一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器

摘要

本发明提供了一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器，所述扩压器包括扩压器轮盖、扩压器轮盘、轴向扩压器叶片、径向扩压器叶片；造型方法为：采用Bezier曲线造型并与喉部所在的吸力面型线相切，曲线朝向压力面侧弯曲，以适应来流的高速马赫数；对于扩压通道部分，扩压器的吸力面和压力面沿周向有一定角度偏移并以通道中线为轴对称形状，整体流道呈喇叭状；本发明所提出的扩压器整体具备造型方便、造价低、加工简单的特性，并且可以大幅度提高离心压气机效率、压比和稳定工作裕度。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机制造技术领域，具体涉及一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器。

背景技术

离心压气机具有结构紧凑、压比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工艺性好及较宽的稳定工作裕度等优点，广泛应用于中小型航空发动机中。

在高负荷离心压气机中，径向叶片式扩压器的设计是一个难点和热点，由于高负荷离心叶轮出口气流速度高且很不均匀，特别是叶轮尖部由于流道扩张、叶尖泄漏等因素的影响，极易形成一个明显的低速区，甚至在叶轮出口出现分离，导致径向扩压器进口条件十分恶劣，高扭曲、高马赫数及高堵塞比的进口气流急剧地降低径向扩压器的性能，严重影响径向扩压器和离心叶轮的匹配及扩压器稳定工作范围，高效的扩压器的设计非常具有挑战性。

因此，亟需一种更好适应离心叶轮出口高速三维无序流动以提高离心压气机性能的新型扩压器结构。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器，该扩压器具有造型方便、加工简单、造价低廉且低损失等优点，相比于传统叶片式扩压器，半无叶区采用自适应曲率型面能更好地适应离心叶轮出口高速三维无序流动，再加上适当长度的等喉部面积通道以期实现进一步整流，后接最佳扩张角度的扩压通道，从而可以显著提升离心压气机压比、效率以及稳定工作范围，特别适用于中小型航空发动机高压比离心压气机。

本发明的技术方案为：一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器，包括上、下套设的扩压器轮盖、扩压器轮盘，以及分别设置在扩压器轮盖、扩压器轮盘之间的轴向扩压器叶片、径向扩压器叶片；所述扩压器轮盘包括周向均匀设置有第一通孔的环形轮盘，以及设置在所述环形轮盘上的轮盘筒；

所述扩压器轮盖包括周向均匀设置有第二通孔的环形轮盖，以及设置在所述环形轮盖上的轮盖筒；

所述第一通孔、第二通孔与所述径向扩压器叶片数量相等且第一通孔与第二通孔之间位置对应，径向扩压器叶片安装在第一通孔、第二通孔之间；

径向扩压器叶片包括首尾端相互连接的第一挡叶片、第二挡叶片；

所述轴向扩压器叶片沿周向均匀分布在轮盘筒、轮盖筒之间。

进一步地，所述径向扩压器叶片采用管式结构。

更进一步地，所述径向扩压器叶片的造型方法具体为：

A、基于传统叶片式扩压器叶片型线，在半无叶区采用曲率光滑的Bezier曲线造型并与喉部所在的吸力面型线相切，曲线朝向压力面侧弯曲，以适应来流的高速马赫数；

B、根据来流情况确定具有合适长度喉部的扩压器；由于喉部长度对扩压器性能影响很大，喉部长度过长导致扩压器扩张能力不够，太短整流效果较差；

C、对于扩压通道部分，扩压器的吸力面和压力面沿周向有一定角度偏移并以通道中线为轴对称形状，整体流道呈喇叭状；

D、在上述造型基础上，将通道中线通过一定曲率控制，使吸力面和压力面型线具有较好的扩压能力的同时损失更小。

进一步地，所述用于造型的叶片扩压器扩张半角为3～6°。

更进一步地，径向扩压器叶片的造型方法具体为：

A、基于传统叶片扩压器流道，给定流道中线角度为15±2°左右，根据叶片数确定吸力面和压力面与y轴的夹角θ

B、扩压器的吸力面和压力面沿周向有3～6°的角度偏移并以通道中线为轴对称形状，扩压器两条型线从前缘到喉部为两条平行线；

C、给定流道扩张半角θ

D、在上述造型基础上，给定前缘倒圆半径R2和预压缩角度θ

E、将通道中线以一定曲率控制，保证扩压通道的两侧型线能够在具有良好扩压能力的基础上，减小流动损失。

进一步地，所述扩压器上涂有热障涂层，利用热障涂层能够有效地保护扩压器在高速旋转下能够耐受更高的温度。

更进一步地，所述热障涂层是采用等离子喷涂法喷涂稳定剂稳定后的氧化锆热障陶瓷涂层材料，其中，稳定剂具体采用三氧化二钇；氧化锆基陶瓷的综合性能非常好，利用高性能稳定剂稳定的氧化锆热障陶瓷涂层材料，能够使得其热障效果更佳。

