叶轮的子午流道型线、压气机叶轮、压气机和空气循环机的制作方法

1.本发明涉及空气循环机技术领域，具体涉及一种叶轮的子午流道型线、压气机叶轮、压气机和空气循环机。


背景技术：

2.现代飞机大多采用空气循环制冷系统。为了兼顾地面制冷能力和空气循环制冷系统的效率，空气循环制冷系统里的空气循环机采用三轮式，其特点是：冷却空气风扇和升压式压气机安装在一根轴上，由膨胀涡轮驱动。由于涡轮带动压气机，导致涡轮进口压力得到提高，从而膨胀比也提高，可获得更大的涡轮温降，在相同制冷要求下，制冷系统的供气压力或引气量较小，引气飞机性能的代偿损失小，发动机耗油较少，经济性好。高性能空气循环机对压气机性能也提出较高的要求，而压气机里核心的部件为叶轮，叶轮子午流通性能对压气机的性能至关重要。
3.专利cn102536893a公开了一项acm的压缩机转子，其包含多个叶片。每个叶片包含根部、尖部、第一表面和第二表面。叶片的第一表面和第二表面被限定成根据期望因数标定尺度的表格数据，即一组x、y和z等三个方向的坐标。但没有明确地对叶轮的子午流道作出发明。
4.气流在叶轮进口部分的流动，是一个由轴向流动转弯到径向流动的过程。气流在转弯过程中，因受气流转弯的离心力和边界粘滞力作用，会出现流速不均匀的现象。靠近轮盘的气流流速较缓慢，而靠近叶顶的气流则流得很快。这种不均匀流速恶化叶轮内部流动，导致分离损失，降低叶轮效率。
5.由于现有技术中的空气循环机存在气流在压气机的子午流道中会产生流速不均匀的现象，导致气体在该流道中的分离损失较大，冲击损失大，压气机的叶轮效率低等技术问题，因此本发明研究设计出一种叶轮的子午流道型线、压气机叶轮、压气机和空气循环机。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的空气循环机存在气流在压气机的子午流道中流速不均匀，导致气体的分离损失较大，压气机的叶轮效率低的缺陷，从而提供一种叶轮的子午流道型线、压气机叶轮、压气机和空气循环机。
7.为了解决上述问题，本发明提供一种叶轮的子午流道型线，其包括：
8.轮盘型线和叶顶型线，
9.所述压气机叶轮的旋转轴的方向为z轴，以所述压气机叶轮的进口与所述压气机叶轮的轮毂交接截面为原点o，由所述进口指向所述压气机叶轮的出口的方向为正，通过所述原点o，垂直z轴确定r轴，r0为所述压气机叶轮的进口半径；并有：
10.所述轮盘型线满足下述方程式：r/r0＝a1(z/r0)6–
b1(z/r0)5 c1(z/r0)4–
d1(z/r0)3 e1(z/r0)2–
f1(z/r0) g1，其中a1＝1～3；b1＝8～11；c1＝15～19；d1＝12～16；e1＝3
～7；f1＝0～1；g1＝0～2；
11.所述叶顶型线满足下述方程式：r/r0＝a2(z/r0)6–
b2(z/r0)5 c2(z/r0)4–
d2(z/r0)3 e2(z/r0)2–
f2(z/r0) g2，其中a2＝7～11；b2＝28～32；c2＝36～41；d2＝20～24；e2＝4～8；f2＝0～1；g2＝0～3。
12.在一些实施方式中，a1＝2.135；b1＝9.9607；c1＝17.511；d1＝14.103；e1＝5.4936；f1＝0.6551；g1＝1.0068。
13.在一些实施方式中，a2＝9.1301；b2＝30.664；c2＝38.809；d2＝22.518；
14.e2＝6.3658；f2＝0.5434；g2＝1.7692。
15.在一些实施方式中，坐标θ为围绕所述旋转轴的切向，且以所述压气机叶轮的旋转方向的相反方向为正；r0为所述进口处所述轮盘型线与所述z轴的垂直距离。
16.在一些实施方式中，所述轮盘型线由轮盘曲面映射到子午面而形成，所述叶顶型线由叶顶曲面映射到子午面而形成，所述子午面为过所述旋转轴的轴线的纵向剖面。
17.本发明还提供一种压气机叶轮，其包括子午流道，所述子午流道的型线为前任一项所述的压气机叶轮的子午流道型线。
18.在一些实施方式中，当包括轮盘曲面和叶顶曲面时：
19.所述压气机叶轮包括叶片和轮盘，所述叶片为多个，且沿周向方向间隔布置在所述轮盘上，所述轮盘上设置所述叶片的曲面为轮盘曲面，所述叶片上背离所述轮盘曲面的一侧面为所述叶顶曲面。
20.在一些实施方式中，还包括轮毂，所述轮毂连接于所述轮盘的轴向一端，且所述轮毂具有第一中心轴孔，所述轮盘具有第二中心轴孔，转轴能够同时穿入所述第一中心轴孔和所述第二中心轴孔中以驱动所述压气机叶轮转动。
21.本发明还提供一种压气机，其包括前任一项所述的压气机叶轮，还包括扩压器和壳体；
22.当所述压气机叶轮包括叶片和轮盘时，所述壳体与所述压气机叶轮的所述叶片相接，所述壳体、所述叶片和所述轮盘共同围成相对密封的压缩流道。
