CN113007137B - 具有包容性的扩压器及离心压气机 - Google Patents

具有包容性的扩压器及离心压气机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有包容性的扩压器和离心压气机，用于对离心叶轮输出的气流减速扩压并用于包容断裂后飞出的转子叶片，具有包容性的扩压器包括分体的沿气流方向依次排布的径向扩压器和轴向扩压器，径向扩压器和轴向扩压器同轴布设，径向扩压器设于轴向扩压器的气流输入侧，径向扩压器和轴向扩压器沿轴向拼装并通过紧固件固定连接形成整体结构，径向扩压器采用铝合金材料制成，轴向扩压器采用高温合金材料制成。本发明的具有包容性的扩压器，通过铝合金材料制成的径向扩压器、高温合金材料制成的轴向扩压器，兼顾了重量轻和工艺性好的总体设计要求，结构简单、加工工艺性好、重量轻、包容性强、生产成本低。

Description

具有包容性的扩压器及离心压气机
技术领域
本发明涉及航空发动机辅助动力装置技术领域，特别地，涉及一种具有包容性的扩压器。此外，本发明还涉及一种离心压气机。
背景技术
扩压器是航空发动机辅助动力装置重要的功能件，现有扩压器通常采用一体式结构，即将轴向扩压器与径向扩压器设计成整体式结构。
为了解决转子强包容性需求的问题，避免破碎的转子击穿扩压器，通常有两种实现方案，一种是采用整体式铝合金扩压器，配合包容环使用；另一种则采用整体式高温合金扩压器。其中，整体式铝合金扩压器配合包容环使用，能满足扩压器的重量和工艺要求，但是会使辅助动力装置的零件数量增加，结构变得更复杂，增大辅助动力装置的体积，生产成本也较高；整体式高温合金扩压器硬度和强度高，对转子的包容性好，但是加工工艺难度较大，无法兼顾重量轻和工艺性好的总体设计要求。
发明内容
本发明提供的具有包容性的扩压器，以解决现有的整体式扩压器结构复杂、加工工艺难度较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有包容性的扩压器，用于对离心叶轮输出的气流减速扩压并用于包容断裂后飞出的转子叶片，具有包容性的扩压器包括分体的沿气流方向依次排布的径向扩压器和轴向扩压器，径向扩压器和轴向扩压器同轴布设，径向扩压器设于轴向扩压器的气流输入侧，径向扩压器和轴向扩压器沿轴向拼装并通过紧固件固定连接形成整体结构，径向扩压器采用铝合金材料制成，轴向扩压器采用高温合金材料制成。
进一步地，轴向扩压器靠近径向扩压器的一侧设有沿径向向内延伸形成的安装环以及沿轴向向外延伸形成的外伸端，外伸端与安装环之间围合形成开口朝向径向扩压器布设的定位止口，径向扩压器插装设于定位止口内并通过紧固件与安装环固定连接。
进一步地，径向扩压器与轴向扩压器的外伸端之间留有径向间隙。
进一步地，紧固件采用紧固螺栓，多个紧固螺栓沿安装环的周向间隔布设，紧固螺栓沿轴向穿过安装环并与径向扩压器螺纹配合连接。
进一步地，径向扩压器与安装环之间的面贴合位置处设有密封连接件，通过密封连接件使径向扩压器与安装环密封连接。
进一步地，密封连接件采用密封胶圈，径向扩压器朝向安装环的侧壁上凹设有用于容置密封胶圈的安装槽，密封胶圈设于安装槽内。
进一步地，轴向扩压器的外伸端处于径向扩压器的轴向两侧之间，径向扩压器与轴向扩压器连接形成整体结构，以使径向扩压器与轴向扩压器的外伸端之间形成沿气流方向布设的圆台结构。
进一步地，径向扩压器的进气侧设有倒角，轴向扩压器的外伸端的进气侧设有倒角，或者，径向扩压器的进气侧的壁面上的气流流道通过铣削加工形成。
本发明还提供一种离心压气机，包括上述的具有包容性的扩压器。
本发明具有以下有益效果：
