一種渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)低損失預旋供氣結(jié)構(gòu)及其渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型屬于航空發(fā)動機及燃氣輪機領域，具體涉及一種渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)低損失預旋供氣結(jié)構(gòu)及其渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)為各高溫部件提供冷氣用來冷卻，進而降低高溫部件溫度水平。在許多的應用中，冷卻空氣通過靜子件上的預旋供氣結(jié)構(gòu)來冷卻轉(zhuǎn)子部件，尤其是渦輪盤和渦輪工作葉片，以降低轉(zhuǎn)子件感受的氣流溫度。
[0003]目前，在國內(nèi)、外已知的航空發(fā)動機和燃氣輪機中，冷卻轉(zhuǎn)子部件的預旋供氣結(jié)構(gòu)主要有葉柵式預旋噴嘴、管/孔式預旋噴嘴。其中葉柵式預旋噴嘴具有流通面積大、可獲得的噴嘴出口預旋氣流角度小、實際溫降大的特點，應用于大多數(shù)航空發(fā)動機；管/孔式預旋噴嘴具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的優(yōu)點，并已得到應用，例如，美國Williams公司的FJ44發(fā)動機就應用了切向直孔結(jié)構(gòu)的孔式預旋噴嘴來冷卻高壓渦輪轉(zhuǎn)子，但類似傳統(tǒng)的直孔結(jié)構(gòu)孔式預旋噴嘴存在噴嘴出口預旋氣流角度小時流動損失偏大的問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0004](I)實用新型目的:用于航空發(fā)動機及燃氣輪機高溫轉(zhuǎn)子部件，尤其是渦輪盤和渦輪工作葉片冷卻系統(tǒng)的預旋噴嘴使冷卻空氣沿著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，得到很高的切向速度，氣流在進入旋轉(zhuǎn)盤腔時相對速度較低，此過程可降低轉(zhuǎn)子件感受的氣流溫度，提高轉(zhuǎn)子件實際冷卻效果。
[0005]對于小尺寸的航空發(fā)動機及燃氣輪機，受內(nèi)部空間限制，往往無法使用葉柵式預旋噴嘴，而傳統(tǒng)的切向直孔或周向圓邊的切向直孔預旋噴嘴流動損失偏大。為此，通過對流動損失原因、預旋流動效果、結(jié)構(gòu)特點等的詳細分析，設計了一種可用于中小型航空發(fā)動機或燃氣輪機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的進氣壓力側(cè)光滑過渡的擴-收形狀孔式預旋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可使冷卻供氣壓力損失大大減小，同時預旋降溫效果顯著。
[0006](2)本實用新型實現(xiàn)上述目的的方案:
[0007]針對傳統(tǒng)的直孔形切向預旋孔流動損失偏大的問題，對損失機理、不同結(jié)構(gòu)造型對流動損失影響規(guī)律、預旋角度與出口氣流角控制等方面進行研宄后，在現(xiàn)有的傳統(tǒng)直孔形切向預旋孔結(jié)構(gòu)基礎上，設計了一種進氣壓力側(cè)光滑過渡的擴-收形狀孔式預旋結(jié)構(gòu)。在保證預旋氣流角的條件下，重點通過對流動損失較大的切向直孔進氣段壓力側(cè)結(jié)構(gòu)形狀的創(chuàng)新性改進，很好的解決了減小流動損失以及保證預旋結(jié)構(gòu)出口氣流角和減小氣流發(fā)散的問題。
[0008]如圖1所示，擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)的特點是進氣邊周向有導圓口(5)，從進氣邊開始在孔內(nèi)壓力側(cè)設計成先擴后收的結(jié)構(gòu)(6)，在壓力側(cè)收縮段末端產(chǎn)生流道的最小喉道點(7)，最小喉道點(7)在孔內(nèi)吸力側(cè)的垂足點應保證前于吸力側(cè)排氣邊(8)，孔內(nèi)吸力側(cè)為直線型，排氣邊周向為銳邊，預旋孔的中心線切向角為15°?25° (預旋角度)。根據(jù)需要的冷氣流量選擇合適的孔直徑。
[0009](3)技術(shù)效果:
[0010]此低損失擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低，流動損失小，預旋降溫效果顯著的特點。通過詳細的分析，該新型預旋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)直孔形預旋孔相比，在相同的孔徑、切向角、孔長及進出口邊界條件下，冷氣流量可增加20%以上。
【附圖說明】
[0011]圖1低損失擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)
[0012]圖2冷氣流路上的預旋供氣結(jié)構(gòu)應用示意圖
【具體實施方式】
[0013]低損失擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)主要用于小型航空發(fā)動機及燃氣輪機高溫轉(zhuǎn)子部件的冷卻供氣系統(tǒng)，以降低轉(zhuǎn)子件感受的氣流溫度。
[0014]I)結(jié)構(gòu)說明:
