一种新型斜流‑离心组合压气机的制作方法

本发明涉及一种叶轮机械装置，尤其涉及一种新型斜流-离心组合压气机。

背景技术：

作为微型涡轮发动机主要部件之一,压气机有着举足轻重的作用"相对轴流式压气机而言,离心式或斜流式压气机具有单级增压比高、结构简单、稳定工作范围大、长度小、制造成本低等优点。

国内外目前在微型涡轮喷气发动机方面的研究主要集中于对各部件包括单级离心压气机部件的优化设计方面，以改良发动机的性能。但是压气机叶尖轮缘速度的提高有限，很难再使发动机的性能得以大幅度提高。尤其是在离心压气机方面，亟须改进其设计方法以提高离心压气机性能，从而有效提升发动机的整机性能。

微型涡轮发动机由于流量小，为避免缩尺效应所引起的纯轴流压气机末级损失增大的现象，多采用单级离心压气机。随着对高性能微型涡轮发动机的需求的增加，提高压气机压比和效率是必然趋势。但是由于离心压气机的叶根应力受到材料应力水平的限制，单级压比的提高幅度有限，目前最大的叶尖切线速度约为600m/s左右。在推力和功率较小的涡轮发动机中，由于受到流路尺寸的限制，已经很难通过增加级数来增大压比。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种新型斜流-离心组合压气机，采用两级压气机，通过改变第一级与第二级的轮缘速度，使得压比、效率、流量性能参数指标均获得了提高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种新型斜流-离心组合压气机，包含斜流压气机、离心压气机和无叶扩压器；

所述离心压气机的进气口和所述斜流压气机的出气口形状和大小均相同，离心压气机的进气口和斜流压气机的出气口相互贴合留有间隙，且间隙的宽度为预设的宽度阈值；

所述离心压气机的轴线和所述斜流压气机的轴线在同一轴线上；

所述无叶扩压器的进气口和所述离心压气机的出气口固定相连；

所述斜流压气机的压比为2.3到2.6，所述离心压气机的压比为1.8到2。

作为本发明一种新型斜流-离心组合压气机进一步的优化方案，所述预设的宽度阈值的范围为5mm-10mm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.当前面级压气机出口叶尖速度u1增大时，压气机总的加功量增大，由压比和功之间的关系可知，压气机压比会增大；当u1增大时，若保持压气机总的加功量不变，则后面级压气机出口叶尖速度u2减小，进而使得出口气流绝对速度径向速度增大，降低扩压器损失，提高压气机整机效率，即若第一级与第二级加功量匹配得当，则同时能够增加整级的效率和压比；

2.采用斜流-离心组合压气机方案时，相比于单级离心压气机，把原来单个叶栅负担的气流转折角和增压分给了两个叶片排，减缓了叶片表面附面层厚度的发展，具有了较小的气动损失；

3.由于斜流-离心组合压气机的第一级作功量有所增加，与单级离心压气机相比，第一级的出口轮缘速度比后者在相同几何半径处的轮缘速度高，并增强了整个通道的流通能力。

附图说明

图1为本发明斜流-离心组合压气机的侧视图；

图2为本发明斜流-离心组合压气机的正视图；

图3为krain叶轮与本发明斜流-离心组合压气机流量-压比特性曲线图；

图4为krain叶轮与本发明斜流-离心组合压气机流量-级效率特性曲线图。

图中，1-斜流压气机的进气口，2-斜流压气机，3-离心压气机，4-无叶扩压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种新型斜流-离心组合压气机，包含斜流压气机、离心压气机和无叶扩压器；

所述离心压气机的进气口和所述斜流压气机的出气口形状和大小均相同，离心压气机的进气口和斜流压气机的出气口相互贴合留有间隙，且间隙的宽度为预设的宽度阈值；

所述离心压气机的轴线和所述斜流压气机的轴线在同一轴线上；

所述无叶扩压器的进气口和所述离心压气机的出气口固定相连；

所述斜流压气机的压比为2.3到2.6，所述离心压气机的压比为1.8到2。

本发明中，第一级为斜流压气机，第二级为离心压气机，气流依次经过斜流压气机、离心压气机和无叶扩压器，预设的宽度阈值的范围为5mm-10mm，以保证由于间隙导致尾迹损失降到最低。

使用时，将斜流压气机通过第一个轴和第一个涡轮相连，将离心压气机通过第二个轴和第二个涡轮相连，且使得第一个轴和第二个轴同轴套接。使得工作时低压涡轮转速高于高压涡轮转速，提高了低压涡轮出功。

本发明通过改变第一级与第二级的轮缘速度，使得压比、效率、流量性能参数同时提升。

图2为本发明斜流-离心组合压气机的正视图，图中，中心的圆圈为斜流压气机的进气口，令中间的圆环为第一截面、外部的圆环为第二截面，那么，仅采用单级离心压气机时，对每单位流量气体所做得功为lc＝c2u×u2，式中，c2u为b点的绝对速度c2的叶轮切向分量，u2为b点叶轮的轮缘速度，第一截面加功量为lc1＝c1u×u1，c1u为a点的绝对速度c1的叶轮切向分量，u1为a点叶轮的轮缘速度，第一截面到第二截面加功量为lc2＝c2u×u2-c1u×u1；而采用斜流-离心组合压气机时，第一截面加功量为lc1＝c1u×u1，第一截面到第二截面加功量为lc2'＝c'2u×u'2-c1u×u1'，c'2u为b’点的绝对速度c'2的叶轮切向分量，u'2为b’点叶轮的轮缘速度，u1'为离心级叶轮在第二截面入口处的轮缘速度，所以此时斜流-离心组合压气机总的加功量l＝c'2u×u'2-c1u×(u1'-u1)。当前面级压气机出口叶尖速度u1增大时，压气机总的加功量增大，由压比和功之间的关系可知，压气机压比会增大；当u1增大时，若保持压气机总的加功量不变，则后面级压气机出口叶尖速度u2减小，进而使得出口气流绝对速度径向速度增大，降低扩压器损失，提高压气机整机效率，即若第一级与第二级加功量匹配得当，则同时能够增加整级的效率和压比。

对上述的技术方案及全三维数值方法进行验证，验证中采用了有详细叶型数据和实验数据的krain高亚音速离心叶轮。

krain叶轮是德国宇航院krain博士设计的一个后弯角(叶片和切向的夹角)为60度、设计流量4.0kg/s、转速22363r/min、叶片数24、叶尖线速度470m/s、叶轮压比4.7的半开式叶轮，叶轮设计点效率约93％，整级的压比为4，效率为82.51％。经实验测试该叶轮能在非常宽广的流量范围内高效地工作，同时该叶轮有详细的叶型数据以及实验测量结果，国内外很多学者都采用该叶轮作为研究对象。

将krain高亚音速离心叶轮分为两级，两级的后弯角(叶片和切向的夹角)为60度，设计点流量为51.8kg/s，第一级转速24500r/min,叶片数24，第一级叶尖速度384.5m/s，第二级转速为21500r/min，第二级的叶尖速度450.3m/s，叶轮压比为4.74的半开式叶轮，叶轮设计点效率约92％，整级的压比为4.5，效率为86.26％。两者几何尺寸相同，图3、图4分别显示了krain叶轮与斜流-离心组合压气机的流量-压比特性曲线图、流量-级效率特性曲线图。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。