一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件的制作方法

1.本发明涉及涡轮发动机技术领域，特别涉及一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件。


背景技术：

2.带离心叶轮结构的发动机，离心叶轮出口处存在转静间隙，通常选择从此位置引气用于后面零件冷却、封严或轴向力平衡，但是从此位置点引气压力取决于当地静压，并且存在较高的旋流，高旋流在径向盘腔中产生较大的径向压降，导致出口压力较难满足下游零件冷却、封严或轴向力平衡的需要。
3.对于现有的离心叶轮出口根部引气技术方案，因引气位置点存在很大的周向运动旋流速度，从此位置点引气，引气参数取决于叶轮出口根部静压、绝对总温，受引气位置点处较大的旋流作用，进入叶轮盘背腔后的部分能量在引气过程中并不能被利用，反而还会因为高旋流速度在叶轮背腔中产生很大的径向压力损失。
4.例如对于采用双离心压气机结构的发动机，从一级离心叶轮出口根部引气静压不足以满足一级涡轮盘后封严的需求，为满足涡轮盘后封严需求而需要从二级离心叶轮出口引气，但是从较高压力位置点引气，也带来了整机能量耗散大，引气温度高冷却效果不佳的缺点，如果能够充分利用叶轮出口根部的高旋流速度，促进周向旋流速度转换成静压，可以有效提高引气静压水平，从一级离心叶轮出口引气即可满足一级涡轮盘后封严的需要。
5.因此若能够通过特殊结构，充分利用叶轮出口根部高旋流特点，促进周向旋流速度转换成静压，并降低旋流系数，提高集气腔腔压均匀性，则能为下游零件冷却封严、平衡轴向力提供所需的更高的压力，同时避免常规离心叶轮出口根部引气径向压降大的缺点，因此设计一款能够实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件是极其必要的。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件，目的是为了具备通过铸造形成径向增压腔和集气腔来促进周向旋流速度转换成静压，并控制集气腔腔压均匀性的能力，解决引气位置点处旋流能量利用率低，存在径向压力损失的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件，包括离心叶轮，所述离心叶轮上安装有径向扩压机匣，所述径向扩压机匣上固定连接有盖板机构，且所述径向扩压机匣与盖板机构所围腔体内部设有增压机构，所述增压机构一侧与径向扩压机匣围成径向增压腔，所述增压机构另一侧与盖板机构、径向扩压机匣围成集气腔。
8.优选的，所述增压机构包括有分隔件，所述分隔件一侧设有导流叶片，且所述分隔件顶部设置有轴向导流肋板。
9.优选的，所述分隔件包括有左导流壁板和右导流壁板，所述左导流壁板、右导流壁
板中间位置嵌接有分隔板。
10.优选的，所述左导流壁板和右导流壁板间周向扇形呈15～30
°
，且所述左导流壁板、右导流壁板径向高度范围均为2～4cm。
11.优选的，所述左导流壁板、右导流壁板和导流叶片与径向扩压机匣右侧壁面形成扩压通道。
12.优选的，所述导流叶片一侧与分隔板一侧固定连接，所述轴向导流肋板的数量为三个，三个所述轴向导流肋板呈均匀分布且均固定于分隔板顶部。
13.优选的，所述轴向导流肋板前缘和尾缘导圆半径尺寸范围为0.2～0.4mm。
14.优选的，所述集气腔内引气气流均穿过轴向导流肋板，且所述集气腔内部旋流系数基本为0。
15.优选的，所述左导流壁板、右导流壁板和导流叶片底端为进气口，且所述左导流壁板、右导流壁板和导流叶片的进气方向向量所重合直线与相应进气位置内切圆切线夹角范围为5～15
°
。
16.优选的，所述左导流壁板、右导流壁板和导流叶片顶端为出气口，且所述左导流壁板、右导流壁板和导流叶片的出气方向向量所重合直线与出气口对应分隔板外径位置的外切圆切线的夹角范围为80～100
°
。
17.优选的，所述盖板机构包括有连系板，所述连系板顶部固定连接有固定在径向扩压机匣一端的盖板，且所述连系板一侧设有管接头。
18.与现有技术相比，本发明提供了一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件，具备以下有益效果：
19.1、离心叶轮从出口根部引气，沿轴向通过转子、静子间径向间隙进入径向增压腔，由于导流叶片入口角度方向偏向旋流方向一侧，可减小引气进口流动损失，又因叶片出口角度与出气口对应分隔板位置的外切圆切线的夹角范围约为80～100
