CN220248445U - 进口非线性后掠叶轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可用于微小型涡轮喷气发动机的进口非线性后掠叶轮，属于叶片式流体机械领域。进口非线性后掠叶轮包括轮盘、交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；所述大叶片为进口非线性后掠叶片。对叶轮进口采用非线性后掠设计，在不增加加工制造难度和更换叶轮材料的前提下，减小叶片进口处根部应力，同时对叶轮气动性能的影响很小，保证叶轮正常的效率与稳定工作范围。

Description

进口非线性后掠叶轮

技术领域

本实用新型涉及后掠叶轮，具体讲是一种可用于微小型涡轮喷气发动机的进口后掠叶轮，属于叶片式流体机械领域。

背景技术

压气机是一种将机械能转化为工质压力能的叶片式流体机械。按照工质的流动方向，压气机类型一般可分为轴流式与离心式。离心压气机由于其单级压比高、稳定工作范围宽、结构简单紧凑、制造成本低等优点，在微小型涡轮喷气发动机领域得到了越来越多的应用。

用于微小型涡轮喷气发动机的离心压气机一般包含离心叶轮、径向扩压器与轴向扩压器。其中离心叶轮为旋转部件，通过叶片对气流做功，提升气流的压力能与动能；径向扩压器与轴向扩压器为静止部件，将气流的动能部分的转化为压力能，并调整气流方向，便于下游部件(下一级压气机或燃烧室)利用。可见离心叶轮不仅需要承担气动负荷，还需要承担由于高速旋转带来的离心负荷，因此离心叶轮的设计过程中不仅需要关注气动性能，还应关注部件应力水平，使部件整体应力处于安全范围内。

但离心叶轮的气动负荷与应力水平往往存在不可调和的矛盾：越高的气动负荷，往往意味着表面积更大、扭转更剧烈的叶片，也就意味着更大的叶片应力。特别是离心叶轮进口叶片根部，由于此处叶片根尖扭转剧烈，且叶片高度较大，往往是整个离心叶轮叶片应力最大的区域。叶片根部应力水平已经成为了制约离心叶轮气动性能提升的重要因素。

现有技术中解决气动负荷与应力之间的矛盾的通常手段是更换比强度更高的材料，如将铝合金更换为钛合金，但这往往导致零部件成本的急剧上升，减弱了离心压气机成本低的优势；也会导致零部件质量增加，降低发动机推重比。

另一种手段是提高叶轮的进口轮毂比，降低叶片高度，但这会导致叶轮叶尖激波强度增加，叶轮效率与稳定工作范围急剧下降。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种在无需更换叶轮材料，以及保证叶片气动性能不降低的前提下，能降低叶片根部应力的进口非线性后掠叶轮。

通过分析叶片受力模型，可将叶片简化为一悬臂梁结构，若要减小悬臂梁根部应力，就应减小悬臂梁伸出部分的质量。鉴于此本实用新型采用进口后掠叶轮，即削减了进口区域部分叶片。

但由于沿流向(气流流动方向)，不论是根尖，叶片角度是逐渐减小的(如图4所示)，削减越多，叶片前缘角度越小，气流攻角也就越大，而过大的攻角会导致压气机在高转速性能恶化。因此后掠叶片设计不可避免的会带来一定程度的气动性能恶化。

线性后掠叶轮的叶片前缘为一直线，前缘与轴向呈一固定夹角，叶根不削减，叶尖削减量最大。而随着叶片高度增加，气流相对速度增加，相比于叶根，叶尖的削减对叶轮气动性能影响更大，因此线性后掠叶轮的性能较差。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的进口非线性后掠叶轮，包括轮盘、交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；

所述大叶片为进口非线性后掠叶片。

本实用新型的有益效果在于：与线性后掠叶片不同的是，非线性后掠叶片的前缘为曲线，在保证总的相同削减量的前提下(保证根部应力处于相同水平)，在对气动性能影响较大的区域(叶尖区域)减小了的削减量，而在对气动性能影响较小的区域(叶中区域)增大了削减量，因此相比于线性后掠叶轮，非线性后掠叶轮提高了气动性能，保证叶轮正常的效率与稳定工作范围。

本实用新型中，所述大叶片的前缘型线采用二阶贝塞尔曲线，贝塞尔曲线三个控制点及其坐标分别为叶根点P0(Z₀,R₀)、中间点P1(Z₁,R₁)与叶尖点P2(Z₂,R₂)。将P2点、P3点在轴向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(Z₂-Z₀)/(R₃-R₀)，定义为后掠幅度，将P1点、P0点在径向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(R₁-R₀)/(R₃-R₀)定义为P1点的相对高度。