进一步地，所述径向扩压器叶片包括首尾端相互连接的第一挡叶片、第二挡叶片；能够与轮盘、轮盖同时制备，实现扩压器的一体化制备。

更进一步地，所述扩压器的一体化制备方法为：按照上述造型方法先对径向扩压器叶片进行造型；然后再利用3D打印设备对扩压器进行一体化的制备得到扩张器基体；然后在对扩压器基体进行烧结得到扩压器；使得扩张器整体结构一体化制备，能够有效地省略拼装工序，具有加工简单、成本低的特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明所提出的扩压器具有自适应曲率结构特征的径向扩压器叶片；整体具备造型方便、造价低、加工简单的特性，并且可以大幅度提高离心压气机效率、压比和稳定工作裕度，特别适合用于中小型航空发动机高压比离心压气机，适合大量推广。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的爆炸图；

图3是传统楔形扩压器造型方法用结构参数示意图；

图4是传统楔形扩压器叶片的结构示意图；

图5是本发明实施例1的造型方法用结构参数示意图；

图6是本发明实施例3的爆炸图；

图7是本发明实施例1扩张器与传统的扩张器运用至不同的压气机的效率对比图；

图8是本发明实施例1扩张器与传统的扩张器运用至不同的压气机的压比对比图；

其中，1-轴向扩压器叶片、2-扩压器轮盘、210-第一通孔、21-环形轮盘、22- 上的轮盘筒、3-扩压器轮盖、310-第二通孔、31-环形轮盖、32-上的轮盖筒、4- 径向扩压器叶片、41-第一挡叶片、42-第二挡叶片。

具体实施方式

实施例1：如图2所示的一种半无叶区具有自适应曲率型面的扩压器，包括上、下套设的扩压器轮盖3、扩压器轮盘2，以及分别设置在扩压器轮盖3、扩压器轮盘2之间的轴向扩压器叶片1、径向扩压器叶片4；

如图2所示，扩压器轮盘2包括周向均匀设置有第一通孔210的环形轮盘 21，以及设置在环形轮盘21上的轮盘筒22；

扩压器轮盖3包括周向均匀设置有第二通孔310的环形轮盖31，以及设置在环形轮盖31上的轮盖筒32；

第一通孔210、第二通孔310与径向扩压器叶片4数量相等且第一通孔210 与第二通孔310之间位置对应，径向扩压器叶片4安装在第一通孔210、第二通孔310之间；

径向扩压器叶片4包括首尾端相互连接的第一挡叶片41、第二挡叶片42；

轴向扩压器叶片1沿周向均匀分布在轮盘筒22、轮盖筒32之间。

如图5所示，径向扩压器叶片4采用管式结构，该技术特征是基于如图3、 4所示的传统叶片式扩压器叶片改造而来；

如图3、4所示，现有技术中的传统楔形扩压器叶片造型参数及扩压器三维示意图，其具体记载：R

如图1所示的径向扩压器叶片4的造型方法具体为：

A、基于传统叶片扩压器流道，给定流道中线角度为15°；如图1所示，径向扩压器叶片4有24个，则一片径向扩压器叶片的角度为15°，则确定吸力面和压力面与y轴的夹角θ

B、扩压器的吸力面和压力面沿周向有5°的角度偏移并以通道中线为轴对称形状，扩压器两条型线从前缘到喉部为两条平行线；

C、给定流道扩张半角θ

D、在上述造型基础上，给定前缘倒圆半径R

E、将通道中线以

其中，扩压器上涂有热障涂层；热障涂层是采用等离子喷涂法喷涂稳定剂稳定后的氧化锆热障陶瓷涂层材料，其中，稳定剂具体采用三氧化二钇。

实施例2：与实施例1不同的是：如图6所示，径向扩压器叶片4包括首尾端相互连接的第一挡叶片41、第二挡叶片42；能够与轮盘、轮盖同时制备，实现扩压器的一体化制备；其中，扩压器的一体化制备方法为：按照上述造型方法先对径向扩压器叶片4进行造型，确定第二挡叶片42的造型结构；然后再利用 UG三维软件创建处扩压器的三维模型，再用3D打印设备对扩压器进行一体化的制备得到扩张器基体；然后在对扩压器基体进行烧结得到扩压器。

实验例：将本发明实施例1扩张器与传统的扩张器运用至不同的压气机进行性能对比。如图7、8所示，初步性能对比发现，自适应曲率扩压器能够在保证静压恢复系数不低于原楔形扩压器的基础上，将原压气机的级压比和峰值效率提高0.041和1.8％，同时具有更宽的裕度。