CN104895841B - 整流器、流道结构、组合压气机、航空燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种组合压气机流道结构，包括：单级轴流压气机，具有轴流叶轮；具有负曲率流道的整流器；和离心压气机，具有离心叶轮，其中：负曲率流道由沿圆周方向均布且间隔开的多个管道构成；管道的入口与轴流压气机的出口连通，管道的出口与离心压气机连通；轴流叶轮入口平均半径(R1)小于管道的入口平均半径(R2)，管道的出口平均半径(R3)小于管道的入口平均半径(R2)，且每个管道的出口流通面积与入口流通面积之比落入1.2～1.4的范围内。本发明还涉及具有负曲率流道的整流器、组合压气机和航空燃气涡轮发动机。利用负曲率管道式整流器，能够兼顾轴流压气机高做功能力与离心压气机低轮毂比的双重要求，且避免采用叶片式整流器根部气流分离的问题。

Description

整流器、流道结构、组合压气机、航空燃气涡轮发动机

技术领域

本发明的实施例涉及航空发动机领域，尤其涉及具有负曲率流道的整流器、组合压气机的流道结构、具有该流道结构的组合压气机、以及具有该组合压气机的航空燃气涡轮发动机。

技术背景

与大推力航空发动机均采用大流量、高压比的多级轴流压气机结构形式不同，组合压气机是中小推力航空发动机压缩系统的主要结构型式。

轴流+离心组合压气机结合了轴流流道平滑、效率高，以及离心级流量小、工作范围宽广、零件少和可靠性高的特点，广泛用于中小流量的航空燃气涡轮发动机中。

对于现代高性能轴流+离心组合压气机，级间通常采用无过渡段设计。由于取消了过渡段，组合压气机的轴向长度更短，效率更高。然而无过渡段的设计也给轴流级、离心级各自的优化及两者匹配带来一定的困难。对于轴流级来说，需要通过抬高轴流叶轮出口直径，增加其做功能力，实现更高的单级压比，从而减少压气机的零部件数、重量和制造成本；而对于离心叶轮来说，要求大的入口面积、小的入口马赫数及小的入口轮毂直径，以保证离心级具有较高的效率和喘振裕度，这与轴流级出口较大的轮毂比是矛盾的，轴流级整流器出口轮毂直径的降低会带来轴流级整流器根部载荷的升高、流动出现分离以及损失较大等不利影响。

因此，亟需探索一种兼顾了轴流压气机高出口/入口平均半径比(增强做功能力)和离心压气机低入口轮毂比的双重要求的新型组合压气机流道结构。

发明内容

为了克服现有中小型航空燃气涡轮发动机采用多级轴流或者轴流-离心组合压气机所存在的单级压比低、级数多、重量大、制造成本高的问题，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种具有负曲率流道的整流器，所述整流器的入口适于与轴流压气机相通，而出口适于与离心压气机相通，所述整流器包括：内环面；外环面；设置在内环面与外环面之间的负曲率流道，所述负曲率流道由多个负曲率管道构成，管道在圆周方向上均布且彼此间隔开、且彼此间隔开且每一个管道的出口流通面积与入口流通面积之比落入1.2～1.4的范围内。

可选地，所述管道的截面形状为圆形、椭圆形或者类椭圆形。

可选地，每一个管道的中心线与轴流压气机的旋转轴线的夹角为25°～45°；每一个管道的无量纲比值L/H小于1.5，其中，L为管道的轴向长度，H为管道出口的径向高度。

根据本发明的实施例的另一方面，还提出了一种组合压气机的流道结构，包括：作为第一级的单级轴流压气机，具有轴流叶轮；具有负曲率流道的整流器；和作为第二级的离心压气机，具有离心叶轮，其中：所述整流器为上述的整流器；每一个管道的入口与轴流压气机的出口连通，每一个管道的出口与离心压气机连通；轴流叶轮入口平均半径小于管道的入口平均半径，管道的出口平均半径小于管道的入口平均半径。

可选地，所述管道的数目为轴流叶轮叶片数的1.5～2倍。

可选地，所述管道的数目为离心叶轮叶片数的1.5～2倍。

可选地，所述管道的出口相对于所述管道的入口沿圆周方向上偏移，偏移方向与轴流叶轮的旋转方向一致。

本发明的实施例还涉及一种组合压气机，包括：转轴；上述的组合压气机的流道结构；设置在离心叶轮下游的径向扩压器；以及设置在径向扩压器下游的轴向扩压器，其中，所述组合压气机的轴流叶轮和离心叶轮绕转轴的轴线旋转。

