一种使用轴流导叶的向心涡轮

本发明涉及一种向心涡轮，具体涉及一种使用轴流导叶的向心涡轮，属于叶轮机械技术领域。

背景技术：

向心涡轮是压缩空气系统的关键做功部件，气流在向心涡轮动叶中作径向到轴向的流动，它的动叶叶轮形状和离心式压气机叶轮的形状相似。向心涡轮具有结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉，以及高膨胀比、大焓降、在小流量的情况下仍具有较大效率等优点，在导弹发动机、航空发动机的部件及辅助动力装置、车用涡轮增压器等领域中有着广泛应用。目前，向心涡轮越来越朝着小型化的趋势发展，以满足飞行器的减重需求，提高发动机的推重比。

相对于轴流涡轮，单级向心涡轮的叶片数目少，有较高的圆周速度，且叶轮流动损失和余速损失较小，重量轻、简单可靠。但是，向心涡轮的尺寸减小将会导致单级向心涡轮的负荷增加、内部流场复杂化。只有采用更优化的叶片与设计形式，才能降低各种损失，以提高涡轮的气动性能。

因此，在满足向心涡轮各项气动性能的基础上，设计一种具备小尺寸、高性能特点的向心涡轮，具有极其重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了进一步提高向心涡轮的气动性能和工作效率，使向心涡轮的结构更加紧凑，实现向心涡轮轴向进气并以进气方向相反的方向出气，创造性地提出一种使用轴流导叶的向心涡轮。

本发明采用以下技术方案。

一种使用轴流导叶的向心涡轮，包括轴流导叶、动叶、导叶机匣、导叶轮毂、弯折流道、动叶轮毂和动叶机匣。其中，动叶周向均匀安装于动叶轮毂上，轴流导叶周向均匀安装于导叶机匣上，轴流导叶与动叶中间连接有弯折流道。通过这种结构，可实现向心涡轮轴向进气方向，同时可实现进气与出气方向相反，大大缩小整个涡轮的轴向尺寸与径向尺寸，减少整个涡轮的重量，增加涡轮结构的紧凑性，提升涡轮的做功能力。

有益效果

本发明方法，与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用无蜗壳设计，大大减小了涡轮的径向尺寸与轴向长度，增加了涡轮结构的紧凑性，有效降低涡轮的重量。

2.本发明提出的结构设计，有效降低了涡轮在导流过程中的流动损失，显著提升了涡轮的效率与做功能力。

3.本发明提出的轴流导叶，具有较好的工艺制造性，结构简单，能够显著降低生产成本。

附图说明

图1为本发明所述向心涡轮的轴测图。

图2为本发明所述向心涡轮的子午流面图。

图3为本发明所述向心涡轮的子午流面部件分解图。

图4为本发明所述向心涡轮的轴流导叶2的轴测图。

图5为本发明所述向心涡轮的弯折流道5的轴测图。

图6为本发明所述向心涡轮的弯折流道5的侧视图。

图7为本发明所述向心涡轮的动叶7的轴测图。

图8为本发明所述向心涡轮的动叶7的侧视图。

其中，1-导叶轮毂，2-轴流导叶，3-导叶机匣，4-动叶机匣，5-弯折流道，6-动叶轮毂，7-动叶，8-导叶出口，9-弯折流道进口，10-弯折流道出口，11-动叶进口，12-导叶前缘，13-导叶尾缘，14-动叶前缘，15-动叶尾缘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步详细说明。

实施例

如图1、图2和图3所示，一种使用轴流导叶的向心涡轮，包括导叶轮毂1、轴流导叶2、导叶机匣3、动叶机匣4、弯折流道5、动叶轮毂6、动叶7、导叶出口8、弯折流道进口9、弯折流道出口10和动叶进口11。

如图4所示，轴流导叶1的导叶前缘12与导叶尾缘13均为半圆，且轴流导叶1的安装角、叶片弯角、叶片厚度分布沿径向方向均相同。轴流导叶1沿流向的厚度先增大后减小。

如图2、图3、图5和图6所示，弯折流道5的进口9高度与轴流导叶2的出口8处高度相同，弯折流道5的出口10宽度与动叶7的进口11处宽度相同。

如图7和图8所示，动叶7的前缘14为半圆形的圆弧，沿流向叶片厚度先增大、中段处厚度保持不变，之后逐渐减小，且沿流线方向上前缘14的半径与尾缘15的半径相同，叶片、叶顶处沿流向厚度均相同。动叶5的叶顶与动叶机匣4之间存在间隙，且沿流向方向的间隙大小相等。优选的，动叶7的叶片采用直叶片形式。

上述组成部分的连接关系为：

轴流导叶2周向均匀连接导叶机匣3，并置于动叶7的正上位置处。

弯折流道5位于轴流导叶2至动叶7之间。弯折流道5的进口9处的外侧型线和内侧型线，分别与轴流导叶2的出口8处的流道上、下处型线相切。弯折流道5的出口10左、右两侧型线，分别与动叶7的进口11处的流道左、右两侧型线相切。其中，弯折流道7的左、右两侧型线均采用贝塞尔曲线，优选的，采用三阶贝塞尔曲线形状。

动叶7周向均匀安装于动叶轮毂6上。

当向心涡轮工作时，从发动机燃烧室出来的高温高压气体，首先进入轴流导叶2。流入轴流导叶2中的气体，经过轴流导叶2的加速后，流入轴流导叶2与动叶7中间的弯折流道5。气流经弯折流道5后，进入动叶7，并推动动叶7转动对外做功。