本发明的具有包容性的扩压器，包括铝合金材料制成的径向扩压器、高温合金材料制成的轴向扩压器以及使径向扩压器和轴向扩压器连接成整体结构的紧固件。径向扩压器采用铝合金材料制成，铝合金材料密度低，重量轻，有利于保证具有包容性的扩压器的重量设计要求，铝合金材料硬度和强度低，更易于铣削加工，作为薄壁零件的径向扩压器在加工过程中，即使施加较大的进刀量，刀具对零件施加的力也较小，需要的装夹力也较小，铣削过程中产生的温度也低，可以有效防止本身作为薄壁零件的径向扩压器发生变形，加工工艺难度小，具有较好的工艺性；轴向扩压器采用高温合金材料制成，高温合金材料具有更高的硬度和强度，不易被转子断裂后高速飞出的转子碎片击穿，不需要额外适配设计包容环零件，结构简单，在不增大辅助动力装置的体积的基础上具有很好的包容性；通过径向扩压器和轴向扩压器采用分体式设计，便于单独对径向扩压器和轴向扩压器进行加工和维护。本发明的具有包容性的扩压器，通过铝合金材料制成的径向扩压器、高温合金材料制成的轴向扩压器，兼顾了重量轻和工艺性好的总体设计要求，结构简单、加工工艺性好、重量轻、包容性强、生产成本低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的具有包容性的扩压器的主视图；
图2是图1中A-A向的剖视图；
图3是图2中B处的放大图；
图4是本发明优选实施例的圆台结构的尺寸链设计示意图。
图例说明：
10、具有包容性的扩压器；11、径向扩压器；12、轴向扩压器；121、安装环；122、外伸端；123、定位止口；13、紧固件；14、密封连接件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的具有包容性的扩压器的主视图；图2是图1中A-A向的剖视图；图3是图2中B处的放大图；图4是本发明优选实施例的圆台结构的尺寸链设计示意图。
如图1和图2所示，本实施例的具有包容性的扩压器10，用于对离心叶轮输出的气流减速扩压并用于包容断裂后飞出的转子叶片，具有包容性的扩压器10包括分体的沿气流方向依次排布的径向扩压器11和轴向扩压器12，径向扩压器11和轴向扩压器12同轴布设，径向扩压器11设于轴向扩压器12的气流输入侧，径向扩压器11和轴向扩压器12沿轴向拼装并通过紧固件13固定连接形成整体结构，径向扩压器11采用铝合金材料制成，轴向扩压器12采用高温合金材料制成。
本发明的具有包容性的扩压器10，包括铝合金材料制成的径向扩压器11、高温合金材料制成的轴向扩压器12以及使径向扩压器11和轴向扩压器12连接成整体结构的紧固件13。径向扩压器11采用铝合金材料制成，铝合金材料密度低，重量轻，有利于保证具有包容性的扩压器10的重量设计要求，铝合金材料硬度和强度低，更易于铣削加工，作为薄壁零件的径向扩压器11在加工过程中，即使施加较大的进刀量，刀具对零件施加的力也较小，需要的装夹力也较小，铣削过程中产生的温度也低，可以有效防止本身作为薄壁零件的径向扩压器11发生变形，加工工艺难度小，具有较好的工艺性；轴向扩压器12采用高温合金材料制成，高温合金材料具有更的硬度和强度，不易被转子断裂后高速飞出的转子碎片击穿，不需要额外适配设计包容环零件，结构简单，在不增大辅助动力装置的体积的基础上具有很好的包容性；通过径向扩压器11和轴向扩压器12采用分体式设计，便于单独对径向扩压器11和轴向扩压器12进行加工和维护。本发明的具有包容性的扩压器10，兼顾了重量轻和工艺性好的总体设计要求，结构简单、加工工艺性好、重量轻、包容性强、生产成本低。
由于高温合金比铝合金贵，且重量重，本发明中采用分体设计的扩压器，可以用两种材料，一是为了减重，二是同时可以不全用高温合金，三是能够在有需要的地方用强度更高的高温合金，保证具有强包容性。