°
，可有效保证气流通过径向增压腔后，充分利用叶轮出口根部高旋流特点，促进周向旋流能尽多转换成静压能，有效提高了引气压力，为引气的形式提供了更加充足的压力裕度，实现引气能量有效利用，且该引气径向增压流动为等熵过程。
20.2、在径向增压腔的顶部，气流沿轴向通过轴向导流肋板到达集气腔内，分隔板顶部所设置的轴向导流肋板对引气气流具有轴向整流作用，具有降低集气腔内气流旋流的作用，保证集气腔内部腔压均匀，较常规叶轮叶轮背腔径向内流引气方案，本发明有效避免引气过程中因周向旋流造成的径向压降。
21.3、通过将分隔板嵌入左导流壁板和右导流壁板的中间位置，左导流壁板、右导流壁板的左侧与导流叶片之间形成的径向增压腔对引气起径向增压作用，左导流壁板、右导流壁板的右侧与盖板之间形成的集气腔可起到有效的密封作用，配合将盖板机构焊接在径向扩压机匣上，可保证集气腔整体的密封性。
22.4、集气腔的排气形式可根据实际结构确定，腔室之间无直接连通时，可通过盖板上的管接头，连接内部管路引冷气进入下游腔室，腔室之间相互连通时，可直接在集气腔内沿径向向内流动，进入下游腔室，提供用于冷却封严或调节叶轮背腔腔压平衡轴向力。
23.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以及
附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.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。
25.图1示出了根据本发明实施例的一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件的结构示意图；
26.图2示出了根据本发明实施例的增压机构的左侧视图；
27.图3示出了根据本发明实施例的增压机构的右侧视图；
28.图4示出了根据本发明实施例的盖板机构的立体示意图；
29.图5示出了根据本发明实施例的两侧导流壁板型线、导流叶片中弧线的叶型图；
30.图6示出了根据本发明实施例的径向增压腔静压示意图；
31.图7示出了根据本发明实施例的集气腔静压示意图；
32.图8示出了根据本发明实施例的径向增压腔旋流系数示意图；
33.图9示出了根据本发明实施例的集气腔旋流系数示意图。
34.图中：1、离心叶轮；2、径向扩压机匣；3、增压机构；31、分隔件；311、分隔板；312、左导流壁板；313、右导流壁板；32、导流叶片；33、轴向导流肋板；4、盖板机构；41、连系板；42、盖板；43、管接头；5a、径向增压腔；5b、集气腔。
具体实施方式
35.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。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
37.如图1所示，一种实现周向旋流转换为压力能的引气集气腔组件，包括离心叶轮1，离心叶轮1出口处存在动子和静子径向间隙，通常从该径向间隙位置引气用于后面零件冷却、封严或轴向力平衡，且引气压力取决于当地静压，并存在较高的旋流，高旋流在径向盘腔中会产生较大的径向压降，会导致出口压力较难满足下游零件冷却、封严或轴向力平衡的需要，离心叶轮1上安装有径向扩压机匣2，径向扩压机匣2上固定连接有盖板机构4，且径向扩压机匣2与盖板机构4所围腔体内部设有增压机构3，径向扩压机匣2和增压机构3可以分开加工，也可以采用整体铸造的形式，增压机构3一侧与径向扩压机匣2围成径向增压腔5a，本发明通过设置径向增压腔5a，形成径向扩压通道，辅助引气周向旋流速度转换为压力能，增压机构3另一侧与盖板机构4、径向扩压机匣2围成集气腔5b，盖板机构4在制造安装时
可以直接焊接在径向扩压机匣2上，与径向扩压机匣2之间形成固定连接，进而有效保证集气腔5b整体的密封性。
38.针对带离心叶轮1的发动机，从离心叶轮1出口处的引气压力取决于当地静压，并存在较大的旋流，导致径向盘腔内存在较大的径向压降，出口压力难以满足使用需要，通过设置增压机构3和盖板机构4，充分利用叶轮出口根部的高旋流速度，促进周向旋流速度转换成静压，可以有效提高引气静压水平，并对引气气流进行整流。
