一种闭式离心叶轮及其燃气轮机的制作方法

本发明涉及激光切割，具体地，涉及一种闭式离心叶轮及其燃气轮机。

背景技术：

1、在航空发动机和燃气轮机领域，离心压气机具有单级压比高、零件数量少的优点，但是其气动效率普遍低于轴流压气机，提高离心压气机效率，可显著改进燃气轮机性能。目前离心压气机上普遍采用开式离心叶轮，五轴联动摇篮铣加工的开式离心叶轮具有较高的加工精度和结构强度，代表目前最高技术水平，但是该种离心叶轮叶尖间隙大，潜流损失大。

2、公告号为cn202579305u的专利提供了一种闭式离心叶轮，包括叶轮轮体、沿叶轮轮体的周缘向外凸设的若干叶片体和沿周向覆盖于叶片体上的叶轮轮盖，其中，每一个叶片体与叶轮轮盖的内壁连接。叶轮轮体、若干叶片体和叶轮轮盖整体式一体成型。同时，在叶轮轮盖的周缘上凸设有若干环槽状的篦齿，每一个篦齿与叶轮轴的轴心线相同。该实用新型的闭式离心叶轮将叶轮轮体、若干叶片体和叶轮轮盖整体式一体成型设计，消除了叶片体与叶轮轮盖的径向间隙，从而有效的消除了由径向间隙引起的损失，尤其是二次流损失。此外，轮盖上设有的篦齿，尤其是阶梯轴段结构的篦齿，在减小离心叶轮与静子之间的漏气损失的同时，还能有效地减小篦齿密封对离心叶轮本身的气动弹性自激振动。某型燃气轮机功率达n兆瓦，用作某型坦克的燃气轮机动力，考虑到开式离心叶轮的前述缺陷，因此该燃气轮机采用高强度铸钢闭式离心叶轮，没有叶尖间隙和潜流损失，轮盖强度高，不会刮磨叶尖，可抗击主动反应装甲爆炸或反坦克地雷产生的冲击。

3、但是上述这种铸钢闭式离心叶轮铸造疏松缺陷多，气道内结瘤，叶形的光洁度差，会导致气动效率低，且上述一体式设计的闭式离心叶轮不便于加工轮盖流道、叶片前沿和叶背等处。为了避开铸造闭式离心叶轮的叶型粗糙等问题，需要对五轴联动摇篮铣加工闭式离心叶轮进行工艺适应性改进，重新进行三维流场设计或对离心叶轮的相关结构进行改进研究。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种无叶尖间隙和潜流损失，排气流场更均匀的高结构强度闭式离心叶轮。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种闭式离心叶轮，包括轮盘、轮盖和叶片，所述轮盘直径小于轮盖直径，所述轮盖为包括圆环段和圆盘段的两段式结构，所述圆环段上设有篦齿密封，所述轮盖上设有篦齿封严罩；所述叶片包括大叶片和小叶片，大叶片和小叶片按一大一小的规律在轮盘上依次排布，所述大叶片从轮盘的前缘延伸至后缘，所述小叶片靠近轮盘前缘的端部为第一端部、靠近轮盘后缘的端部为第二端部，所述小叶片第一端部和轮盘前缘之间相对于大叶片而言具有缩进距离，所述小叶片第二端部延伸至轮盘后缘外侧；所述轮盘、轮盖和叶片均采用钛合金材料锻造而成。

4、进一步地，所述圆环段采用高温碳纤维环氧树脂复合材料混合sic纳米颗粒预制形成。

5、进一步地，所述圆环段上设有扣环，所述圆盘段上具有与扣环相配合的扣槽，圆环段和圆盘段通过扣环和扣槽连接，连接处采用碳纤维环氧树脂预浸料缠绕扎紧，并涂胶固化。

6、更进一步地，所述大叶片、小叶片在与圆环段接触的部位设有多个沉孔，沉孔内放置用于胶接的胶料。

7、进一步地，所述圆环段上密封篦齿数量为8道。

8、进一步地，所述大叶片、小叶片沿展向的厚度分布规律为：叶根处厚度最大，沿叶片展向逐渐变薄，并在70％～80％叶展处最薄，之后又逐渐变厚。

9、更进一步地，所述大叶片、小叶片沿展向的圆弧半径取值规律为：前沿和后沿的圆弧半径均呈由大值到小值再到介于大值和小值之间变化。

10、进一步地，所述大叶片、小叶片在与轮盘和轮盖的连接处设有圆角。

11、进一步地，篦齿封严罩在对应轮盖圆盘段部位处安装电涡流位移传感器。

12、本发明同时还提供一种燃气轮机，其设有如权利要求1～9任意一项所述的闭式离心叶轮。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1)采用大叶片和小叶片相结合，可减小叶片前沿和后沿的叶栅稠度；小叶片相较于大叶片而言第一端部缩进、第二端部向外延伸，能使大叶片和小叶片弦长差距变小，这种接近于双排重叠叶片的布局可实现气流不易分离，排气流场更均匀；

