[发明专利]排气尾锥及采用其的径流式涡轮

说明书

本发明公开了一种排气尾锥及采用其的径流式涡轮，该排气尾锥包括圆盘段和弧形段，所述圆盘段设置在向心叶轮上，所述弧形段在所述圆盘段上沿排气方向延伸设置，所述圆盘段和弧形段为轴对称结构且两者的中心线与向心叶轮的中心线重合，气流沿所述圆盘段流向所述弧形段的过程中流通面积逐渐增加。本发明的排气尾锥，相比于现有的突变式断面结构，可以有效地控制气流流通面积的扩张程度，减少甚至消除了因气流过渡膨胀产生的流动分离，大幅度改善了排气扩压器内流场，减小了排气损失，从而提升了整机性能。

技术领域

本发明涉及径流式涡轮技术领域，特别地，涉及一种排气尾锥，另外，还涉及一种采用上述排气尾锥的径流式涡轮。

背景技术

涡轮是航空发动机的核心部件之一，其用于将燃气的热能和势能转化为机械能而驱动其它装置设备(如压气机)，其设计的优劣决定了整机设计水平，直接影响发动机研制的成败。为了达到设计目的，涡轮部件必须满足许多具体的要求，包括气动效率、气动载荷、机械载荷等要求。按照气流方向，涡轮可分为轴流式涡轮和径流式涡轮，其中径流式涡轮适用于航空航天和其它需要紧凑动力源的系统中。径流涡轮的气流由径向进气、轴向出气，如图1所示，径流式涡轮由静止的导向器、旋转的向心叶轮及排气扩压器(即排气管)组成，工作时，从燃烧室出来的高温、高压气体沿轴向进入导向器，在导向器中膨胀加速后，径向进入向心叶轮中，气流在相对狭长的转子通道中转弯继续膨胀并做功，最后气流通过排气扩压器轴向排入大气。排气扩压器的作用是为涡轮转子出口燃气提供气流通道，并使得燃气在扩压器中继续膨胀扩压，从而降低燃气出口气流速度，减少涡轮出口余气损失。由于扩压器的通道面积沿气流流动方向通常是逐渐增加的，气流是一个减速扩压的过程，逆压梯度大，气流边界层较厚，当流通面积突变时，极易发生分离，在设计应尽可能降低燃气流动损失，需要仔细设计出口扩张角度及进出口面积扩张比，从而尽可能降低扩压器内的流动分离，减小流动损失。

而在现有径流式涡轮中，排气尾锥为突变式断面结构，其结构见图1。该结构使得气流在流过排气尾锥时，流通面积急剧增大，气流过度膨胀，使得气流在尾锥后存在一个较大的流动分离区域，如图2所示，导致流场性能变差，排气损失增加，影响整机性能。

发明内容

本发明提供了一种排气尾锥及采用其的径流式涡轮，以解决现有的径流式涡轮的排气尾锥采用突变式断面结构所导致的存在较大流动分离、排气损失大的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种排气尾锥，应用于径流式涡轮，包括圆盘段和弧形段，所述圆盘段设置在向心叶轮上，所述弧形段在所述圆盘段上沿排气方向延伸设置，所述圆盘段和弧形段为轴对称结构且两者的中心线与向心叶轮的中心线重合，气流沿所述圆盘段流向所述弧形段的过程中流通面积逐渐增加。

进一步地，所述弧形段的轴向长度d与所述圆盘段的径向半径尺寸r的比值在2～5之间。

进一步地，所述弧形段的轴向长度d与所述圆盘段的径向半径尺寸r的比值为4。

进一步地，所述弧形段的型线为凸弧形、凹弧形或者反S弧形。

进一步地，当所述弧形段的型线为凸弧形时，所述弧形段的型线设计采用三点样条曲线，样条曲线的第一点位于起始点，第三点位于末端点，第二点的轴向位置位于所述弧形段的轴向长度中点，且与第一点的径向高度差在r/8～3r/8之间。

进一步地，当所述弧形段的型线采用凹弧形时，所述弧形段的型线设计采用三点样条曲线，样条曲线的第一点位于起始点，第三点位于末端点，第二点的轴向位置位于所述弧形段的轴向长度中点，且与第一点的径向高度差在r/2～3r/4之间。