本發明涉及一種葉輪機械裝置，尤其涉及一種新型斜流-離心組合壓氣機。

背景技術：

作為微型渦輪發動機主要部件之一,壓氣機有著舉足輕重的作用"相對軸流式壓氣機而言,離心式或斜流式壓氣機具有單級增壓比高、結構簡單、穩定工作范圍大、長度小、制造成本低等優點。

國內外目前在微型渦輪噴氣發動機方面的研究主要集中于對各部件包括單級離心壓氣機部件的優化設計方面，以改良發動機的性能。但是壓氣機葉尖輪緣速度的提高有限，很難再使發動機的性能得以大幅度提高。尤其是在離心壓氣機方面，亟須改進其設計方法以提高離心壓氣機性能，從而有效提升發動機的整機性能。

微型渦輪發動機由于流量小，為避免縮尺效應所引起的純軸流壓氣機末級損失增大的現象，多采用單級離心壓氣機。隨著對高性能微型渦輪發動機的需求的增加，提高壓氣機壓比和效率是必然趨勢。但是由于離心壓氣機的葉根應力受到材料應力水平的限制，單級壓比的提高幅度有限，目前最大的葉尖切線速度約為600m/s左右。在推力和功率較小的渦輪發動機中，由于受到流路尺寸的限制，已經很難通過增加級數來增大壓比。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種新型斜流-離心組合壓氣機，采用兩級壓氣機，通過改變第一級與第二級的輪緣速度，使得壓比、效率、流量性能參數指標均獲得了提高。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種新型斜流-離心組合壓氣機，包含斜流壓氣機、離心壓氣機和無葉擴壓器；

所述離心壓氣機的進氣口和所述斜流壓氣機的出氣口形狀和大小均相同，離心壓氣機的進氣口和斜流壓氣機的出氣口相互貼合留有間隙，且間隙的寬度為預設的寬度閾值；

所述離心壓氣機的軸線和所述斜流壓氣機的軸線在同一軸線上；

所述無葉擴壓器的進氣口和所述離心壓氣機的出氣口固定相連；

所述斜流壓氣機的壓比為2.3到2.6，所述離心壓氣機的壓比為1.8到2。

作為本發明一種新型斜流-離心組合壓氣機進一步的優化方案，所述預設的寬度閾值的范圍為5mm-10mm。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1.當前面級壓氣機出口葉尖速度u1增大時，壓氣機總的加功量增大，由壓比和功之間的關系可知，壓氣機壓比會增大；當u1增大時，若保持壓氣機總的加功量不變，則后面級壓氣機出口葉尖速度u2減小，進而使得出口氣流絕對速度徑向速度增大，降低擴壓器損失，提高壓氣機整機效率，即若第一級與第二級加功量匹配得當，則同時能夠增加整級的效率和壓比；

2.采用斜流-離心組合壓氣機方案時，相比于單級離心壓氣機，把原來單個葉柵負擔的氣流轉折角和增壓分給了兩個葉片排，減緩了葉片表面附面層厚度的發展，具有了較小的氣動損失；

3.由于斜流-離心組合壓氣機的第一級作功量有所增加，與單級離心壓氣機相比，第一級的出口輪緣速度比后者在相同幾何半徑處的輪緣速度高，并增強了整個通道的流通能力。

附圖說明

圖1為本發明斜流-離心組合壓氣機的側視圖；

圖2為本發明斜流-離心組合壓氣機的正視圖；

圖3為krain葉輪與本發明斜流-離心組合壓氣機流量-壓比特性曲線圖；

圖4為krain葉輪與本發明斜流-離心組合壓氣機流量-級效率特性曲線圖。

圖中，1-斜流壓氣機的進氣口，2-斜流壓氣機，3-離心壓氣機，4-無葉擴壓器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發明公開了一種新型斜流-離心組合壓氣機，包含斜流壓氣機、離心壓氣機和無葉擴壓器；