可以理解地，轴向扩压器12设于径向扩压器11的气流输出侧，径向扩压器11用于对气流减速扩压并使气流由轴向转为径向，轴向扩压器12用于对气流进一步减速扩压并使气流由径向转为轴向。径向扩压器11和轴向扩压器12沿轴向拼装并通过紧固件13固定连接形成整体结构，也可以是径向扩压器11和轴向扩压器12通过卡扣连接形成整体结构，还可以是径向扩压器11和轴向扩压器12通过卡箍、环箍、紧固螺栓等固定连接成整体结构。本发明中的铝合金材料采用铝合金2214、铝合金2A12、铝合金2A70中的至少一种，高温合金材料采用GH625、GH4169、GH2132、优质GH2132中的至少一种。
可选地，轴向扩压器12朝向所述径向扩压器11的一侧设有定位止口123，所述径向扩压器11通过所述定位止口123插装设于所述轴向扩压器12上，所述径向扩压器11与所述定位止口123的侧壁面之间留有径向间隙，所述径向扩压器11和所述轴向扩压器12通过紧固件13固定连接。
进一步地，请参考图3和图4，轴向扩压器12靠近径向扩压器11的一侧设有沿径向向内延伸形成的安装环121以及沿轴向向外延伸形成的外伸端122，轴向扩压器12的外伸端122与安装环121之间围合形成开口朝向径向扩压器11布设的定位止口123，径向扩压器11插装设于定位止口123内并通过紧固件13与安装环121固定连接。可以理解地，在本实施例中，径向扩压器11和轴向扩压器12均为环状结构。通过采用止口结构对轴向扩压器12和径向扩压器11进行径向定位，通过紧固件13将径向扩压器11和轴向扩压器12进行轴向固定连接，进而将轴向扩压器12与径向扩压器11连接为一个整体。
进一步地，由于径向扩压器11与轴向扩压器12采用不同的材料制成，具有包容性的扩压器10在工作状态时，高温下径向扩压器11与轴向扩压器12热膨胀量不同，径向扩压器11铝合金材料膨胀系数大于轴向扩压器12的高温合金膨胀系数，径向扩压器11将产生更大的热膨胀量，为了防止高温下，因热膨胀量的不同，导致径向扩压器11膨胀挤压损坏轴向扩压器12，径向扩压器11与轴向扩压器12的外伸端122之间留有径向间隙。
更优地，为了避免径向扩压器11与轴向扩压器12的外伸端122之间的间隙配合转变为大过盈配合，引起零件变形，甚至损坏，设计止口径向间隙配合时，必须留有足够的间隙裕度，径向间隙的间隙至少为铝合金径向扩压器与高温合金轴向扩压器在最高工作温度与常温温差范围内的热膨胀变形之差。
进一步地，径向扩压器11上设有用于使气流通过的叶尖流道。
进一步地，为了使径向扩压器11和轴向扩压器12沿轴向固定连接，紧固件13采用紧固螺栓，多个紧固螺栓沿安装环121的周向间隔布设，紧固螺栓沿轴向穿过安装环121并与径向扩压器11螺纹配合连接。可以理解地，紧固螺栓的数量为五个、六个、八个或者其他数量，多个紧固螺栓沿安装环121的周向均匀间隔布设。可选地，紧固螺栓沿轴向依次穿过安装环121和径向扩压器11与螺母螺纹配合连接，进而将径向扩压器11和轴向扩压器12沿轴向固定连接。更优地，在紧固螺栓和安装环121之间设有垫片。
本发明中，采用止口定位配合螺栓连接，可以将轴向扩压器12与径向扩压器11连接成一个整体，装配到辅助动力装置中工作，不需要额外设计包容环等其他零件，结构简单、装配性好。
进一步地，请参考图3，为了防止流道气流通过止口间隙泄露而影响性能，径向扩压器11与安装环121的面贴合位置处设有密封连接件14，通过密封连接件14使径向扩压器11与安装环121密封连接。
更优地，密封连接件14采用密封胶圈，径向扩压器11朝向安装环121的侧壁上凹设有用于容置密封胶圈的安装槽，密封胶圈设于安装槽内。通过紧固螺栓将轴向扩压器12与径向扩压器11连接为一个整体，并采用安装槽定位密封胶圈使密封胶圈设于在定位止口123内，且密封胶圈安装在安装环121和径向扩压器11之间，保证了具有包容性的扩压器10的密封性，防止流道气流通过止口间隙泄露而影响性能。