从兼顾叶片根部应力与叶轮气动性能的角度，本实用新型中，所述大叶片的后掠幅度取值范围为0.05～0.1，所述P1点的相对高度取值范围为0.45～0.55。

本实用新型中，所述大叶片为直纹叶片，其仅相当于常规无后掠直纹叶片削减掉进口部分区域，可采用与常规无后掠直纹叶片相同的加工方式，不会增加加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为进口非线性后掠叶轮结构示意图；

图2为进口非线性后掠叶轮子午剖面示意图；

图3为叶片子午面前缘贝塞尔曲线及其控制点示意图；

图4为叶片角度沿流向的分布图。

图中，1-大叶片、2-小叶片、3-轮盘、11-叶根型线、12-无后掠叶片前缘型线、13-叶尖型线、121-非线性后掠前缘型线、122-线性后掠前缘型线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型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所示，本实施例提供的进口非线性后掠叶轮结构包括大叶片1、小叶片2和轮盘3，大叶片1与小叶片2交错均布于轮盘3上。其中，大叶片1为进口非线性后掠叶片，小叶片2为常规叶片。

大叶片1的前缘型线采用二阶贝塞尔曲线描述，曲线一共三个控制点。

现说明在无后掠叶片的基础上，大叶片1的前缘型线的构造方法：

定义叶轮的旋转中心轴线方向为轴向(Z向)，且由叶片指向轮盘3的方向为正；与轴线垂直的方向为径向(R向)，且由中心指向外缘的方向为正。气流沿轴向流入叶轮，沿径向流出叶轮，如图2所示。

在子午面，无后掠叶片由叶根型线11与叶尖型线13构造而成，为直纹叶片。叶根型线11与叶尖型线13起始点分别为P0(Z₀,R₀)与P3(Z₃,R₃)，P0与P3的连线构成无后掠叶片前缘型线12。无后掠叶片前缘型线12为纯径向，方向与轴向垂直，即Z₀＝Z₃，两点之间的距离，即R₃-R₀，为无后掠叶片前缘叶高，如图3所示。

如图2和3所示，在叶尖型线13上比P3稍靠后的位置取一点P4(Z₄,R₄)，P0与P4的连线构成线性后掠叶片的线性后掠前缘型线122。

在叶尖型线13上P4与P3的中间位置取一点P2(Z₂,R₂)，在P2与P0之间取一点P1(Z₁,R₁)，由P0、P1、P2三点根据二阶贝塞尔曲线方程生成的曲线为后掠叶片非线性后掠前缘型线121。二阶贝塞尔曲线方程如下：

其中(Z(t),R(t))表示非线性后掠前缘型线121上的任一点的坐标，(Z₀,R₀)、(Z₁,R₁)、(Z₂,R₂)分别为点P0、P1与P2的坐标。

将P2点、P3点在轴向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(Z₂-Z₀)/(R₃-R₀)，定义为后掠幅度，规定后掠幅度处于0.05～0.1之间。

根据后掠幅度以及P2点在叶尖型线13上两个条件可确定P2点的具体位置。

P1与P2的轴向坐标相同，即Z₁＝Z₂。将P1点、P0点在径向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(R₁-R₀)/(R₃-R₀)定义为P1点的相对高度，规定P1点的相对高度取值范围为0.45～0.55。根据以上两个条件可确定P1点的具体位置。

二阶贝塞尔曲线的三个控制点均确定后，曲线形状随之确定，即进口非线性后掠叶片的非线性后掠前缘型线121形状确定。

本实施例中，大叶片1仍为直纹叶片，仅相当于无后掠叶片削减掉进口部分区域，即本实用新型的大叶片1仍可采用与无后掠叶片相同的加工方法。

如图3所示，对比非线性后掠与线性后掠两种前缘型线。为保证叶片根部应力在相同的水平，非线性后掠与线性后掠两种叶片削减量应相同。而相比于线性后掠，非线性后掠在叶尖部分削减量更少。相比于叶根，叶尖气流速度更高，叶尖处的叶片削减对性能影响更大，因此相比于线性后掠设计，本实施例的非线性后掠设计对压气机性能的影响也就更小。

分析结果显示，对比无后掠叶轮，本实施例的进口非线性后掠叶轮可使叶片根部应力下降25％，而气动效率基本不变；对比线性后掠叶轮，在根部应力相同的条件下，本实施例的进口非线性后掠叶轮可使叶轮在设计转速下效率提升1.5％。

本实用新型提供了进口非线性后掠叶轮的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。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 (6)

1.一种进口非线性后掠叶轮，包括轮盘，其特征在于：还包括交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；

所述大叶片为进口非线性后掠叶片。

2.根据权利要求1所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线采用二阶贝塞尔曲线描述。

3.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的后掠幅度取值范围为0.05～0.1。

4.根据权利要求3所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线上控制点P1的相对高度取值范围为0.45～0.55。

5.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线上控制点P1的相对高度取值范围为0.45～0.55。

6.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片为直纹叶片。