其中，轴流导叶2、弯折流道5、动叶7，是本发明所述向心涡轮的核心部件，可以采用以下方法进行设计。

首先，根据给定的进口总压、总温、膨胀比、流量等设计参数，进行轴流导叶2、动叶7的一维设计与计算。一维设计与计算的内容包括：速度三角形的设计、动叶7进出口处的直径、动叶7进出口的叶片的高度、轴流导叶2进出口叶片的高度等基本几何尺寸。

然后，在一维设计与计算的基础上，进行轴流导叶2与动叶7的三维造型设计。动叶7的三维造型设计包括：动叶7的叶片角的分布形式、动叶7厚度的分布形式等几何参数。轴流导叶2的三维造型设计包括：轴流导叶2的厚度分布，轴流导叶2的叶片角的分布等几何参数，优选的，轴流导叶2叶片采用直叶片形式。

之后，将设计好的涡轮进行网格划分后，在cfd软件中进行三维计算。在数值模拟结果的基础上，进行动叶与轴流导叶叶片几何的修改与调整。反复迭代，直至达到指标期望值。

技术特征：

1.一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，包括导叶轮毂(1)、轴流导叶(2)、导叶机匣(3)、动叶机匣(4)、弯折流道(5)、动叶轮毂(6)、动叶(7)、导叶出口(8)、弯折流道进口(9)、弯折流道出口(10)和动叶进口(11)；

其中，轴流导叶(1)的导叶前缘(12)与导叶尾缘(13)均为半圆，且轴流导叶(1)的安装角、叶片弯角、叶片厚度分布沿径向方向均相同，轴流导叶(1)沿流向的厚度先增大后减小；动叶(5)的叶顶与动叶机匣(4)之间存在间隙，且沿流向方向的间隙大小相等；

上述组成部分的连接关系为：

轴流导叶(2)周向均匀连接导叶机匣(3)，并置于动叶(7)的正上位置处；

弯折流道(5)位于轴流导叶(2)至动叶(7)之间；弯折流道(5)的进口(9)处的外侧型线和内侧型线，分别与轴流导叶(2)的出口(8)处的流道上、下处型线相切；弯折流道(5)的出口(10)左、右两侧型线，分别与动叶(7)的进口(11)处的流道左、右两侧型线相切；其中，弯折流道(7)的左、右两侧型线均采用贝塞尔曲线；

动叶(7)周向均匀安装于动叶轮毂(6)上；

当向心涡轮工作时，从发动机燃烧室出来的高温高压气体，首先进入轴流导叶(2)；流入轴流导叶(2)中的气体，经过轴流导叶(2)的加速后，流入轴流导叶(2)与动叶(7)中间的弯折流道(5)；气流经弯折流道(5)后，进入动叶(7)，并推动动叶(7)转动对外做功。

2.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，动叶(7)的叶片采用直叶片形式。

3.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，弯折流道(7)的左、右两侧型线采用三阶贝塞尔曲线形状。

4.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，弯折流道(5)的进口(9)高度与轴流导叶(2)的出口(8)处高度相同，弯折流道(5)的出口(10)宽度与动叶(7)的进口(11)处宽度相同。

5.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，动叶(7)的前缘(14)为半圆形的圆弧，沿流向叶片厚度先增大、中间段厚度保持不变，之后逐渐减小，且沿流线方向上前缘(14)的半径与尾缘(15)的半径相同，叶片和叶顶处沿流向厚度均相同。

6.如权利要求1所述的一种使用轴流导叶的向心涡轮，其特征在于，轴流导叶(2)、弯折流道(5)和动叶(7)，采用以下方法进行设计：

首先，根据给定的设计参数，包括进口总压、总温、膨胀比和流量，进行轴流导叶(2)、动叶(7)的一维设计与计算；

其中，一维设计与计算的内容包括速度三角形的设计、动叶(7)进出口处的直径、动叶(7)进出口的叶片的高度、轴流导叶(2)进出口叶片的高度；

然后，在一维设计与计算的基础上，进行轴流导叶(2)与动叶(7)的三维造型设计；动叶(7)的三维造型设计参数包括动叶(7)的叶片角的分布形式、动叶(7)厚度的分布形式；轴流导叶(2)的三维造型设计参数包括：轴流导叶(2)的厚度分布，轴流导叶(2)的叶片角的分布；

之后，将设计好的涡轮进行网格划分后，在cfd软件中进行三维计算；在数值模拟结果的基础上，进行动叶与轴流导叶叶片几何的修改与调整；反复迭代，直至达到指标期望值。

技术总结
本发明公开了一种使用轴流导叶的向心涡轮，包括轴流导叶、机匣、弯折流道、轮毂和动叶。其中，动叶周向均匀安装于动叶轮毂上，轴流导叶周向均匀安装于导叶机匣上，轴流导叶与动叶中间连接有弯折流道。通过这种结构，可实现向心涡轮轴向进气方向，同时可实现进气与出气方向相反，大大缩小整个涡轮的轴向尺寸与径向尺寸，减少整个涡轮的重量，增加涡轮结构的紧凑性，提升涡轮的做功能力。本发明提出的轴流导叶，具有较好的工艺制造性，结构简单，能够显著降低生产成本。

技术研发人员：周玲;于郡生;蒙童桐;季路成
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.04.12
技术公布日：2021.07.06