本发明的实施例还涉及一种航空燃气涡轮发动机，包括上述的组合式压气机。

基于本发明的技术方案的组合压气机，具有结构简单紧凑、零部件少、转子长度短和加工维护费用低等优势。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的具有负曲率管道式整流器的组合压气机的流道示意图。

图2为本发明的具有负曲率管道式整流器的组合压气机的三维立体示意图。

附图标记说明：轴流叶轮1、整流器2、离心叶轮3、径向扩压器4、轴向扩压器5，压气机转轴6。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的底部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

如图1所示，本发明提出了一种具有负曲率流道的整流器2，所述整流器2的入口适于与轴流压气机(在图1中以轴流叶轮1表示)相通，而出口适于与离心压气机(在图1中以离心叶轮3表示)相通。参见图1和图2，整流器2包括：内环面21；外环面22；设置在内环面与外环面之间的负曲率流道，负曲率流道由多个负曲率管道23构成，管道23在圆周方向上均布且彼此间隔开、且每一个管道23的出口流通面积与入口流通面积之比落入1.2～1.4的范围内，例如该比值可以是1.2、1.25、1.3、1.35、1.4，以在保证整流器内流动不分离的前提下实现气流最大整流。

利用该整流器2，可以将来自整流器上游的轴流压气机的气流均匀分布到整流器下游的离心压气机。

现有技术中采用叶片式整流器，但是该叶片式整流器存在曲率变化大、加工难度大的问题，而且在叶片的根部还存在气流分离，而本发明的管道式负曲率整流器具有结构简单，加工成本低，同时避免负曲率流道下叶片根部分离问题，能够最大程度提高整流器性能。

整流器可以由钢制成，具体地，可以在具有负曲率的钢环中，在内环面与外环面之间直接钻出管道。整流器也可以通过铸造工艺一体制成。

可选地，所述管道的截面形状为圆形、椭圆形或者类椭圆形。如此，各管道相贯形成燕尾型前缘，能够更好地适应轴流叶轮出口不均匀来流，提高整流器性能。

如图1所示，可选地，每一个管道的中心线与组合压气机的旋转轴线的夹角θ为25°～45°，每一个管道的无量纲比值L/H小于1.5，以保证整流器具有较高的总压恢复性能和出口流场均匀性，其中，L为管道的轴向长度，H为管道出口的径向高度。θ可以为25度、30度、45度。

相应地，本发明也提出了一种组合压气机的流道结构，如图1所示，该流道结构包括：作为第一级的单级轴流压气机，具有轴流叶轮1；上述的具有负曲率流道的整流器2；和作为第二级的离心压气机，具有离心叶轮3，其中：每一个管道23的入口与轴流压气机的出口连通，每一个管道23的出口与离心压气机连通；且轴流叶轮入口平均半径R1小于管道的入口平均半径R2，管道的出口平均半径R3小于管道的入口平均半径R2。

如图1所示，轴流压气机的流道从入口开始先逐渐抬升，使得轴流叶轮入口平均半径R1小于管道的入口平均半径R2，通过抬高轴流叶轮出口流道外径可以增加做功能力；管道23的出口平均半径R3小于管道23的入口平均半径R2，这可有效降低离心叶轮入口轮毂比，适应离心压气机入口要求，降低离心压气机设计难度。

由于管道23的出口与离心叶轮的叶片之间的通道相通，且管道23的出口面积大于管道23的入口面积，因此，优选的是，还考虑管道23的个数与离心叶轮叶片数之间的关系。可选地，管道23的数目为轴流叶片数的1.5～2倍，例如为轴流叶片数的1.5倍、2倍或者1.7倍。在管道23沿圆周方向均布的情况下，这可以保证整流器具有较高的总压恢复性能和出口流场均匀性。

为了减少流动损失，可选地，管道23的出口相对于管道23的入口在圆周方向上偏移，偏移方向与轴流叶轮的旋转方向一致。例如，在图2中，当轴向叶轮1的叶片在顺时针方向上转动时，管道23的出口相对于入口在顺时针方向上偏移。

