本發(fā)明涉及一種葉輪機(jī)械裝置，尤其涉及一種新型斜流-離心組合壓氣機(jī)。

背景技術(shù)：

作為微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件之一,壓氣機(jī)有著舉足輕重的作用"相對(duì)軸流式壓氣機(jī)而言,離心式或斜流式壓氣機(jī)具有單級(jí)增壓比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定工作范圍大、長(zhǎng)度小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外目前在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究主要集中于對(duì)各部件包括單級(jí)離心壓氣機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，以改良發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。但是壓氣機(jī)葉尖輪緣速度的提高有限，很難再使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得以大幅度提高。尤其是在離心壓氣機(jī)方面，亟須改進(jìn)其設(shè)計(jì)方法以提高離心壓氣機(jī)性能，從而有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能。

微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由于流量小，為避免縮尺效應(yīng)所引起的純軸流壓氣機(jī)末級(jí)損失增大的現(xiàn)象，多采用單級(jí)離心壓氣機(jī)。隨著對(duì)高性能微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的需求的增加，提高壓氣機(jī)壓比和效率是必然趨勢(shì)。但是由于離心壓氣機(jī)的葉根應(yīng)力受到材料應(yīng)力水平的限制，單級(jí)壓比的提高幅度有限，目前最大的葉尖切線速度約為600m/s左右。在推力和功率較小的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于受到流路尺寸的限制，已經(jīng)很難通過增加級(jí)數(shù)來增大壓比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種新型斜流-離心組合壓氣機(jī)，采用兩級(jí)壓氣機(jī)，通過改變第一級(jí)與第二級(jí)的輪緣速度，使得壓比、效率、流量性能參數(shù)指標(biāo)均獲得了提高。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種新型斜流-離心組合壓氣機(jī)，包含斜流壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)和無葉擴(kuò)壓器；

所述離心壓氣機(jī)的進(jìn)氣口和所述斜流壓氣機(jī)的出氣口形狀和大小均相同，離心壓氣機(jī)的進(jìn)氣口和斜流壓氣機(jī)的出氣口相互貼合留有間隙，且間隙的寬度為預(yù)設(shè)的寬度閾值；

所述離心壓氣機(jī)的軸線和所述斜流壓氣機(jī)的軸線在同一軸線上；

所述無葉擴(kuò)壓器的進(jìn)氣口和所述離心壓氣機(jī)的出氣口固定相連；

所述斜流壓氣機(jī)的壓比為2.3到2.6，所述離心壓氣機(jī)的壓比為1.8到2。

作為本發(fā)明一種新型斜流-離心組合壓氣機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)設(shè)的寬度閾值的范圍為5mm-10mm。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1.當(dāng)前面級(jí)壓氣機(jī)出口葉尖速度u1增大時(shí)，壓氣機(jī)總的加功量增大，由壓比和功之間的關(guān)系可知，壓氣機(jī)壓比會(huì)增大；當(dāng)u1增大時(shí)，若保持壓氣機(jī)總的加功量不變，則后面級(jí)壓氣機(jī)出口葉尖速度u2減小，進(jìn)而使得出口氣流絕對(duì)速度徑向速度增大，降低擴(kuò)壓器損失，提高壓氣機(jī)整機(jī)效率，即若第一級(jí)與第二級(jí)加功量匹配得當(dāng)，則同時(shí)能夠增加整級(jí)的效率和壓比；

2.采用斜流-離心組合壓氣機(jī)方案時(shí)，相比于單級(jí)離心壓氣機(jī)，把原來單個(gè)葉柵負(fù)擔(dān)的氣流轉(zhuǎn)折角和增壓分給了兩個(gè)葉片排，減緩了葉片表面附面層厚度的發(fā)展，具有了較小的氣動(dòng)損失；

3.由于斜流-離心組合壓氣機(jī)的第一級(jí)作功量有所增加，與單級(jí)離心壓氣機(jī)相比，第一級(jí)的出口輪緣速度比后者在相同幾何半徑處的輪緣速度高，并增強(qiáng)了整個(gè)通道的流通能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明斜流-離心組合壓氣機(jī)的側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明斜流-離心組合壓氣機(jī)的正視圖；

圖3為krain葉輪與本發(fā)明斜流-離心組合壓氣機(jī)流量-壓比特性曲線圖；

圖4為krain葉輪與本發(fā)明斜流-離心組合壓氣機(jī)流量-級(jí)效率特性曲線圖。

圖中，1-斜流壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，2-斜流壓氣機(jī)，3-離心壓氣機(jī)，4-無葉擴(kuò)壓器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種新型斜流-離心組合壓氣機(jī)，包含斜流壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)和無葉擴(kuò)壓器；

所述離心壓氣機(jī)的進(jìn)氣口和所述斜流壓氣機(jī)的出氣口形狀和大小均相同，離心壓氣機(jī)的進(jìn)氣口和斜流壓氣機(jī)的出氣口相互貼合留有間隙，且間隙的寬度為預(yù)設(shè)的寬度閾值；

