前部位于所述叶栅结构的进气端；叶片后部与所述叶片前部一体成型，位于所述叶栅结构的出气端；且所述叶片前部的厚度大于所述叶片后部的厚度。

本实用新型的具体实施方式中，所述叶片的底端固定在所述叶栅内环上，所述叶片的顶端固定在所述叶栅外环上。

其中，所述叶片在所述叶栅结构的径向上为平直状态。

本实用新型的具体实施方式中，所述叶片的横切面的形状为冰球杆状。

本实用新型的具体实施方式中，所述横切面上所述叶片前部的顶端具有前缘圆角，所述叶片后部的尾端具有尾缘圆角；其中，所述前缘圆角的一侧为叶盆曲线，另外一侧为叶背曲线，且所述叶盆曲线和所述叶背曲线的一端通过所述前缘圆角间接连接，所述叶盆曲线和所述叶背曲线的另外一端通过所述尾缘圆角间接连接。

其中，所述叶盆曲线包括：与所述前缘圆角相接的第一直线段；与所述第一直线段相接的外凸圆弧；以及位于所述外凸圆弧和所述尾缘圆角之间的第二直线段。

本实用新型的具体实施方式中，所述叶背曲线包括：与所述前缘圆角相接的叶背圆弧；与所述叶背圆弧相接的喉部圆角；与所述喉部圆角相接的叶背样条曲线；以及位于所述叶背样条曲线和所述尾缘圆角之间的第三直线段。

其中，所述喉部圆角位于相邻两个所述叶片之间距离最近的位置。

其中，相邻两个所述叶片之间具有亚音速区和超音速区，所述亚音速区和所述超音速区以所述喉部圆角位置为分界线。

本实用新型的具体实施方式中，所述叶栅内环和所述叶栅外环沿径向的切面对称。

根据上述实施方式可知，本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构具有以下益处：该叶栅结构能够实现超高压比，且在实现超高压比的同时还能做到结构应力低，而且结构的承载能力强，可靠性高。与现有技术相比，本实用新型提供的叶栅结构设计更加合理，更加符合应力环境，提升了叶栅结构的整体结构强度，延长了使用寿命。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本实用新型所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本实用新型的说明书的一部分，其绘示了本实用新型的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本实用新型的原理。

图1为现有技术的叶栅结构图。

图2为现有技术的叶栅结构的从A-A位置沿圆周切面的展开图。

图3为本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构的示意图。

图4为本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构的从B-B位置沿圆周切面的展开图。

图5为本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构的受力图。

图6为本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构的叶片的横切图。

附图标记说明：

1-叶栅内环、2-叶栅外环、3-叶片、4-亚音速区、5-超音速区；

31-叶片前部、32-叶片后部、33-前缘圆角、34-尾缘圆角、35-叶盆曲线、36-叶背曲线；

351-第一直线段、352-外凸圆弧、353-第二直线段、361-叶背圆弧、362-喉部圆角、363-叶背样条曲线、364-第三直线段。

具体实施方式

现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本实用新型的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

图3为本实用新型提供的一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构，图3中，叶片分布在叶栅内环和叶栅外环之间，且叶栅内环和叶栅外环的切面都是阶梯型的，这种形状是为了应对不同部位承受的应力，在应力比较大的地方提高叶栅的厚度，在应力比较小的地方减小叶栅的厚度，在提高叶栅结构的抗应力能力的同时，还减轻了叶栅结构的重量。

该附图所示的实施例中，该叶栅结构包括：叶栅内环1、叶栅外环2和叶片3。其中，叶栅外环2设置于所述叶栅内环1的外侧，所述叶栅外环2的内表面与所述叶栅内环1外表面之间有间距。图3为叶栅结构沿径向方向剖开所形成的面。其中，图3剖视图的一端，叶栅内环1和叶栅外环2的切面对称。图1为现有技术中叶栅结构沿径向方向剖开所形成的面。其中，图1剖视图的一端，叶栅内环1和叶栅外环2切面不对称，不对称的设计无法最大程度的应对气体给叶栅结构带来的压力，很容易造成叶栅结构的损坏，如图5所示，本实用新型的设计是根据叶栅结构在使用过程中的受力情况进行的设计，可以最大程度的保证结构的稳定。且叶栅内环和叶栅外环的切面都是类似于阶梯型，这种形状是为了应对不同部位承受的应力，在应力比较大的地方提高叶栅的厚度，在应力比较小的地方减小叶栅的厚度，在提高叶栅结构的抗应力能力的同时，还减轻了叶栅结构的重量。

叶片3设置于所述叶栅内环1和所述叶栅外环2之间，且叶片3的底端固定在所述叶栅内环1上，叶片3的顶端固定在所述叶栅外环2上。另外，叶片3具有叶片前部31和叶片后部32，其中，叶片前部31位于所述叶栅结构的进气端；叶片后部32与所述叶片前部31一体成型，位于所述叶栅结构的出气端；且所述叶片前部31的厚度大于所述叶片后部32的厚度。