15、2)轮盘直径小于轮盖直径的设计便于倾斜铣刀加工轮盖流道，轮盖分体设计为圆环段和圆盘段可提高叶片前沿和叶背的加工便利性和加工效率；

16、3)闭式离心叶轮采用锻造钛合金毛坯制作，基体比强度高、缺陷少，数控铣削叶片加工精度高，没有叶尖间隙和潜流损失，可显著提高离心压气机效率，提高转速和压比，降低耗油率，提高发动机性能。

技术特征：

1.一种闭式离心叶轮，其特征在于，包括轮盘、轮盖和叶片，所述轮盘直径小于轮盖直径，所述轮盖为包括圆环段和圆盘段的两段式结构，所述圆环段上设有篦齿密封，所述轮盖上设有篦齿封严罩；所述叶片包括大叶片和小叶片，大叶片和小叶片按一大一小的规律在轮盘上依次排布，所述大叶片从轮盘的前缘延伸至后缘，所述小叶片靠近轮盘前缘的端部为第一端部、靠近轮盘后缘的端部为第二端部，所述小叶片第一端部和轮盘前缘之间相对于大叶片而言具有缩进距离，所述小叶片第二端部延伸至轮盘后缘外侧；所述轮盘、轮盖和叶片均采用钛合金材料锻造而成。

2.根据权利要求1所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述圆环段采用高温碳纤维环氧树脂复合材料混合sic纳米颗粒预制形成。

3.根据权利要求1或2所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述圆环段上设有扣环，所述圆盘段上具有与扣环相配合的扣槽，圆环段和圆盘段通过扣环和扣槽连接，连接处采用碳纤维环氧树脂预浸料缠绕扎紧，并涂胶固化。

4.根据权利要求3所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述大叶片、小叶片在与圆环段接触的部位设有多个沉孔，沉孔内放置用于胶接的胶料。

5.根据权利要求1所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述圆环段上密封篦齿数量为8道。

6.根据权利要求1所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述大叶片、小叶片沿展向的厚度分布规律为：叶根处厚度最大，沿叶片展向逐渐变薄，并在70％～80％叶展处最薄，之后又逐渐变厚。

7.根据权利要求1或6所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述大叶片、小叶片沿展向的圆弧半径取值规律为：前沿和后沿的圆弧半径均呈由大值到小值再到介于大值和小值之间变化。

8.根据权利要求1所述的闭式离心叶轮，其特征在于，所述大叶片、小叶片在与轮盘和轮盖的连接处设有圆角。

9.根据权利要求1所述的闭式离心叶轮，其特征在于，篦齿封严罩在对应轮盖圆盘段部位处安装电涡流位移传感器。

10.一种燃气轮机，其特征在于，设有如权利要求1～9任意一项所述的闭式离心叶轮。

技术总结
本发明公开一种闭式离心叶轮，包括轮盘、轮盖和叶片，轮盘直径小于轮盖直径，轮盖包括圆环段和圆盘段；叶片包括大叶片和小叶片按一大一小的规律在轮盘上依次排布，大叶片从轮盘前缘延伸至后缘，小叶片靠近轮盘前缘的端部为第一端部、靠近轮盘后缘的端部为第二端部，小叶片第一端部和轮盘前缘间相对于大叶片而言具有缩进距离，小叶片第二端部延伸至轮盘后缘外侧；轮盘、轮盖和叶片均采用钛合金材料锻造而成。本锻造钛合金闭式离心叶轮加工精度高，无叶尖间隙和潜流损失，大叶片和小叶片相结合，小叶片第一端部缩进、第二端部向外延伸，使叶片弦长差距变小，排气流场更均匀。轮盖设计为圆环段和圆盘段可提高叶片前沿和叶背的加工便利性和加工效率。

技术研发人员：刘飞亭,段昱,魏勇,贾春洁,雷霄玉,罗岸
受保护的技术使用者：中国航发南方工业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19