CN104454025A - 一种用于高温旋转轮盘的冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高温旋转轮盘的冷却结构，可用在地面燃气轮机，航空发动机等涡轮机中处于高温工作环境下的旋转轮盘，旋转轮盘的前端面和/或后端面上均设置有沿径向分布的若干排换热元件，各所述排均包括若干绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件，相邻各排中的换热元件在径向方向上分列叉排或顺排，所述换热元件可增加高温旋转轮盘端面流场的紊流度，冷却气流绕过所述换热元件的尾迹再附特征可进一步降低盘体表面的温度。与传统的轮盘结构相比，本发明的轮盘冷却方式结构简单、易于实现，只需在盘体表面增加换热肋板就可大幅度提高轮盘表面的冷却效果，降低轮盘表面温度，换热元件也可以作为旋转轮盘动平衡凸台使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机、涡轮发动机等利用到高温旋转轮盘的冷却结构，可以在不改变原有旋转轮盘设计思路的基础上，提高轮盘表面换热效果，降低盘体温度。
背景技术
轮盘整体的重量增加，对发动机的整体性能是不利的。因此通过采用有效的冷却结构增加换热效率，降低盘体温度，进而减小热应力集中是先进涡轮盘设计中急需解决的一个问题。
在以往的涡轮机中，对轮盘盘体的冷却一般是通过轮盘前后腔中冷却气流流过盘体表面，经对流换热作用带走轮盘热量，进而冷却盘体。冷却后的气体经过轮盘前后的轴向间隙进入主流，与主流进行掺混，但冷却气流与主流的掺混会引起掺混损失，并且使得主流燃气温度降低，这会降低涡轮的做功能力，影响涡轮性能。这种方法虽然可以对轮盘进行冷却，但为保证涡轮的整体效率，冷气量受到严格控制，不能随意增加，通常冷气量仅满足盘缘封严流量的要求。冷气量的减少限制了盘体表面通过普通强制对流的冷却方式来进行强化换热的冷却效率，且在冷气量偏小的情况下，当冷却来流不均匀时，冷却效果更差。除此之外，当涡轮机在非设计状态下工作时，因为压力影响可能会使得冷气流量更加不足，简单的强制对流冷却方式可能并不能满足轮盘高效冷却的要求。因此必须寻找更有效的轮盘冷却方式，以在有限的冷气流量的条件下，改善冷却效果，降低盘体温度，增加轮盘工作寿命以及安全可靠性。
发明内容
本发明涉及一种用于高温旋转轮盘冷却的结构，可用在地面燃气轮机、航空发动机等涡轮机械中处于高温工作环境下的旋转轮盘部件，其目的是提高轮盘表面与冷却气体之间的换热效率，藉此降低轮盘整体温度，延长轮盘使用寿命，提高工作安全性，并可以在降低盘体温度的基础上，通过减小热应力集中优化轮盘结构，进而可以在一定程度上减小轮盘重量。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种用于高温旋转轮盘的冷却结构，包括高温旋转轮盘、前挡板和后挡板，所述前挡板和高温旋转轮盘的前端面形成旋转轮盘前冷却腔，所述后挡板和高温旋转轮盘的后端面形成旋转轮盘后冷却腔，所述前挡板下端部和所述高温旋转轮盘的篦齿密封圈之间形成第一冷却气流通道，所述高温旋转轮盘和涡轮轴之间开设有第二冷却气流通道，其特征在于，
冷却气流经所述第一冷却气流通道进入所述旋转轮盘前冷却腔，经所述第二冷却气流通道进入所述旋转轮盘后冷却腔，
所述高温旋转轮盘的前、后端面上均设置有沿径向分布的若干排换热元件，各所述排均包括若干绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件，相邻各排中的换热元件在径向方向上分列叉排或顺排，其中，
所述换热元件的主尺寸方向与所述高温旋转轮盘的径向重合或呈一定夹角，所述换热元件的高度方向与所述高温旋转轮盘的前、后端面垂直或呈一定倾斜角度，所述换热元件可增加高温旋转轮盘端面流场的紊流度，冷却气流绕过所述换热元件的尾迹再附特征可进一步降低盘体表面的温度。
优选地，所述冷却气流为由压气机引入的气流。
优选地，所述换热元件为换热肋板、类似于翼型的结构或扰流柱，如棱柱或圆台。
根据本发明的另一方面，还提供了一种高温旋转轮盘，其特征在于，所述高温旋转轮盘的前、后端面上均设置有沿径向分布的若干排换热元件，各所述排均包括若干绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件，相邻各排中的换热元件在径向方向上分列叉排或顺排，其中，所述换热元件的主尺寸方向与所述高温旋转轮盘的径向重合或呈一定夹角，所述换热元件的高度方向与所述高温旋转轮盘的前、后端面垂直或呈一定倾斜角度。在高温旋转轮盘上周向均匀布置换热元件，可以增加高温旋转轮盘端面流场的紊流度，使轮盘端面的冷却方式从普通强制对流冷却方式改变为充分强化后的强制对流冷却方式，同时可以有效利用换热元件随盘转动时肋板附近的尾迹再附特征进一步降低盘体表面的温度，减少盘缘向盘心的导热，进而大幅度提高换热效率。
