CN105114186B - 一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴，属于航空发动机预旋冷却系统应用领域。叶孔式预旋喷嘴采用叶片压力面与叶片吸力面形成沿喷嘴环上等间距周向偏转的斜孔流道，喷嘴流道偏转型面成渐缩形，在预旋喷嘴出口达到最小喉部面积，有效地保证预旋喷嘴的加速和偏转性能，使主流流动损失较小。预旋喷嘴相邻流道间分布有叶型固体块，在保证喷嘴喉部面积一定的条件下，通过增加叶型固体块可灵活地调节预旋喷嘴的叶高与栅距的比值，有效地改善了流道截面的狭长性，从而可降低通道内的端壁二次流损失，提高预旋喷嘴的流量系数和预旋效率，进一步提高系统温降的效果。

Description

一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋冷却系统应用领域，具体地说，涉及一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴。

背景技术

近年来，航空发动机技术日新月异，发动机性能得到了较大的发展。提高发动机性能的主要途径是提高涡轮前温度和增压比，但是涡轮前温度的提高使发动机中涡轮等高温部件的工作环境严重恶化，从而导致发动机可靠性变差，寿命缩短。目前涡轮叶片的冷却技术包括气膜冷却、内部冲击冷却、扰流柱强化换热、肋强化换热以及它们之间的组合形式。尽管叶片冷却技术取得了非常大的进展，但现有涡轮叶片冷却技术十分复杂，其潜力挖掘有限。这种情况促使科技人员越来越多地转向通过提高内流供气系统特性来挖掘冷却潜力。

预旋冷却系统作为发动机供气系统的重要组成部分，其作用是为发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量的冷却气体。预旋降温的主要原理是通过预旋喷嘴加速气流并形成较大的周向速度分量，降低气流静温和与转盘间的相对速度，从而达到降低气流相对总温的目的。随着科技人员对预旋系统的深入研究，发现预旋喷嘴是预旋系统产生温降的唯一部件，在系统中起着至关重要的作用，其性能优劣直接关系到预旋系统的温降效果。

二十世纪八十年代，国外学者设计的预旋喷嘴多为直圆孔型喷嘴，直圆孔型喷嘴由于在孔入口处气流偏转角度较大，导致流动损失大，加速和偏转性能较差，降温效果并不理想。在此基础上，科技人员将直圆孔型喷嘴的入口截面进行了一定的扩张，形成气动孔型预旋喷嘴，气动孔型喷嘴在喷嘴入口处气流偏转角度减小，加速减缓，流动损失相对直圆孔喷嘴大大减小，流量系数和预旋效率得到了提高。目前，国内外公认的性能较好的预旋喷嘴为叶片式预旋喷嘴，其好处在于喷嘴型面采用精心设计的、气动性能较好的叶片吸力面、压力面，这可降低喷嘴流阻，提高喷嘴流量系数、预旋效率和系统温降。然而在整环的喷嘴盘设计中，喷嘴总面积、喷嘴数目和半径位置是根据预旋系统总体设计确定的，上述参数确定后喷嘴的叶高和栅距即固定下来。由于结构参数的限制，往往使叶高和栅距的比值过小，从而带来强烈的端壁二次流损失，同时叶片尾缘处吸力面、压力面速度大小和方向差别较大，尾迹掺混现象明显，这些都会造成喷嘴性能的降低，因此叶片式预旋喷嘴的工程应用性不强。此外，叶片式喷嘴的叶片较薄，给加工和安装都带来很大困难。

发明内容

为了提高预旋喷嘴的性能，克服现有喷嘴的工程应用性不强、加工和安装难度大的问题，本发明提出一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:叶孔式预旋喷嘴包括叶片压力面、叶片吸力面、喷嘴流道、预旋喷嘴出口、叶型固体块，其特征在于采用叶片压力面与叶片吸力面形成沿喷嘴环上等间距周向偏转的斜孔流道，喷嘴流道偏转型面成渐缩形，在预旋喷嘴出口达到最小喉部面积，预旋喷嘴相邻流道间设有叶型固体块，叶型固体块与预旋喷嘴流道沿喷嘴环交替分布，叶型固体块高度与预旋喷嘴叶高相等,预旋喷嘴轴向不同位置的流道截面均成长方形，预旋角度为10～30°。

有益效果

本发明提出的用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴，流道偏转型面为气动性能较好的叶片压力面、吸力面，可有效地保证喷嘴的加速和偏转性能，使主流流动损失较小。相邻流道间有叶型固体块，在保证喷嘴喉部面积一定的条件下，通过增加叶型固体块可灵活地调整喷嘴的叶高与栅距的比值，改善流道截面的狭长性，从而降低通道内的端壁二次流损失，提高喷嘴的流量系数和预旋效率，进一步提高系统温降。喷嘴总面积、喷嘴数目、预旋角度和半径位置相同时，叶孔式预旋喷嘴相比于叶片式预旋喷嘴，流量系数可提高8％～9％，预旋效率可提高4％以上。

同时，叶片式预旋喷嘴吸力面高速气流与压力面较低速的气流在叶片尾缘处汇聚时，由于速度的大小、方向差别较大，会使叶片式喷嘴尾缘处尾迹掺混损失显著提高。本发明提出的叶孔式预旋喷嘴，叶型固体块的宽度会使喷嘴出口周向气流速度有一定衰减，但较高速的吸力面气流经叶型固体块尾部壁面速度衰减后，在与压力面气流汇聚时，速度差降低，掺混损失也会明显减小。

