一种离心叶轮及降低离心叶轮背腔风阻功耗的方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种离心叶轮及降低离心叶轮背腔风阻功耗的方法。

背景技术

现有的离心叶轮背腔结构如图1所示，离心叶轮为旋转件，径扩机匣和内机匣为静子件，他们之间周向通过均布螺栓连接以传递载荷，径扩机匣内径安装面较叶轮背腔旋转侧轴向保证一定距离，以保证径扩机匣和内机匣之间的螺栓有足够的安装空间，因此径扩机匣右侧连接面设计为斜面，与叶轮背腔旋转侧之间形成一个沿内径逐渐扩张的通道。

现有的离心叶轮背腔的引气设计如图1所示，从离心叶轮出口根部引气，气流通过离心叶轮背腔旋转侧沿径向向内流动，在盘腔底部通过一道节流篦齿用于后面级零部件的冷却。

科里奥利力或又简称为科氏力或哥氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。对于现有叶轮背腔径向通道沿内径扩张的技术方案，根据科氏力作用理论，参见图2：

其中F代表科氏力，m为质点的质量，

径向内流科氏力与背腔气流切向速度一致，对气流切向速度起加速作用，但是科氏力大小与质点径向运动速度成正比，常规技术方案径向内流引气通道截面积大，引气流量一定的条件下，径向内流速度低，科氏力作用较弱，因此气流周向运动速度相对较低，即气流旋流速度低，意味着气流和叶轮背腔旋转壁面之间的速度差增加，增加了叶轮背腔功耗，引气气流沿程风阻温升增加。

同时叶轮背腔气流旋流也影响径向压力梯度分布，参见图3，叶轮背腔轴向力由内外径压力面积沿径向积分得到，旋流速度越低，背腔径向压降越小，低半径静压越大，背腔向前的轴向力越大，在发动机向前转子轴向力已经很大的情况下，叶轮背腔往前轴向力增加给轴承带来额外负荷，进而带来发动机离心叶轮背腔引气风阻功耗较大以及叶轮转子轴向力较大的问题。

发明内容

针对上述发动机离心叶轮背腔引气风阻功耗较大的问题，本发明提出了在径向扩压机匣上通过螺栓固定一块导流隔板，增强引气径向段的流通速度，增强科氏力对叶轮背腔气流周向速度的加速作用，减小背腔气流和旋转盘面之间的速度差，可起到降低叶轮背腔风阻功耗、温升的效果，同时由于背腔旋流系数增加，增加了叶轮背腔径向压降，叶轮背腔整体压力水平降低，可起到调节发动机转子轴向力的作用。

具体地，本发明提供一种离心叶轮，所述离心叶轮包括离心叶轮本体和机匣，其中所述离心叶轮本体为转动件且具有旋转轴线，所述机匣为静子件；沿着所述旋转轴线延伸的方向，所述机匣与所述离心叶轮本体之间具有一定的间隔，从而形成允许流体通过的流体通道；所述流体通道中还设置有导流隔板，从而使得所述流体通道变得狭窄。

进一步地，所述机匣包括第一机匣和第二机匣，所述第一机匣和所述第二机匣均为静子件，且所述第一机匣和所述第二机匣固定连接；所述第一机匣布置于所述第二机匣的远离所述旋转轴线的一侧；所述第一机匣靠近所述第二机匣的一端沿着所述旋转轴线延伸的方向和所述离心叶轮本体之间具有所述间隔。

进一步地，所述导流隔板的一端固定在所述第一机匣的远离所述旋转轴线的一侧，并且，所述导流隔板与所述第一机匣的连接处形成过盈配合密封面；所述导流隔板的另一端固定在所述第一机匣的靠近所述旋转轴线的一侧。

或者，进一步地，所述导流隔板的一端固定在所述第一机匣的远离所述旋转轴线的一侧，并且，所述导流隔板与所述第一机匣的连接处形成密封；所述导流隔板的另一端固定在所述第二机匣上。

进一步地，所述导流隔板上设有若干个允许流体通过的通孔；所述导流隔板为环形，所述通孔沿周向均布在所述导流隔板靠近所述旋转轴线的一侧；其中，所述导流隔板的截面为L型，具有沿径向延伸的长边和沿轴向延伸的短边，所述通孔位于所述短边上。