较优地，行业内部技术人员应该理解，所述换热元件可以与轮盘设计为一体，通过机械加工实现此种冷却结构与轮盘一体化；也可以单独加工，然后通过焊接方式固定到轮盘表面，但该过程中必须保证盘体表面机械加工的粗糙度要求，较大的粗糙度可以更有利于该冷却结构的冷却效果。
较优地，该肋板沿径向至少布置有1排，根据轮盘表面可布置换热肋板的面积大小具体决定，多排布置的换热肋板可以进一步增加轮盘表面与冷却气体之间的换热面积，并进一步增强轮盘表面流场紊流度，从而使换热效果更加明显。
更优地，在布置多排换热元件中，多排换热元件之间的叉排排列方式布置呈交替改变排列方向的方式。
较优地，该换热元件与盘体表面夹角介于0度～65度之间，0度时换热元件与盘体表面垂直。
较优地，换热元件与轮盘径向线之间的夹角介于0-60度之间；夹角为0度时，换热元件与轮盘径向线重合。
较优地，换热元件高度介于1～3mm之间；长度为高度的3～5倍，宽度为高度的0.3～0.7倍。
换热元件可以设计为肋板结构，在有多排换热肋板时，每排换热肋板之间距离，即每排肋板中心圆半径之差为肋板长度的2/3左右。同排换热肋板相邻的肋板之间夹角介于10～30度之间；多排布置的肋板结构中，不同排的相邻肋板之间夹角约为同排换热肋板相邻的肋板之间夹角的一半。
换热元件可以设计为翼型结构，一方面可以增加换热效率，另一方面，该翼型具有增压作用，可以降低冷却气体在前、后盘腔中的压力损失，提高转子前后缘的封严效果，防止在主流道中的高温燃气向盘腔中的倒灌。
通过在高温旋转轮盘表面增加换热元件，改变高温旋转轮盘表面的冷却换热方式，与传统的轮盘结构相比，具有以下优点：①、结构简单，非常易于实现。不需要对传统的旋转轮盘设计方法进行较大改动，只需在盘体表面增加换热元件就可大幅度提高轮盘表面的冷却效果，降低轮盘表面温度，从而可以进一步降低盘体温度。如果结构设计中有与盘发生接触换热的零件，随着轮盘温度场的优化，可减少轮盘向接触对象件的热传导，优化对象件的温度分布；②、通过降低盘体温度，减小盘缘、盘心之间的温度差异，缓解盘体热应力集中的问题，可以不用通过增加盘体厚度的方法克服盘心、腹板处应力过大的问题，进而可以在保证轮盘安全使用要求的前提下，降低盘体重量；③、该换热元件也可以作为旋转轮盘动平衡凸台使用，在进行轮盘转子整体动平衡试验时，取代传统轮盘表面为实现动平衡而专门设计的凸台，从而进一步减轻盘体重量；④、换热元件的存在，不仅仅可以起到增强换热的效果，同时也可以作为加强筋的形式存在，对轮盘的结构强度起到加强的作用，从而延长盘体的使用寿命及提高旋转轮盘的工作极限；⑤、通过加强换热效果，降低轮盘整体温度，可以延长轮盘的热疲劳使用寿命，降低发动机的使用成本。
附图说明
图1为本发明带冷却结构的高温旋转轮盘的剖视图。
图例说明：图中黑色实心箭头代表对旋转盘腔进行冷却的低温气流，白色箭头代表主流道中的高温燃气。
图2为本发明带冷却结构的旋转轮盘的B向视图，排列方式为顺排排列。
图3为换热肋板的尺寸示意图。
图4叉排排列的换热肋板布置方式。
图5为设计为翼型的换热肋板冷却结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1及图2所示，本发明的用于高温旋转轮盘的冷却结构，包括高温旋转轮盘3、前挡板6和后挡板7，前挡板6和高温旋转轮盘的前端面31形成旋转轮盘前冷却腔1，后挡板7和高温旋转轮盘的后端面32形成旋转轮盘后冷却腔2，前挡板6下端部和高温旋转轮盘的篦齿密封圈之间形成第一冷却气流通道，高温旋转轮盘和涡轮轴之间开设有第二冷却气流通道，冷却气流经第一冷却气流通道进入旋转轮盘前冷却腔1，经第二冷却气流通道进入旋转轮盘后冷却腔2，高温旋转轮盘3的前、后端面31、32上均设置有沿径向分布的若干排绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件4。
该轮盘冷却结构是通过在传统旋转轮盘的表面增加换热元件，具体如图2所示，改变传统旋转轮盘表面的冷却换热方式，从原始的普通强制对流换热方式，改变为现在的充分强化后的强制对流换热方式，从而提高换热效率，增强换热效果。
在对旋转轮盘进行设计时，可以与换热元件一起设计，也可以完成轮盘设计后，再对换热元件单独进行设计。而且在加工时，也可以根据具体加工方式，以及使用环境，在保证安全使用，不会脱落的前提下，而决定轮盘与换热元件整体加工，还是单独加工轮盘，以及换热元件，然后通过焊接等连接方式，将换热元件固定到轮盘表面。
所述换热元件可以设置为多种形式，如图2所示的换热肋板形式，以及如图5所示类似于翼型的结构，也可以设置为扰流柱等形式，如棱柱或圆台。