根据本发明的组合压气机的流道结构，可以获得相对于传统的组合压气机流道布局的至少如下优点之一：①轴流压气机的单级压比较高，能够使得压气机零部件数大大少，结构简单紧凑，明显减小加工、安装和维修成本；②前面级采用高压比单级轴流压气机取代多级轴流压气机缩短了支承跨度，降低了轴系设计难度；③前面级采用宽弦设计的轴流压气畸变容限高，抗外物撞击能力(FOD)强，同时基于叶片弦长的雷诺数提高，在高空低雷诺数条件下具有较高的性能。

如图1所示，本发明也提出了一种组合压气机，包括：转轴6；上述的组合压气机的流道结构；设置在离心叶轮下游的径向扩压器4；以及设置在径向扩压器4下游的轴向扩压器5，其中，所述组合压气机的轴流叶轮和离心叶轮绕转轴的轴线旋转。

下面描述组合压气机的操作。组合压气机工作时，轴流叶轮1和离心叶轮3绕着压气机轴线6旋转，气流由进气机匣引入轴流叶轮1，经轴流叶轮1增压后，流入整流器2进行整流，经整流扩压后进入离心叶轮3，经离心叶轮3进一步增压后，进入叶片式径向扩压器4，在其中减速增压，再经过轴向扩压器5进一步整流，最后流入燃烧室。

根据本发明的轴流-离心组合压气机具有大驼背型流道，能够兼顾轴流压气机高做功能力与离心压气机低轮毂比的双重要求，由于单级轴流压气机具有更高的级压比，因此，可以取代轴流-离心组合压气机前面的多级轴流压气机，使得压气机零部件数大大减少，结构简单紧凑，明显减小加工、安装和维修成本。

根据本发明的组合压气机可以应用于航空燃气涡轮发动机，尤其是高性能中小型航空燃气涡轮发动机。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种具有负曲率流道的整流器，所述整流器的入口适于与轴流压气机相通，而出口适于与离心压气机相通，所述整流器包括：

内环面；

外环面；

设置在内环面与外环面之间的负曲率流道，

其特征在于，

所述负曲率流道由多个负曲率管道构成，负曲率管道在圆周方向上均布且彼此间隔开、且每一个负曲率管道的出口流通面积与入口流通面积之比落入1.2～1.4的范围内，负曲率管道的入口平均半径(R2)大于轴流叶轮入口平均半径(R1)。

2.根据权利要求1所述的整流器，其中：

所述负曲率管道的截面形状为圆形、椭圆形或者类椭圆形。

3.根据权利要求1或2所述的整流器，其中：

每一个负曲率管道的中心线与轴流压气机的旋转轴线的夹角为25°～45°；

每一个负曲率管道的无量纲比值L/H小于1.5，其中，L为负曲率管道的轴向长度，H为负曲率管道出口的径向高度。

4.一种组合压气机的流道结构，包括：

作为第一级的单级轴流压气机，具有轴流叶轮；

具有负曲率流道的整流器；和

作为第二级的离心压气机，具有离心叶轮，

其中：

所述整流器为根据权利要求1-3中任一项所述的整流器；

每一个负曲率管道的入口与轴流压气机的出口连通，每一个负曲率管道的出口与离心压气机连通；

轴流叶轮入口平均半径(R1)小于负曲率管道的入口平均半径(R2)，负曲率管道的出口平均半径(R3)小于负曲率管道的入口平均半径(R2)。

5.根据权利要求4所述的组合压气机的流道结构，其中：

所述负曲率管道的数目为轴流叶轮叶片数的1.5～2倍。

6.根据权利要求4所述的组合压气机的流道结构，其中：

所述负曲率管道的数目为离心叶轮叶片数的1.5～2倍。

7.根据权利要求4所述的组合压气机的流道结构，其中：

所述负曲率管道的出口相对于所述负曲率管道的入口沿圆周方向上偏移，偏移方向与轴流叶轮的旋转方向一致。

8.一种组合压气机，包括：

转轴；

根据权利要求4-7中任一项所述的组合压气机的流道结构；

设置在离心叶轮下游的径向扩压器；以及

设置在径向扩压器下游的轴向扩压器，

其中，所述组合压气机的轴流叶轮和离心叶轮绕转轴的轴线旋转。

9.一种航空燃气涡轮发动机，包括：

根据权利要求8所述的组合式压气机。