进口非线性后掠叶轮的制作方法

本技术涉及后掠叶轮，具体讲是一种可用于微小型涡轮喷气发动机的进口后掠叶轮，属于叶片式流体机械领域。

背景技术：

1、压气机是一种将机械能转化为工质压力能的叶片式流体机械。按照工质的流动方向，压气机类型一般可分为轴流式与离心式。离心压气机由于其单级压比高、稳定工作范围宽、结构简单紧凑、制造成本低等优点，在微小型涡轮喷气发动机领域得到了越来越多的应用。

2、用于微小型涡轮喷气发动机的离心压气机一般包含离心叶轮、径向扩压器与轴向扩压器。其中离心叶轮为旋转部件，通过叶片对气流做功，提升气流的压力能与动能；径向扩压器与轴向扩压器为静止部件，将气流的动能部分的转化为压力能，并调整气流方向，便于下游部件(下一级压气机或燃烧室)利用。可见离心叶轮不仅需要承担气动负荷，还需要承担由于高速旋转带来的离心负荷，因此离心叶轮的设计过程中不仅需要关注气动性能，还应关注部件应力水平，使部件整体应力处于安全范围内。

3、但离心叶轮的气动负荷与应力水平往往存在不可调和的矛盾：越高的气动负荷，往往意味着表面积更大、扭转更剧烈的叶片，也就意味着更大的叶片应力。特别是离心叶轮进口叶片根部，由于此处叶片根尖扭转剧烈，且叶片高度较大，往往是整个离心叶轮叶片应力最大的区域。叶片根部应力水平已经成为了制约离心叶轮气动性能提升的重要因素。

4、现有技术中解决气动负荷与应力之间的矛盾的通常手段是更换比强度更高的材料，如将铝合金更换为钛合金，但这往往导致零部件成本的急剧上升，减弱了离心压气机成本低的优势；也会导致零部件质量增加，降低发动机推重比。

5、另一种手段是提高叶轮的进口轮毂比，降低叶片高度，但这会导致叶轮叶尖激波强度增加，叶轮效率与稳定工作范围急剧下降。

技术实现思路

1、本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种在无需更换叶轮材料，以及保证叶片气动性能不降低的前提下，能降低叶片根部应力的进口非线性后掠叶轮。

2、通过分析叶片受力模型，可将叶片简化为一悬臂梁结构，若要减小悬臂梁根部应力，就应减小悬臂梁伸出部分的质量。鉴于此本实用新型采用进口后掠叶轮，即削减了进口区域部分叶片。

3、但由于沿流向(气流流动方向)，不论是根尖，叶片角度是逐渐减小的(如图4所示)，削减越多，叶片前缘角度越小，气流攻角也就越大，而过大的攻角会导致压气机在高转速性能恶化。因此后掠叶片设计不可避免的会带来一定程度的气动性能恶化。

4、线性后掠叶轮的叶片前缘为一直线，前缘与轴向呈一固定夹角，叶根不削减，叶尖削减量最大。而随着叶片高度增加，气流相对速度增加，相比于叶根，叶尖的削减对叶轮气动性能影响更大，因此线性后掠叶轮的性能较差。

5、为了解决上述技术问题，本实用新型提供的进口非线性后掠叶轮，包括轮盘、交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；

6、所述大叶片为进口非线性后掠叶片。

7、本实用新型的有益效果在于：与线性后掠叶片不同的是，非线性后掠叶片的前缘为曲线，在保证总的相同削减量的前提下(保证根部应力处于相同水平)，在对气动性能影响较大的区域(叶尖区域)减小了的削减量，而在对气动性能影响较小的区域(叶中区域)增大了削减量，因此相比于线性后掠叶轮，非线性后掠叶轮提高了气动性能，保证叶轮正常的效率与稳定工作范围。

8、本实用新型中，所述大叶片的前缘型线采用二阶贝塞尔曲线，贝塞尔曲线三个控制点及其坐标分别为叶根点p0(z0,r0)、中间点p1(z1,r1)与叶尖点p2(z2,r2)。将p2点、p3点在轴向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(z2-z0)/(r3-r0)，定义为后掠幅度，将p1点、p0点在径向方向的距离与无后掠叶片前缘叶高的比值，即(r1-r0)/(r3-r0)定义为p1点的相对高度。

9、从兼顾叶片根部应力与叶轮气动性能的角度，本实用新型中，所述大叶片的后掠幅度取值范围为0.05～0.1，所述p1点的相对高度取值范围为0.45～0.55。

10、本实用新型中，所述大叶片为直纹叶片，其仅相当于常规无后掠直纹叶片削减掉进口部分区域，可采用与常规无后掠直纹叶片相同的加工方式，不会增加加工成本。

技术特征：

1.一种进口非线性后掠叶轮，包括轮盘，其特征在于：还包括交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；

2.根据权利要求1所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线采用二阶贝塞尔曲线描述。

3.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的后掠幅度取值范围为0.05～0.1。

4.根据权利要求3所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线上控制点p1的相对高度取值范围为0.45～0.55。

5.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片的前缘型线上控制点p1的相对高度取值范围为0.45～0.55。

6.根据权利要求1或2所述的进口非线性后掠叶轮，其特征在于：所述大叶片为直纹叶片。

技术总结
本技术公开了一种可用于微小型涡轮喷气发动机的进口非线性后掠叶轮，属于叶片式流体机械领域。进口非线性后掠叶轮包括轮盘、交错均布于轮盘上的大叶片和小叶片；所述大叶片为进口非线性后掠叶片。对叶轮进口采用非线性后掠设计，在不增加加工制造难度和更换叶轮材料的前提下，减小叶片进口处根部应力，同时对叶轮气动性能的影响很小，保证叶轮正常的效率与稳定工作范围。

技术研发人员：张小龙,郭伟,陈敏,卢坤林
受保护的技术使用者：融通航空发动机科技有限公司
技术研发日：20230630
技术公布日：2024/1/15