23.本发明还提供一种空气循环机，其包括前任一项所述的压气机。
24.本发明提供的一种叶轮的子午流道型线、压气机叶轮、压气机和空气循环机具有如下有益效果：
25.本发明提供了一种新的离心叶轮的子午流道型线，该子午流道型线由轮盘型线和叶顶型线组成，轮盘型线满足下述方程式：r/r0＝a1(z/r0)6–
b1(z/r0)5 c1(z/r0)4–
d1(z/r0)3 e1(z/r0)2–
f1(z/r0) g1，其中a1＝1～3；b1＝8～11；c1＝15～19；d1＝12～16；e1＝3～7；f1＝0～1；g1＝0～2；所述叶顶型线满足下述方程式：r/r0＝a2(z/r0)6–
b2(z/r0)5 c2(z/r0)4–
d2(z/r0)3 e2(z/r0)2–
f2(z/r0) g2，其中a2＝7～11；b2＝28～32；c2＝36～41；d2＝20～24；e2＝4～8；f2＝0～1；g2＝0～3，能够有效确定出叶轮子午流道，在该子午流道里流动时，能够有效减小气流转弯的离心力和边界粘滞力作用，增大靠近轮盘的气流流速，减小靠近叶顶的气流流速，有效均匀轮盘到叶顶之间的气流流速，均匀叶轮流道里的气体流动，从而减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率，使得流体冲击损失更小，叶轮效率更高。
附图说明
26.图1为本发明的空气循环机的外观结构图；
27.图2为本发明的空气循环机的剖视图；
28.图3为本发明的压气机叶轮的子午流道图；
29.图4为本发明的压气机叶轮的立体结构图；
30.图5为本发明的气体在子午流道中的速度矢量分布图。
31.附图标记表示为：
32.01、压气机叶轮；0101、子午流道；010101、轮盘型线；010102、叶顶型线；0102、轮盘曲面；0103、叶顶曲面；0104、进口；0105、出口；0106、旋转轴；02、扩压器；03、壳体；1、叶片；2、轮盘；21、第二中心轴孔；3、轮毂；31、第一中心轴孔；t01、膨胀进口；t02、膨胀出口；c01、压缩进口；c02、压缩出口；f01、风机进口；f02、风机出口。
具体实施方式
33.如图1
‑
5，本发明提供一种压气机叶轮的子午流道型线，其包括：
34.轮盘型线010101和叶顶型线010102，
35.所述压气机叶轮的旋转轴0106的方向为z轴，以所述压气机叶轮的进口0104与所述压气机叶轮的轮毂交接截面为原点o，由所述进口0104指向所述压气机叶轮的出口0105的方向为正，通过所述原点o，垂直z轴确定r轴，r0为所述压气机叶轮的进口半径；并有：
36.所述轮盘型线010101满足下述方程式：r/r0＝a1(z/r0)6–
b1(z/r0)5 c1(z/r0)4–
d1(z/r0)3 e1(z/r0)2–
f1(z/r0) g1，其中a1＝1～3；b1＝8～11；c1＝15～19；d1＝12～16；e1＝3～7；f1＝0～1；g1＝0～2；
37.所述叶顶型线(010102)满足下述方程式：r/r0＝a2(z/r0)6–
b2(z/r0)5 c2(z/r0)4–
d2(z/r0)3 e2(z/r0)2–
f2(z/r0) g2，其中a2＝7～11；b2＝28～32；c2＝36～41；d2＝20～24；e2＝4～8；f2＝0～1；g2＝0～3。
38.本发明提供了一种新的离心叶轮的子午流道型线，该子午流道型线由轮盘型线和叶顶型线组成，轮盘型线满足下述方程式：r/r0＝a1(z/r0)6–
b1(z/r0)5 c1(z/r0)4–
d1(z/r0)3 e1(z/r0)2–
f1(z/r0) g1，其中a1＝1～3；b1＝8～11；c1＝15～19；d1＝12～16；e1＝3～7；f1＝0～1；g1＝0～2；所述叶顶型线满足下述方程式：r/r0＝a2(z/r0)6–
b2(z/r0)5 c2(z/r0)4–
d2(z/r0)3 e2(z/r0)2–
f2(z/r0) g2，其中a2＝7～11；b2＝28～32；c2＝36～41；d2＝20～24；e2＝4～8；f2＝0～1；g2＝0～3，能够有效确定出叶轮子午流道，在该子午流道里流动时，能够有效减小气流转弯的离心力和边界粘滞力作用，增大靠近轮盘的气流流速，减小靠近叶顶的气流流速，有效均匀轮盘到叶顶之间的气流流速，均匀叶轮流道里的气体流动，从而减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率，使得流体冲击损失更小，叶轮效率更高。