进一步地，请参考图4，为了避免径向扩压器11与轴向扩压器12在止***接处出现气流倒台阶，轴向扩压器12的外伸端122处于径向扩压器11的轴向之间，径向扩压器11与轴向扩压器12连接形成整体结构后，以使径向扩压器11与轴向扩压器12的外伸端122之间形成沿气流方向布设的圆台结构。可以理解地，径向扩压器11与轴向扩压器12连接形成整体结构后，径向扩压器11的气流输入侧的侧壁设于轴向扩压器12的外伸端122远离安装环121的一侧，即径向扩压器11的气流输入侧的侧壁凸出于外伸端的侧壁面设置，使径向扩压器11与轴向扩压器12连接形成的整体结构为顺台阶设计，进而避免轴向扩压器11和径向扩压器12之间出现气流倒台阶，影响气动性能。
更优地，为了避免径向扩压器11与轴向扩压器12在止***接处出现气流倒台阶，影响辅助动力装置气动性能，在结构设计时，通过合理的尺寸链设计，保证在尺寸公差极限状态下，仍然处于气流顺台阶状态，即应保证附图4中的顺台阶高度t的最小值tmin＝L1min-L2max-L3max-L4max≥0，其中下标“min”表示尺寸为公差范围内的最小值，下标“max”表示尺寸为公差范围内的最大值，同时应避免顺台阶过大而影响辅助动力装置性能，即应保证顺台阶高度最大值tmax＝L1max-L2min-L3min-L4min应小于某一个数值，该数值由气动计算评估确定。其中L1表示径向扩压器基体轴向厚度，L2表示径向扩压器叶片轴向高度，L3表示径向扩压器气流出口倒斜角的轴向距离，L4表示轴向扩压器止口轴向深度。
进一步地，为了便于气流流动，径向扩压器11的进气侧设有倒角，轴向扩压器12的外伸端122的进气侧设有倒角。本实施例中，倒角可是倒圆角也可以是倒直角。
进一步地，径向扩压器11的进气侧的壁面上的气流流道通过铣削加工形成。现有的高温合金扩压器，硬度和强度高，加工工艺性较差，加工过程中，零件受到的切削力、装夹力较大，铣削过程也容易产生高温，因此作为薄壁零件的扩压器易变形，尤其是加工径向扩压器11叶间流道时，流道进口即喉道部位时，零件的刚性较差，流道出口部位，零件的刚性较好，因此加工喉道部位时，零件更容易产生让刀现象，喉道高度易超差，影响辅助动力装置气动性能。本发明的采用分体的径向扩压器11避免了喉道加工时，因零件刚性较差，产生让刀现象而引起超差的问题，工艺难度低。
本发明的有益效果如下：本发明设计的具有包容性的扩压器10为分体式结构，即首先将径向扩压器11与轴向扩压器12分为两个零件设计、加工，然后对相互独立的径向扩压器11和轴向扩压器12组装形成整体结构，采用止口定位并配合螺栓连接，将轴向扩压器12与径向扩压器11连接为一个整体，采用止口定位压紧密封胶圈，保证具有包容性的扩压器10的密封性，防止流道气流通过止口间隙泄露而影响性能。本发明中，为了保证扩压器对转子的强包容性，轴向扩压器12选用硬度、强度高的高温合金，为了兼顾重量轻的设计需求，径向扩压器11选用密度低、加工工艺性好的的铝合金。虽然轴向扩压器12仍然采用高温合金加工，但是分体式设计的轴向扩压器12相比于整体式扩压器，结构更简单，明显降低了工艺难度，更避免了喉道加工时，因零件刚性较差，产生让刀现象而引起超差影响气动性能的问题。本发明中，通过止口定位配合螺栓连接，可以将轴向扩压器12与径向扩压器11连接成一个整体，装配到辅助动力装置中工作，不需要额外设计包容环等其他零件，结构简单、装配性好、包容性强、加工工艺性好、重量轻、主要适用于中小型航空发动机辅助动力装置离心压气机，有效地解决了目前整体式扩压器设计无法兼顾包容性强、结构简单、体积小、重量轻、加工工艺性好及生产成本低等设计要求。