进一步地，所述第一机匣和所述第二机匣之间通过紧固件固定连接，所述机匣与所述离心叶轮本体之间的间隔足以安装所述紧固件；所述第一机匣连接面为斜面，由此，所述第一机匣与所述离心叶轮本体之间形成一个沿流体流动方向逐渐扩张的流体通道；所述导流隔板的另一端由所述紧固件固定。

进一步地，所述导流隔板和所述离心叶轮本体之间沿所述旋转轴线延伸方向的距离为在3～5mm。

进一步地，所述导流隔板为环形，所述导流隔板外径与所述离心叶轮本体出口半径一致，所述导流隔板的内径为所述导流隔板外径的50％～70％。

本发明还提供了一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机具有上述离心叶轮。

本发明还提供了一种降低离心叶轮背腔风阻功耗的方法，所述离心叶轮的机匣与所述离心叶轮本体之间具有一定的间隔，从而形成允许流体通过的流体通道，所述方法包括，在所述机匣上固定一块导流隔板，所述导流隔板与所述离心叶轮本体背旋转侧之间形成狭窄引气通道，提高引气气流径向内流速度，从而提高背腔科氏力对引气气流的周向加速作用。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1)本发明结构简单紧凑，容易实现，仅需在径扩机匣左侧增加一块导流隔板，即可实现预期设计；

2)本发明既实现了离心叶轮背腔的引气功能，又可达到减小叶轮背腔风阻功率和引气温升，增大背腔径向压降减小发动机向前转子轴向力的作用；

3)本发明离心叶轮盘腔旋转侧和导流隔板之间狭窄通道可以增加径向内流引气的径向速度，增强科氏力对气流切向速度加速作用，起到降低风阻功耗、降低引气温升和降低转子轴向力的作用。

4)本发明在导流隔板的低半径处周向布置一圈通孔，和叶轮背腔冷气进行热交换，防止局部零件温度过高。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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作一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中离心叶轮背腔结构的示意图；

图2示出了现有技术中叶轮背腔径向通道科氏力作用的示意图；

图3示出了现有技术中叶轮背腔的压力梯度分布的示意图；

图4示出了本发明的离心叶轮背腔结构的示意图；

图5示出了本发明的CFD数值计算结果。

图中，1、离心叶轮本体；2、第一机匣；3、螺栓；4、第二机匣；5、导流隔板；6、旋转轴线。

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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明设计了一种降低离心叶轮背腔风阻功耗的空气系统引气方案，如图4，在第一机匣左侧通过螺栓3固定一块导流隔板5，导流隔板5与离心叶轮背旋转侧之间形成狭窄引气通道，提高引气气流径向内流速度，从而提高背腔科氏力对引气气流的周向加速作用，并且在导流隔板5的低半径处周向布置一圈通孔，和叶轮背腔冷气进行热交换，防止局部零件温度过高。

本发明提供一种离心叶轮，所述离心叶轮包括离心叶轮本体1和机匣，其中所述离心叶轮本体1为转动件且具有旋转轴线6，所述机匣为静子件；沿着所述旋转轴线6延伸的方向，所述机匣与所述离心叶轮本体1之间具有一定的间隔，从而形成允许流体通过的流体通道；所述流体通道中还设置有导流隔板5，从而使得所述流体通道变得狭窄。

进一步地，所述机匣包括第一机匣2(径扩机匣)和第二机匣4(内机匣)，所述第一机匣2和所述第二机匣4均为静子件，且所述第一机匣2和所述第二机匣4固定连接；所述第一机匣2布置于所述第二机匣4的远离所述旋转轴线6的一侧；所述第一机匣2靠近所述第二机匣4的一端沿着所述旋转轴线6延伸的方向和所述离心叶轮本体1之间具有所述间隔。

进一步地，所述导流隔板5的一端固定在所述第一机匣2的远离所述旋转轴线6的一侧，并且，所述导流隔板5与所述第一机匣2的连接处形成密封；所述导流隔板5的另一端固定在所述第一机匣2的靠近所述旋转轴线6的一侧。