39.在一些实施方式中，a1＝2.135；b1＝9.9607；c1＝17.511；d1＝14.103；e1＝5.4936；f1＝0.6551；g1＝1.0068。这是本发明的轮盘型线中的参数的进一步优选数值，能够通过设计出的轮盘型线进一步地增大靠近轮盘的气流流速，均匀轮盘到叶顶之间的气流流速，均匀叶轮流道里的气体流动，减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率。
40.在一些实施方式中，a2＝9.1301；b2＝30.664；c2＝38.809；d2＝22.518；
41.e2＝6.3658；f2＝0.5434；g2＝1.7692。这是本发明的叶顶型线中的参数的进一步优选数值，能够通过设计出的叶顶型线进一步地减小靠近叶顶的气流流速，均匀轮盘到叶顶之间的气流流速，均匀叶轮流道里的气体流动，减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率。
42.在一些实施方式中，坐标θ为围绕所述旋转轴0106的切向，且以所述压气机叶轮的旋转方向的相反方向为正；r0为所述进口0104处所述轮盘型线010101与所述z轴的垂直距离。这是本发明的旋转角度坐标θ的优选结构形式，以及r0的具体确定方式。
43.在一些实施方式中，所述轮盘型线010101由轮盘曲面0102映射到子午面而形成，所述叶顶型线010102由叶顶曲面0103映射到子午面而形成，所述子午面为过所述旋转轴0106的轴线的纵向剖面。本发明的轮盘型线由轮盘曲面投影到子午面上形成，叶顶型线由叶顶曲面投影到子午面上而形成。
44.本发明还提供一种压气机叶轮，其包括子午流道，所述子午流道的型线为前任一项所述的压气机叶轮的子午流道型线。
45.本发明的压气机叶轮，由于采用了特有的子午流道型线，能够有效地均匀叶轮流道里的气体流动，减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率。
46.本发明的气体在子午流道里有较好的流线型流动，如图5所示，没有明显地回流和分离流，从而减小了气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失。
47.在一些实施方式中，当包括轮盘曲面0102和叶顶曲面0103时：
48.所述压气机叶轮包括叶片1和轮盘2，所述叶片1为多个，且沿周向方向间隔布置在所述轮盘2上，所述轮盘2上设置所述叶片1的曲面为轮盘曲面0102，所述叶片1上背离所述轮盘曲面0102的一侧面为所述叶顶曲面0103。这是本发明的压气机叶轮的进一步优选结构形式，即叶顶曲面和轮盘曲面的位置结构，本发明多个叶片设置在轮盘上，能够增强卷风效果，提高增压提速的效果。
49.在一些实施方式中，还包括轮毂3，所述轮毂3连接于所述轮盘2的轴向一端，且所述轮毂3具有第一中心轴孔31，所述轮盘2具有第二中心轴孔21，转轴能够同时穿入所述第一中心轴孔31和所述第二中心轴孔32中以驱动所述压气机叶轮转动。本发明还通过轮毂的设置，能够有效地将叶轮套设于转轴上。
50.本发明还提供一种压气机，其包括前任一项所述的压气机叶轮01，还包括扩压器02和壳体03；
51.当所述压气机叶轮包括叶片1和轮盘2时，所述壳体03与所述压气机叶轮01的所述叶片1相接，所述壳体03、所述叶片1和所述轮盘2共同围成相对密封的压缩流道。
52.本发明的压气机叶轮，由于采用了特有的子午流道型线，没有明显地回流和分离流，能够有效地均匀叶轮流道里的气体流动，减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率。
53.本发明还提供一种空气循环机，其包括前述的压气机。
54.用于压缩空气制冷系统的空气循环机，气体流入膨胀进口t01后经膨胀机作功后，压力和温度降低，气体从膨胀出口t02流出，从而达到对气体的压力和温度调节的目的。膨胀功驱动压气机和风机。一股气流从压缩进口c01吸入，经压缩叶轮压缩后，从压缩出口c02
排出，经压缩后的气体供给膨胀机，从而提高了膨胀机进口压力，增加了膨胀比，扩大了膨胀机温降，实现了相同制冷要求下的系统的引气量小，代偿损失小，发动机耗油少，经济性好的目的。与此同时，另一股气流经风机进口f01吸入，在风机出口f02处排出，从而实现给压缩空气制冷系统提供冷却气流的目的。如图1所示。
55.本发明的空气循环机，由于采用了特殊的压气机叶轮，压气机叶轮采用了特有的子午流道型线，使其内部的气流在流动过程中没有明显地回流和分离流，能够有效地均匀叶轮流道里的气体流动，减小气体在压气机叶轮子午流道里的冲击损失，提高压气机叶轮效率。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。