本发明还提供了一种离心压气机，包括上述的具有包容性的扩压器10。本发明的离心压气机包括上述的具有包容性的扩压器10，包容性强、结构简单、加工工艺性好、重量轻。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有包容性的扩压器，用于对离心叶轮输出的气流减速扩压并用于包容断裂后飞出的转子叶片，其特征在于，
具有包容性的扩压器包括分体的沿气流方向依次排布的径向扩压器(11)和轴向扩压器(12)，径向扩压器(11)和轴向扩压器(12)单独设计、加工和维护，
所述径向扩压器(11)和所述轴向扩压器(12)同轴布设，所述径向扩压器(11)设于所述轴向扩压器(12)的气流输入侧，所述径向扩压器(11)和所述轴向扩压器(12)沿轴向拼装并通过紧固件(13)固定连接形成整体结构，
所述径向扩压器(11)采用铝合金材料制成，所述轴向扩压器(12)采用高温合金材料制成。
2.根据权利要求1所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述轴向扩压器(12)靠近所述径向扩压器(11)的一侧设有沿径向向内延伸形成的安装环(121)以及沿轴向向外延伸形成的外伸端(122)，所述外伸端(122)与所述安装环(121)之间围合形成开口朝向所述径向扩压器(11)布设的定位止口(123)，
所述径向扩压器(11)插装设于所述定位止口(123)内并通过所述紧固件(13)与所述安装环(121)固定连接。
3.根据权利要求2所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述径向扩压器(11)与所述轴向扩压器(12)的外伸端(122)之间留有径向间隙。
4.根据权利要求2所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述紧固件(13)采用紧固螺栓，多个所述紧固螺栓沿所述安装环(121)的周向间隔布设，
所述紧固螺栓沿轴向穿过所述安装环(121)并与所述径向扩压器(11)螺纹配合连接。
5.根据权利要求2所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述径向扩压器(11)与所述安装环(121)之间的面贴合位置处设有密封连接件(14)，通过所述密封连接件(14)使所述径向扩压器(11)与所述安装环(121)密封连接。
6.根据权利要求5所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述密封连接件(14)采用密封胶圈，所述径向扩压器(11)朝向所述安装环(121)的侧壁上凹设有用于容置所述密封胶圈的安装槽，所述密封胶圈设于所述安装槽内。
7.根据权利要求2所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述轴向扩压器(12)的外伸端(122)处于所述径向扩压器(11)的轴向两侧之间，所述径向扩压器(11)与所述轴向扩压器(12)连接形成整体结构，以使所述径向扩压器(11)与所述轴向扩压器(12)的外伸端(122)之间形成沿气流方向布设的圆台结构。
8.根据权利要求2所述的具有包容性的扩压器，其特征在于，
所述径向扩压器(11)的进气侧设有倒角，所述轴向扩压器(12)的外伸端(122)的进气侧设有倒角，或者，
所述径向扩压器(11)的进气侧的壁面上的气流流道通过铣削加工形成。
9.一种离心压气机，其特征在于，
包括如上述权利要求1至8中任一项所述的具有包容性的扩压器。
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