本实施例所示的具体实施方式中，叶片3在所述叶栅结构的径向上为平直状态。即叶片3的顶端到底端在叶栅结构径向方向上是平直的。如图4所示，相邻两个叶片3之间具有亚音速区4和超音速区5。按照气体流向，亚音速区4处的气体通道逐渐收缩，叶片3位于该区域的部分所受到的气体的载荷压力较高，所以相应的叶片前部31的厚度较厚，为了承受该区域的高载荷。超音速区5处的气体通道逐渐扩张，叶片3位于该区域的部分所受到的气体的压力较低，所以相应的叶片后部32的厚度较低，这也是为了在保证叶片3的承载能力的同时，减轻叶片3的重量。如图6所示的叶片3的横切面的形状为冰球杆状，冰球杆的下端击球部位相较于上端的球杆较宽大，与本实用新型中的叶片横切面形状相近。图2所示的为现有设计中的叶栅结构的沿A-A圆周展开的切面图，图2中的叶片3的横切面的前端相较于本实用新型中叶片前部31较小，而叶片前部31的受力又比较大，长时间使用，叶片会有一定程度的损坏以及变形，与现有设计的叶片相比较，本实用新型中叶片3的设计可以承受更高的压力。

图6所示的叶片3的横切面上所述叶片前部31的顶端具有前缘圆角33，所述叶片后部32的尾端具有尾缘圆角34；其中，所述前缘圆角33的一侧为叶盆曲线35，另外一侧为叶背曲线36，且所述叶盆曲线35和所述叶背曲线36的一端通过所述前缘圆角33间接连接，所述叶盆曲线35和所述叶背曲线36的另外一端通过所述尾缘圆角34间接连接。另外，叶盆曲线35包括：第一直线段351、外凸圆弧352和第二直线段353。其中，第一直线段351与前缘圆角33相接。外凸圆弧352与第一直线段351相接。第二直线段353位于外凸圆弧352和尾缘圆角34之间，且与外凸圆弧352和尾缘圆角34相连接。叶背曲线36包括：叶背圆弧361、喉部圆角362、叶背样条曲线363和第三直线段364。其中，叶背圆弧361与前缘圆角33相接。喉部圆角362与叶背圆弧361相接。叶背样条曲线363与喉部圆角362相接。第三直线段364位于叶背样条曲线363和尾缘圆角34之间，且与叶背样条曲线363和尾缘圆角34相连接。喉部圆角362位于相邻两个叶片3之间距离最近的位置。且喉部圆角362为亚音速区4和超音速区5的分界线。

图5为本实用新型中的叶栅结构的受力图。图中，叶片所受的径向载荷为各压力和外载荷F形成的径向作用力之和。其中叶栅内环1和叶栅外环2之间的通道内压力Pa由于气流在通道内膨胀从叶片3入口压力Pi逐渐降低至出口背压Pe。采用阶梯型结构的叶栅外环2和同样采用阶梯型结构的叶栅内环1可使作用在通道出口端的叶栅内环1外缘和叶栅外环2外缘上的径向方向上的压力Pe抵消一部分通道内后半段超音速区Pa形成的力，从而降低了叶片尾缘由于叶片较薄所受的径向载荷。而高压区Pa形成的径向载荷和外部载荷由叶片较厚部位承受，因此该叶栅结构能够承担更高的径向载荷，可在超高压比条件工况下安全可靠的工作。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，该叶栅结构包括：

叶栅内环(1)；

叶栅外环(2)，所述叶栅外环(2)设置于所述叶栅内环(1)的外侧，所述叶栅外环(2)的内表面与所述叶栅内环(1)外表面之间有间距；以及

多个具有叶片前部(31)和叶片后部(32)的叶片(3)，所述叶片(3)设置于所述叶栅内环(1)和所述叶栅外环(2)之间；其中，

叶片前部(31)位于所述叶栅结构的进气端；叶片后部(32)与所述叶片前部(31)一体成型，位于所述叶栅结构的出气端；且所述叶片前部(31)的厚度大于所述叶片后部(32)的厚度。

2.根据权利要求1所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶片(3)的底端固定在所述叶栅内环(1)上，所述叶片(3)的顶端固定在所述叶栅外环(2)上。

3.根据权利要求2所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶片(3)在所述叶栅结构的径向上为平直状态。

4.根据权利要求1所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶片(3)的横切面的形状为冰球杆状。

5.根据权利要求4所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述横切面上所述叶片前部(31)的顶端具有前缘圆角(33)，所述叶片后部(32)的尾端具有尾缘圆角(34)；其中，

所述前缘圆角(33)的一侧为叶盆曲线(35)，另外一侧为叶背曲线(36)，且所述叶盆曲线(35)和所述叶背曲线(36)的一端通过所述前缘圆角(33)间接连接，所述叶盆曲线(35)和所述叶背曲线(36)的另外一端通过所述尾缘圆角(34)间接连接。

6.根据权利要求5所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶盆曲线(35)包括：

与所述前缘圆角(33)相接的第一直线段(351)；

与所述第一直线段(351)相接的外凸圆弧(352)；以及

位于所述外凸圆弧(352)和所述尾缘圆角(34)之间的第二直线段(353)。

7.根据权利要求5所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶背曲线(36)包括：

与所述前缘圆角(33)相接的叶背圆弧(361)；

与所述叶背圆弧(361)相接的喉部圆角(362)；

与所述喉部圆角(362)相接的叶背样条曲线(363)；以及

位于所述叶背样条曲线(363)和所述尾缘圆角(34)之间的第三直线段(364)。

8.根据权利要求7所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述喉部圆角(362)位于相邻两个所述叶片(3)之间距离最近的位置。

9.根据权利要求8所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，相邻两个所述叶片(3)之间具有亚音速区(4)和超音速区(5)，所述亚音速区(4)和所述超音速区(5)以所述喉部圆角(362)位置为分界线。

10.根据权利要求1所述的超音速涡轮喷嘴叶栅结构，其特征在于，所述叶栅内环(1)和所述叶栅外环(2)沿径向的切面对称。