所述離心壓氣機的進氣口和所述斜流壓氣機的出氣口形狀和大小均相同，離心壓氣機的進氣口和斜流壓氣機的出氣口相互貼合留有間隙，且間隙的寬度為預設的寬度閾值；

所述離心壓氣機的軸線和所述斜流壓氣機的軸線在同一軸線上；

所述無葉擴壓器的進氣口和所述離心壓氣機的出氣口固定相連；

所述斜流壓氣機的壓比為2.3到2.6，所述離心壓氣機的壓比為1.8到2。

本發明中，第一級為斜流壓氣機，第二級為離心壓氣機，氣流依次經過斜流壓氣機、離心壓氣機和無葉擴壓器，預設的寬度閾值的范圍為5mm-10mm，以保證由于間隙導致尾跡損失降到最低。

使用時，將斜流壓氣機通過第一個軸和第一個渦輪相連，將離心壓氣機通過第二個軸和第二個渦輪相連，且使得第一個軸和第二個軸同軸套接。使得工作時低壓渦輪轉速高于高壓渦輪轉速，提高了低壓渦輪出功。

本發明通過改變第一級與第二級的輪緣速度，使得壓比、效率、流量性能參數同時提升。

圖2為本發明斜流-離心組合壓氣機的正視圖，圖中，中心的圓圈為斜流壓氣機的進氣口，令中間的圓環為第一截面、外部的圓環為第二截面，那么，僅采用單級離心壓氣機時，對每單位流量氣體所做得功為lc＝c2u×u2，式中，c2u為b點的絕對速度c2的葉輪切向分量，u2為b點葉輪的輪緣速度，第一截面加功量為lc1＝c1u×u1，c1u為a點的絕對速度c1的葉輪切向分量，u1為a點葉輪的輪緣速度，第一截面到第二截面加功量為lc2＝c2u×u2-c1u×u1；而采用斜流-離心組合壓氣機時，第一截面加功量為lc1＝c1u×u1，第一截面到第二截面加功量為lc2'＝c'2u×u'2-c1u×u1'，c'2u為b’點的絕對速度c'2的葉輪切向分量，u'2為b’點葉輪的輪緣速度，u1'為離心級葉輪在第二截面入口處的輪緣速度，所以此時斜流-離心組合壓氣機總的加功量l＝c'2u×u'2-c1u×(u1'-u1)。當前面級壓氣機出口葉尖速度u1增大時，壓氣機總的加功量增大，由壓比和功之間的關系可知，壓氣機壓比會增大；當u1增大時，若保持壓氣機總的加功量不變，則后面級壓氣機出口葉尖速度u2減小，進而使得出口氣流絕對速度徑向速度增大，降低擴壓器損失，提高壓氣機整機效率，即若第一級與第二級加功量匹配得當，則同時能夠增加整級的效率和壓比。

對上述的技術方案及全三維數值方法進行驗證，驗證中采用了有詳細葉型數據和實驗數據的krain高亞音速離心葉輪。

krain葉輪是德國宇航院krain博士設計的一個后彎角(葉片和切向的夾角)為60度、設計流量4.0kg/s、轉速22363r/min、葉片數24、葉尖線速度470m/s、葉輪壓比4.7的半開式葉輪，葉輪設計點效率約93％，整級的壓比為4，效率為82.51％。經實驗測試該葉輪能在非常寬廣的流量范圍內高效地工作，同時該葉輪有詳細的葉型數據以及實驗測量結果，國內外很多學者都采用該葉輪作為研究對象。

將krain高亞音速離心葉輪分為兩級，兩級的后彎角(葉片和切向的夾角)為60度，設計點流量為51.8kg/s，第一級轉速24500r/min,葉片數24，第一級葉尖速度384.5m/s，第二級轉速為21500r/min，第二級的葉尖速度450.3m/s，葉輪壓比為4.74的半開式葉輪，葉輪設計點效率約92％，整級的壓比為4.5，效率為86.26％。兩者幾何尺寸相同，圖3、圖4分別顯示了krain葉輪與斜流-離心組合壓氣機的流量-壓比特性曲線圖、流量-級效率特性曲線圖。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。