[发明专利]超紧凑高压比斜流-离心组合压气机结构

说明书

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，是一种超紧凑高压比斜流-离心组合压气机结构，其特别适用于高性能航空燃气涡轮发动机。

背景技术

各种类型中小推力航空燃气涡轮发动机最大差异体现为压气机部件类型差异，与大推力航空发动机均采用大流量、高压比的多级轴流压气机结构形式不同，中小推力航空发动机压缩系统均采用组合压气机。然而也有采用全轴流的，如WS500，其高压压气机采用了5级轴流压气机，多级轴流式压气机的优点是流道平滑、效率高，然而缺点也比较明显：①多级轴流压气机零部件数量多、成本高；②畸变容限低、抗外来物损坏特性差；③随着压比的提高，后面级的通道高度越来越小，叶片短而薄，整个压气机都采用轴流级时，后面级的效率将非常低，同时增加了叶片加工难度；④轴流压气机单级压比低，对于需要高增压比的发动机来说，如采用多级轴流压气机，将因为转子跨度过长而出现转子动力学问题；⑤由于小型多级轴流压气机级间匹配困难，中低转速下压气机的稳定裕度较小，为了扩大稳定工作范围，常常采用前几级静子叶片可调或者加装放气机构，复杂的叶片调节和放气机构及相应控制系统的引入进一步增加了结构复杂性，使得发动机推重比的提高遇到了瓶颈。轴流-离心/斜流组合压气机结合了轴流级流道平滑，效率高以及离心级流量小，工作范围宽广，零件少和可靠性高的特点，广泛用于中小流量的发动机中。国外几个最新型号发动机如GE公司的T700发动机，威廉姆斯公司的F107发动机以及霍尼韦尔公司的TFE731发动机等都采用的是轴流-离心组合压气机。然而，轴流-离心组合压气机由于轴流级的存在，同样难以避免多级轴流压气机所存在的上述弊端；双级离心压气机具有结构简单、零部件少、可靠性高和加工维护费用低等优势，然而，双级离心压气机径向尺寸较大，增大发动机的迎风面积和重量，并且增加了作用在轴承上的力，增大了轴承设计难度，降低了轴承的寿命。因此，亟需探索一种新型的组合压气机结构布局。

发明内容

为了克服航空发动机多级轴流压气机、轴流-离心/斜流组合压气机和双级离心压气机所存在的问题，本发明的目的是提出一种超紧凑斜流-离心组合压气机结构，其具有结构简单、零部件少、结构紧凑、可靠性高和加工维护费用低等诸多优势。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种超紧凑高压比斜流-离心组合压气机结构，适用于高性能中小型航空发动机；其包括斜流压气机和离心压气机两级，第一级为斜流压气机、第二级为离心压气机，在斜流压气机与离心压气机之间采用一段“S”型弯管连接结构，“S”型弯管进口与斜流压气机出口固接，出口与离心压气机进口固接。

所述的斜流-离心组合压气机结构，其所述“S”型弯管内带有叶片，且“S”型弯管进口直径大于“S”型弯管出口直径，“S”型弯管通道的面积经历了先增加后减小的过程，以保证“S”型弯管内良好的流动状态。

所述的斜流-离心组合压气机结构，其所述“S”型弯管内带有的叶片，是在“S”型弯管进口处沿周向设置了一排具有45°～60°安装角的楔形整流器叶片，在出口处沿周向设置了一排朝径向延伸的具有25°～40°安装角的回流器叶片，同时两排叶片进口均与上游叶片的出口气流方向对齐。

所述的斜流-离心组合压气机结构，其所述“S”型弯管内的回流器叶片，能够将斜流转子出口具有45～75°预旋的气流整流成离心叶轮进口具有15～0°预旋的气流。

所述的斜流-离心组合压气机结构，其所述斜流级压比为4.0-6.0∶1，离心级压比为2.0-3.0∶1。

所述斜流压气机与离心压气机结构，其所述斜流压气机与离心压气机之间采用一新颖结构的“S”型弯管连接，与具有相同设计参数的双级离心压气机相比，其径向尺寸能够减小25％，结构更加紧凑。

所述的斜流-离心组合压气机结构，其所述斜流压气机的斜流叶轮与离心压气机的离心叶轮之间通过中心拉杆沿轴向拉紧形成刚性整体，斜流叶轮与离心叶轮安装在同一根轴上；工作时，涡轮通过圆弧端齿传扭，带动斜流叶轮和离心叶轮一起绕着发动机轴线旋转。

本发明的有益效果是：

(1)斜流压气机的单级压比较高，前面级采用斜流压气机取代多级轴流压气机使得压气机零部件数大大少，结构简单紧凑，明显减小加工、安装和维修成本；

(2)前面级采用斜流压气机取代多级轴流压气机缩短了支承跨度，降低了轴系设计难度；

(3)前面级采用宽弦设计的斜流压气畸变容限高，抗外物撞击能力(FOD)强，并且对间隙和叶片表面光洁度不敏感；