[0015]低損失擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)在渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路上的應用如圖2所示，整個預旋冷卻系統(tǒng)由上游高壓集氣腔(I)、預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)、下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)和需冷卻的渦輪轉(zhuǎn)子⑷組成，上游高壓集氣腔⑴和下游旋轉(zhuǎn)盤腔⑶由預旋供氣結(jié)構(gòu)⑵連通，預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)的徑向安裝位置與轉(zhuǎn)子上的進氣孔徑向位置相同或略低于冷卻部位，預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)與轉(zhuǎn)子(4)的軸向距離為5?10mm，下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)和渦輪轉(zhuǎn)子(4)之間不設擋板，氣流直接由下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)進入渦輪轉(zhuǎn)子(4)。擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)如圖1所示，進氣邊周向有導圓口(5)，從進氣邊開始在孔內(nèi)壓力側(cè)設計成先擴后收的結(jié)構(gòu)(6)，在壓力側(cè)收縮段末端產(chǎn)生流道的最小喉道點(7)，最小喉道點(7)在孔內(nèi)吸力側(cè)的垂足點應保證前于吸力側(cè)排氣邊(8)，孔內(nèi)吸力側(cè)為直線型，排氣邊周向為銳邊，預旋孔的中心線切向角為15°?25° (預旋角度)。根據(jù)需要的冷氣流量選擇合適的孔直徑及壓力側(cè)擴-收段距離。
[0016]2)工作原理說明:
[0017]從壓氣機出口引入集氣腔(I)的高壓冷卻空氣通過具有一定切向角度的擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)(2)后，在預旋孔出口獲得很高的切向速度，氣流在進入旋轉(zhuǎn)盤腔(3)時相對速度較低，此過程可降低渦輪轉(zhuǎn)子(4)感受的氣流溫度，提高轉(zhuǎn)子件實際冷卻效果。由于傳統(tǒng)的直孔形切向預旋孔流動損失偏大，為此，設計了一種壓力側(cè)光滑過渡的擴-收形狀孔式預旋結(jié)構(gòu)，通過合適的結(jié)構(gòu)造型，顯著的降低了流動損失，并很好的控制了預旋結(jié)構(gòu)出口的氣流角，不再出現(xiàn)流動發(fā)散，從而保證了轉(zhuǎn)子冷卻需要的冷氣流量和冷氣壓力。
【主權(quán)項】
1.一種渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)低損失預旋供氣結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述預旋供氣結(jié)構(gòu)采用擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)，進氣邊周向有導圓口(5)，從進氣邊開始在孔內(nèi)壓力側(cè)制成先擴后收的結(jié)構(gòu)(6)，在壓力側(cè)收縮段末端產(chǎn)生流道的最小喉道點(7)，最小喉道點(7)在孔內(nèi)吸力側(cè)的垂足點在吸力側(cè)排氣邊(8)之前，孔內(nèi)吸力側(cè)為直線型，排氣邊(8)周向為銳邊，預旋孔的中心線切向角為15°?25。，根據(jù)需要的冷氣流量選擇合適的孔直徑。
2.一種采用如權(quán)利要求1所述的預旋供氣結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路結(jié)構(gòu)，其特征在于:冷卻流路結(jié)構(gòu)由上游高壓集氣腔(I)、預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)、下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)和需冷卻的渦輪轉(zhuǎn)子⑷組成，上游高壓集氣腔⑴和下游旋轉(zhuǎn)盤腔⑶由預旋供氣結(jié)構(gòu)⑵連通，預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)的徑向安裝位置與轉(zhuǎn)子上的進氣孔徑向位置相同或略低于冷卻部位，預旋供氣結(jié)構(gòu)⑵與渦輪轉(zhuǎn)子⑷的軸向距離為5?10mm，下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)和渦輪轉(zhuǎn)子(4)之間不設擋板，氣流直接由下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)進入渦輪轉(zhuǎn)子(4)。
【專利摘要】本實用新型涉及一種渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)低損失預旋供氣結(jié)構(gòu)及其渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路結(jié)構(gòu)，預旋冷卻系統(tǒng)由上游高壓集氣腔(1)、預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)、下游旋轉(zhuǎn)盤腔(3)和需冷卻的渦輪轉(zhuǎn)子(4)組成，預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)的徑向安裝位置與轉(zhuǎn)子上的進氣孔徑向位置相同或略低于冷卻部位，預旋供氣結(jié)構(gòu)(2)與轉(zhuǎn)子(4)的軸向距離為5～10mm。擴-收形孔式預旋結(jié)構(gòu)的進氣邊周向有小導圓(5)，從進氣邊開始在孔內(nèi)壓力側(cè)設計成先擴后收的結(jié)構(gòu)(6)，在壓力側(cè)收縮段末端產(chǎn)生流道的最小喉道點(7)，最小喉道點(7)在孔內(nèi)吸力側(cè)的垂足點應保證前于吸力側(cè)排氣邊(8)，孔內(nèi)吸力側(cè)為直線型，排氣邊(8)周向為銳邊，預旋孔的中心線切向角為15°～25°。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可使冷卻供氣壓力損失大大減小，同時預旋降溫效果顯著。
【IPC分類】F02C7-18, F01D25-12
【公開號】CN204436597
【申請?zhí)枴緾N201420795271
【發(fā)明人】郭文, 王鵬飛, 張倩, 吳超林
【申請人】中國燃氣渦輪研究院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2014年12月15日