进一步地，所述导流隔板5上设有若干个允许流体通过的通孔；所述导流隔板5大体上为环形，所述通孔沿周向均布在所述导流隔板5靠近所述旋转轴线6的一侧；其中，所述导流隔板5的截面为L型，具有沿径向延伸的长边和大致沿轴向延伸的短边，所述通孔位于所述短边上。

进一步地，所述第一机匣2和所述第二机匣4之间通过螺栓3固定连接，所述机匣与所述离心叶轮本体1之间的间隔足以安装所述螺栓3；所述第一机匣2连接面为斜面，由此，所述第一机匣2与所述离心叶轮本体1之间形成一个沿流体流动方向逐渐扩张的流体通道；所述导流隔板5的另一端由所述螺栓3固定。

进一步地，所述导流隔板5和所述离心叶轮本体1之间沿所述旋转轴线6延伸方向的距离约为在3～5mm。

进一步地，所述导流隔板5为环形，所述导流隔板5外径与所述离心叶轮本体1出口半径一致，所述导流隔板5的内径为所述导流隔板5外径的约50％～70％。

作为本发明的另一优选实施例，导流隔板5还可以以如下的方式布置：所述导流隔板5的一端固定在所述第一机匣2的远离所述旋转轴线6的一侧，并且，所述导流隔板5与所述第一机匣2的连接处形成密封；所述导流隔板5的另一端固定在所述第二机匣4上。

本发明还提供了一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机具有上述任一项所述的离心叶轮。

本发明还提供了一种降低离心叶轮背腔风阻功耗的方法，所述离心叶轮的机匣与所述离心叶轮本体1之间具有一定的间隔，从而形成允许流体通过的流体通道，所述方法包括，在所述机匣上固定一块导流隔板5，所述导流隔板5与所述离心叶轮本体1背旋转侧之间形成狭窄引气通道，提高引气气流径向内流速度，从而提高背腔科氏力对引气气流的周向加速作用。

本发明一方面可以提高背腔气流旋流速度，降低叶轮背腔风阻功耗和引气气流的风阻温升，为下游零部件冷却提供更有利的入流条件，另一方面，叶轮背腔内径静压减小，降低了叶轮背腔轴向力，对于发动机转子轴向力调节、降低轴承载荷也可起到一定作用。

本发明既实现了离心叶轮背腔引气功能，同时又降低了叶轮背腔风阻功耗，对整机转子轴向力调节也起到了一定作用。本发明的有益的具体效果，包括但不限于以下几个方面：

1)导流隔板和离心叶轮背腔旋转侧之间轴向距离控制在3～5mm，它们形成狭窄径向内流引气通道，在引气流量一致的条件下，径向内流流速增加，科氏力加速引气气流周向速度，降低叶轮背腔风阻功耗和引气温升，提高叶轮背腔气流的径向压降，起到调节转子轴向力作用，当轴向距离低于3mm之后，腔内无法形成回流区，流动结构为Stewartson流型，其特点是流体的惯性作用强，流体的流通效应占主导，风阻扭矩会有突升。

2)导流隔板5低半径处周向布置一圈通孔，与叶轮背腔冷气进行热交换，防止零件局部温度过高，上端面与第一机匣2右端面过盈配合密封面，防止引气气流通过缝隙到下部通孔之间形成泄漏，影响导流效果；

3)导流隔板5外径与离心叶轮出口半径一致，内径约为外径的50％～70％，保证高半径狭窄通道面积可以保证本发明高半径区域的增旋降压效果，提高对风阻功耗和轴向力调节幅度。

为了验证本发明的有益技术效果，本发明技术方案经CFD数值计算和旋转换热试验台试验数据验证，请参见图5的CFD数值计算，结果表明，当转静轴向距离为3～5mm时，叶轮背腔风阻扭矩和轴向力减小幅度最大，叶轮背腔风阻扭矩减小41％，背腔向前的轴向力减小幅度3％，对转子轴向力调节幅度为365kgf；此外，旋转换热试验台试验结果表明本发明能够降低引气温升，防止局部零件温度过高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

尽管参照前述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精神和范围。