所述離心壓氣機(jī)的軸線和所述斜流壓氣機(jī)的軸線在同一軸線上；

所述無葉擴(kuò)壓器的進(jìn)氣口和所述離心壓氣機(jī)的出氣口固定相連；

所述斜流壓氣機(jī)的壓比為2.3到2.6，所述離心壓氣機(jī)的壓比為1.8到2。

本發(fā)明中，第一級(jí)為斜流壓氣機(jī)，第二級(jí)為離心壓氣機(jī)，氣流依次經(jīng)過斜流壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)和無葉擴(kuò)壓器，預(yù)設(shè)的寬度閾值的范圍為5mm-10mm，以保證由于間隙導(dǎo)致尾跡損失降到最低。

使用時(shí)，將斜流壓氣機(jī)通過第一個(gè)軸和第一個(gè)渦輪相連，將離心壓氣機(jī)通過第二個(gè)軸和第二個(gè)渦輪相連，且使得第一個(gè)軸和第二個(gè)軸同軸套接。使得工作時(shí)低壓渦輪轉(zhuǎn)速高于高壓渦輪轉(zhuǎn)速，提高了低壓渦輪出功。

本發(fā)明通過改變第一級(jí)與第二級(jí)的輪緣速度，使得壓比、效率、流量性能參數(shù)同時(shí)提升。

圖2為本發(fā)明斜流-離心組合壓氣機(jī)的正視圖，圖中，中心的圓圈為斜流壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，令中間的圓環(huán)為第一截面、外部的圓環(huán)為第二截面，那么，僅采用單級(jí)離心壓氣機(jī)時(shí)，對(duì)每單位流量氣體所做得功為lc＝c2u×u2，式中，c2u為b點(diǎn)的絕對(duì)速度c2的葉輪切向分量，u2為b點(diǎn)葉輪的輪緣速度，第一截面加功量為lc1＝c1u×u1，c1u為a點(diǎn)的絕對(duì)速度c1的葉輪切向分量，u1為a點(diǎn)葉輪的輪緣速度，第一截面到第二截面加功量為lc2＝c2u×u2-c1u×u1；而采用斜流-離心組合壓氣機(jī)時(shí)，第一截面加功量為lc1＝c1u×u1，第一截面到第二截面加功量為lc2'＝c'2u×u'2-c1u×u1'，c'2u為b’點(diǎn)的絕對(duì)速度c'2的葉輪切向分量，u'2為b’點(diǎn)葉輪的輪緣速度，u1'為離心級(jí)葉輪在第二截面入口處的輪緣速度，所以此時(shí)斜流-離心組合壓氣機(jī)總的加功量l＝c'2u×u'2-c1u×(u1'-u1)。當(dāng)前面級(jí)壓氣機(jī)出口葉尖速度u1增大時(shí)，壓氣機(jī)總的加功量增大，由壓比和功之間的關(guān)系可知，壓氣機(jī)壓比會(huì)增大；當(dāng)u1增大時(shí)，若保持壓氣機(jī)總的加功量不變，則后面級(jí)壓氣機(jī)出口葉尖速度u2減小，進(jìn)而使得出口氣流絕對(duì)速度徑向速度增大，降低擴(kuò)壓器損失，提高壓氣機(jī)整機(jī)效率，即若第一級(jí)與第二級(jí)加功量匹配得當(dāng)，則同時(shí)能夠增加整級(jí)的效率和壓比。

對(duì)上述的技術(shù)方案及全三維數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證中采用了有詳細(xì)葉型數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的krain高亞音速離心葉輪。

krain葉輪是德國(guó)宇航院krain博士設(shè)計(jì)的一個(gè)后彎角(葉片和切向的夾角)為60度、設(shè)計(jì)流量4.0kg/s、轉(zhuǎn)速22363r/min、葉片數(shù)24、葉尖線速度470m/s、葉輪壓比4.7的半開式葉輪，葉輪設(shè)計(jì)點(diǎn)效率約93％，整級(jí)的壓比為4，效率為82.51％。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該葉輪能在非常寬廣的流量范圍內(nèi)高效地工作，同時(shí)該葉輪有詳細(xì)的葉型數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都采用該葉輪作為研究對(duì)象。

將krain高亞音速離心葉輪分為兩級(jí)，兩級(jí)的后彎角(葉片和切向的夾角)為60度，設(shè)計(jì)點(diǎn)流量為51.8kg/s，第一級(jí)轉(zhuǎn)速24500r/min,葉片數(shù)24，第一級(jí)葉尖速度384.5m/s，第二級(jí)轉(zhuǎn)速為21500r/min，第二級(jí)的葉尖速度450.3m/s，葉輪壓比為4.74的半開式葉輪，葉輪設(shè)計(jì)點(diǎn)效率約92％，整級(jí)的壓比為4.5，效率為86.26％。兩者幾何尺寸相同，圖3、圖4分別顯示了krain葉輪與斜流-離心組合壓氣機(jī)的流量-壓比特性曲線圖、流量-級(jí)效率特性曲線圖。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。