39.如图2和图3所示，增压机构3包括有分隔件31，分隔件31一侧设有导流叶片32，导流叶片32入口角度方向偏向旋流方向一侧，可减小引气进口流动损失，且分隔件31顶部设置有轴向导流肋板33，分隔件31包括有左导流壁板312和右导流壁板313，左导流壁板312、右导流壁板313中间位置嵌接有分隔板311，其中，位于分隔板311左侧的左导流壁板312、导流叶片32和右导流壁板313之间形成的径向增压腔5a对引气起到径向增压作用，位于分隔板311右侧的左导流壁板312、右导流壁板313与径扩机匣、盖板形成封闭腔室，起到密封集气腔5b的作用。
40.如图5所示，示出了根据本发明实施例的两侧导流壁板型线、导流叶片中弧线的叶型图，其中，两侧导流壁板型线即为分隔板311两侧的左导流壁板312和右导流壁板313，左导流壁板312和右导流壁板313间周向扇形呈15～30
°
，且左导流壁板312、右导流壁板313径向高度范围均为2～4cm，可根据实际导流增压效果确定是否需要增加位于左导流壁板312和右导流壁板313中间的导流叶片32数量，左导流壁板312、右导流壁板313和导流叶片32与径向扩压机匣2右侧壁面形成扩压通道，实现引气周向旋流速度通过径向增压腔5a后转换成压力能。
41.导流叶片32一侧与分隔板311一侧固定连接，轴向导流肋板33的数量为三个，三个轴向导流肋板33呈均匀分布且均固定于分隔板311顶部，在径向增压腔5a的顶部，气流沿轴向通过轴向导流肋板33到达集气腔5b内，分隔板311顶部所设置的轴向导流肋板33对引气气流具有轴向整流作用，具有降低集气腔5b内气流旋流的作用，保证集气腔5b内部腔压均匀，轴向导流肋板33前缘和尾缘导圆半径尺寸范围为0.2～0.4mm，集气腔5b内部旋流系数基本为0，保证引气腔压均匀，左导流壁板312、右导流壁板313和导流叶片32底端为进气口；左导流壁板312、右导流壁板313和导流叶片32的进气方向向量所重合直线与相应进气位置内切圆切线夹角范围为5～15
°
，即图5所示角度1范围为5～15
°
，进气口引气方向的方向向量指向偏向旋转一侧，进口导圆半径r为0.3～0.5mm，可减小引气进口流动损失，左导流壁板312、右导流壁板313和导流叶片32顶端为出气口，左导流壁板312、右导流壁板313和导流叶片32的出气方向向量所重合直线与出气口对应分隔板311位置的外切圆切线的夹角范围约为80～100
°
，即图5所示角度2范围约为80～100
°
，出口导圆半径r为0.3～0.5mm，一方面降低下游轴向导流肋板33的导流损失，另一方面促使周向旋流尽可能多地转换成静压能，可有效保证气流通过径向增压腔5a后，充分利用叶轮出口根部高旋流特点，有效提高了引气压力，且该引气径向增压流动为等熵过程，主要是旋流速度转换成压力能，温度保持不变，为满足发动机内冷却、封严或平衡轴向力提供了更充足的压力裕度。
42.如图4所示，盖板机构4包括有连系板41，连系板41顶部固定连接有固定在径向扩压机匣2一端的盖板42，盖板42使得盖板机构4与径向扩压机匣2连接成整体，且连系板41一侧设有管接头43，通过设置管接头43，可外接管路对集气腔5b进行排气，当腔室之间无直接
连通时，可通过盖板42上的管接头43，连接内部管路引冷气进入下游腔室，当腔室之间相互连通时，气流可直接在集气腔5b内沿径向向内流动，进入下游腔室，提供用于冷却封严或调节叶轮背腔腔压平衡轴向力。
43.如图6和图8所示，图6中，pressure代表静压；图8中，k表示旋流系数；针对本发明技术方案开展cfd数值仿真验证，结果表明，叶轮出口根部引气位置点静压637kpa，旋流系数0.76，引气流量为130g/s条件下，经过叶轮出口根部转静间隙进入盘腔后静压减小到600kpa静压值处于600kpa附近，此时旋流系数衰减到0.65，通过径向增压腔5a后旋流系数降低到0.2，静压增加到787kpa，表明本发明通过结构设计形成径向增压腔5a，可有效促进周向旋流尽多地转换成静压能，提高了引气压力。
44.如图7和图9所示，图7中，pressure代表静压；图9中，k表示旋流系数；气流通过轴向导流肋板33到达集气腔5b后，腔压约740～760kpa，旋流系数降低到约0.05，说明集气腔5b腔压均匀，也减小了集气腔5b内径向向内引气流动的径向压降，可对引气气流进行整流。
45.本发明中径向扩压机匣2通常采用整体铸造形式，只需在周向扇形区15～30
°
区域内增加相应几何铸造形成径向增压腔5a和集气腔5b。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。