在工作过程中，如图1所示，冷却气体通过冷却通道进入轮盘前腔1以及后腔2，然后流经盘体表面。因为换热元件的存在，对盘体表面的流场产生极大地扰动，使得盘体表面的流场从层流状态变为高速湍流状态。高湍流状态下的流场可以迅速带走盘体表面的热量并相互掺混，增加流场温度的均匀性。而且由于盘体转速较高，换热元件也可以提高流场中冷却气体的旋转速度，从而使盘体表面的冷却效果更加均匀。
如图2、3所示，该换热肋板沿径向至少布置有1排，根据轮盘表面可布置换热肋板的面积大小(即斜端面内径35，外径36)具体决定，多排布置的换热肋板可以进一步增加轮盘表面与冷却气体之间的换热面积，并进一步增强轮盘表面流场紊流度，从而使换热效果更加明显。该肋板4与盘体表面夹角44介于0度～65度之间，0度时肋板与盘体表面垂直。肋板4与轮盘径向线之间的夹角443介于0-60度之间，夹角为0度时，肋板与轮盘径向线重合。换热肋板的高度43介于1～3mm之间；长度41为高度43的3～5倍，宽度42为高度43的0.3～0.7倍。在有多排换热肋板时，每排换热肋板之间距离，即每排肋板中心圆半径444,445之差为肋板长度41的2/3左右。同排换热肋板4相邻的肋板之间夹角442介于10～30度之间；多排布置的肋板结构中，不同排的相邻肋板之间夹角441约为角度442的一半。在布置多排换热肋板结构中，多排肋板之间按照图4中叉排排列方式布置。
换热元件也可以设计为图5中所示的翼型结构，一方面可以增加换热效率，另一方面，该翼型具有增压作用，可以降低冷却气体在盘腔1,2中的压力损失，提高转子前后缘的封严效果，防止在主流道中的高温燃气5向盘腔中的倒灌。
综上所述，该发明可以在基本不改变传统轮盘结构的基础上，通过简单的改进方法，有效的提高盘体表面的换热效果，降低轮盘温度。可以直接用于现有的燃气轮机，或航空发动机涡轮结构中。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于高温旋转轮盘的冷却结构，包括高温旋转轮盘、前挡板和后挡板，所述前挡板和高温旋转轮盘的前端面形成旋转轮盘前冷却腔，所述后挡板和高温旋转轮盘的后端面形成旋转轮盘后冷却腔，所述前挡板下端部和所述高温旋转轮盘的篦齿密封圈之间形成第一冷却气流通道，所述高温旋转轮盘和涡轮轴之间开设有第二冷却气流通道，其特征在于，
冷却气流经所述第一冷却气流通道进入所述旋转轮盘前冷却腔，经所述第二冷却气流通道进入所述旋转轮盘后冷却腔，
所述高温旋转轮盘的前、后端面上均设置有沿径向分布的若干排换热元件，各所述排均包括若干绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件，相邻各排中的换热元件在径向方向上分列叉排或顺排，其中，
所述换热元件的主尺寸方向与所述高温旋转轮盘的径向重合或呈一定夹角，所述换热元件的高度方向与所述高温旋转轮盘的前、后端面垂直或呈一定倾斜角度，所述换热元件可增加高温旋转轮盘端面流场的紊流度，冷却气流绕过所述换热元件的尾迹再附特征可进一步降低盘体表面的温度。
2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述冷却气流为由压气机引入的气流。
3.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述换热元件为换热肋板、类似于翼型的结构或扰流柱，如棱柱或圆台。
4.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述换热元件与所述高温旋转轮盘一体成型或通过焊接的方式固定在所述高温旋转轮盘上。
5.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述冷却结构可用在地面燃气轮机，航空发动机等涡轮机中处于高温工作环境下的旋转轮盘。
6.根据权利要求1至5所述的冷却结构，其特征在于，所述高温旋转轮盘的前、后端面中在机械加工时必须保证盘体表面具有一定的粗糙度。
7.根据权利要求1至5所述的冷却结构，其特征在于，所述换热元件的主尺寸方向与所述高温旋转轮盘的径向呈一定夹角，且相邻两排的换热元件在排布方向上相反。
8.根据权利要求1至5所述的冷却结构，其特征在于，所述换热元件与盘体表面夹角介于0度～65度之间，0度时换热元件与盘体表面垂直。
9.根据权利要求1至5所述的冷却结构，其特征在于，所述换热元件与轮盘径向线之间的夹角介于0-60度之间；夹角为0度时，所述换热元件与轮盘径向线重合。较优地，所述换热元件高度介于1～3mm之间；长度为高度的3～5倍，宽度为高度的0.3～0.7倍。较优地，在有多排换热元件时，每排换热元件之间距离，即每排换热元件中心圆半径之差为换热元件长度的2/3左右，同排换热元件相邻的元件之间夹角介于10～30度之间；多排布置的肋板元件中，不同排的相邻元件之间夹角441约为角度442的一半。