本发明用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴，在加工、安装上简单便捷。叶片式预旋喷嘴一般采用的加工方式为先单独加工薄叶片，然后，通过插槽的形式，插入到内外环之间形成喷嘴盘。而插槽的方式很难保证喷嘴的流道宽度和预旋角度，且无法准确保证喷嘴喉部面积。叶孔式预旋喷嘴可同样采用先分块加工后组合安装的形式，不同的是叶孔式预旋喷嘴的叶型护体块较薄叶片其内外环接触的面积增大很多，安装时可不再选择插入的方式，通过在每个固体块上使用螺钉与内外环相连接。因此，叶孔式预旋喷嘴更加易于设计和加工，安装方式也能更好的保证喷嘴关键尺寸。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴作进一步详细说明。

图1为本发明叶孔式预旋喷嘴结构示意图。

图2为本发明叶孔式预旋喷嘴的叶型固体块示意图。

图3为本发明叶孔式预旋喷嘴环结构示意图。

图4为叶片式预旋喷嘴出口截面轮廓图。

图5为叶孔式预旋喷嘴出口截面轮廓图。

图中:

1.叶片压力面 2.叶片吸力面 3.喷嘴流道 4.预旋喷嘴出口 5.叶型固体块6.叶片式预旋喷嘴出口

t.喷嘴栅距 s.叶型固体块宽度 h.叶型固体块径向高度

具体实施方式

本实施例是一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴。叶孔式预旋喷嘴是一种等间距分布在喷嘴环上的斜孔，其倾斜角度为预旋角度。

参阅图1～图3，预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴由叶片压力面1、叶片吸力面2、喷嘴流道3、预旋喷嘴出口4、叶型固体块5组成；采用叶片压力面1与叶片吸力面2形成沿喷嘴环上等间距周向偏转的斜孔流道，喷嘴流道3偏转型面成渐缩形，在预旋喷嘴出口4达到最小喉部面积。预旋角度为10～30°。叶孔式预旋喷嘴相邻流道间设置有叶型固体块5，叶型固体块5的间距即为喷嘴流道3的栅距t。相邻叶型固体块5的偏转型面共同组成了喷嘴流道3偏转型面，即叶型固体块5的偏转型面分别为叶片吸力面2和叶片压力面1；叶型固体块周向宽度为s。在喷嘴环中，喷嘴流道3和叶型固体块5沿周向交替分布；叶型固体块径向高度为h，喷嘴的叶高与叶型固体块径向高度h相等。从轴向上看，喷嘴不同轴向位置的流道截面均成长方形，由于流道的渐缩性使轴向上各个截面的长宽比不同。

图4为叶片式预旋喷嘴出口6截面轮廓，由于结构参数的限制，使叶片式喷嘴的叶高与栅距比值过小，通道成狭长型，这样在通道内会产生强烈的端壁二次流损失，使喷嘴性能降低。

图5为叶孔式预旋喷嘴出口4截面轮廓，叶型固体块5周向宽度为s，叶型固体块5径向高度为h。在保证喷嘴喉部面积一定的条件下，叶孔式预旋喷嘴通过在相邻流道间增加叶型固体块5，可灵活地调节预旋喷嘴的叶高与栅距的比值。叶孔式预旋喷嘴相比于叶片式喷嘴，流道截面的狭长性得到了有效地改善，从而可降低通道内的端壁二次流损失，提高预旋喷嘴的流量系数和预旋效率，进一步提高系统温降的效果。

本实施例中，在同一系统结构参数条件下，对比叶片式预旋喷嘴和叶孔式预旋喷嘴的喷嘴结构和性能差异:

喷嘴的总面积、喷嘴数目、预旋角度和半径位置由预旋系统的总体设计确定。具体系统结构参数为:喷嘴总流通面积A＝650mm²，喷嘴半径位置R＝170mm，喷嘴整环数目为N＝54，喷嘴预旋角度为θ＝10°。

根据上述结构参数，叶片式预旋喷嘴的主要几何参数确定后:栅距t＝19.78，叶高h＝3.5，叶高与栅距的比值为0.177，出口截面成狭长型，端壁二次流损失严重。

根据上述结构参数设计叶孔式预旋喷嘴；在预旋角度为10°时，根据经验可确定喷嘴无量纲叶高范围在0.5～1之间，一般取0.5。因此有，栅距t＝11.77mm，叶高h＝5.89，叶高与栅距的比值为0.5，出口截面的狭长性得到了较好的改善。

下表为通过CFD数值模拟得到的压比1.5时,两种喷嘴的流量系数和预旋效率的对比。从表中可以看出，叶孔式预旋喷嘴的流量系数和预旋效率均高于叶片式喷嘴，流量系数比叶片式喷嘴高9.02％，预旋效率高4.44％。可以看出，叶孔式预旋喷嘴由于可灵活地调节喷嘴的无量纲叶高，使通道内端壁二次流损失和尾部掺混损失减小，流量系数和预旋效率得到提高。

	流量系数	预旋效率
			叶片式预旋喷嘴	0.865	0.90
叶孔式预旋喷嘴	0.943	0.94

Claims (1)

1.一种用于预旋冷却系统的叶孔式预旋喷嘴，包括叶片压力面、叶片吸力面、喷嘴流道、预旋喷嘴出口、叶型固体块，其特征在于:采用叶片压力面与叶片吸力面形成沿喷嘴环上等间距周向偏转的斜孔流道，喷嘴流道偏转型面成渐缩形，在预旋喷嘴出口达到最小喉部面积，预旋喷嘴相邻流道间设有叶型固体块，叶型固体块与预旋喷嘴流道沿喷嘴环交替分布，叶型固体块高度与预旋喷嘴叶高相等,预旋喷嘴轴向不同位置的流道截面均成长方形，预旋角度为10～30°。