10.一种高温旋转轮盘，其特征在于，所述高温旋转轮盘的前端面和/或后端面上均设置有沿径向分布的若干排换热元件，各所述排均包括若干绕轮盘轴线周向均匀分布的换热元件，相邻各排中的换热元件在径向方向上分列叉排或顺排，其中，所述换热元件的主尺寸方向与所述高温旋转轮盘的径向重合或呈一定夹角，所述换热元件的高度方向与所述高温旋转轮盘的前、后端面垂直或呈一定倾斜角度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170821 Address after: The 100176 Beijing economic and Technological Development Zone by sea three road No. 109 Building No. 31 hospital Tianji wisdom Valley 302 Patentee after: Zhongke Aviation Power Technology Co.,Ltd. Address before: 100190 Beijing Haidian District North Fourth Ring Road West, No. 11 A202 Patentee before: Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191226 Address after: 412000 No. 121,201, Block 1 B, No. 898 Zhuzhou Avenue, Tianyuan District, Zhuzhou City, Hunan Province Patentee after: CHINA SCIENCES AVIATION ENGINE (ZHUZHOU) EQUIPMENT MANUFACTURING RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: 100176 Beijing economic and Technological Development Zone 109 Jinghai three road Tianji Chile 31 building 302 Patentee before: Zhongke Aviation Power Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A cooling structure for high temperature rotating disk Effective date of registration: 20210629 Granted publication date: 20151118 Pledgee: Zhuzhou Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: CHINA SCIENCES AVIATION ENGINE (ZHUZHOU) EQUIPMENT MANUFACTURING RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Registration number: Y2021980005513 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20151118 Pledgee: Zhuzhou Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: CHINA SCIENCES AVIATION ENGINE (ZHUZHOU) EQUIPMENT MANUFACTURING RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Registration number: Y2021980005513 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A cooling structure for high-temperature rotating discs Granted publication date: 20151118 Pledgee: Hunan Bank Co.,Ltd. Zhuzhou Liyu Branch Pledgor: CHINA SCIENCES AVIATION ENGINE (ZHUZHOU) EQUIPMENT MANUFACTURING RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Registration number: Y2024980039885 |