CN105464724A - 一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴 - Google Patents

一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴。所述用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴用于预旋系统中向发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量的冷却气体，包含入口段、收缩段及出口段。所述入口段、收缩段及出口段的轴线重合，所述入口段垂直于轴线的截面积大于所述出口段垂直于轴线的截面积，气流从所述入口段进入，经过收缩段加速后从出口段喷出。本发明的有益效果在于本发明提出的一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，所述入口段垂直于轴线的截面积大于所述出口段垂直于轴线的截面积，入口气流速度会降低，气流偏转产生的损失会降低，气流再通过收缩段进行加速，这样可以有效保证喷嘴的加速和偏转性能，使主流流动损失较小。

Description

一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴
技术领域
本发明涉及航空发动机预旋冷却系统技术领域，具体涉及一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴。
背景技术
目前，航空发动机涡轮前温度日益提高，而现有的叶片冷却技术却存在着明显的局限性。预旋系统作为向发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量冷却气体的部件系统，因具有巨大的降温潜力而成为近年来国内外发动机空气系统领域的研究热点。好的预旋系统设计可使供气温度降低100K以上，因此，预旋系统已成为近年来国内外发动机空气系统领域的研究热点。
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。随着人们对预旋系统的深入研究，发现预旋喷嘴在系统降温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。
目前设计在用的预旋喷嘴多为直圆孔型喷嘴，对于这种直圆孔型喷嘴，国内外进行了大量的数值与实验研究，探索直圆孔型喷嘴的流动特性，结果表明，这种喷嘴由于在孔入口处流速较快，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，以解决或至少减轻技术背景中所存在的至少一处的问题。
本发明采用的技术方案是：提供一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，用于预旋系统中向发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量的冷却气体，所述用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴包含入口段、收缩段及出口段，其中，所述入口段、收缩段及出口段的轴线重合，所述入口段垂直于轴线的截面积大于所述出口段垂直于轴线的截面积，气流从所述入口段进入，经过收缩段加速后从出口段喷出。
优选地，所述入口段与出口段垂直于所述轴线的截面为椭圆形，所述收缩段为圆台段，所述入口段设置在所述收缩段的大端，所述入口段垂直于所述轴线的截面自远离所述收缩段向靠近所述收缩段的方向从椭圆形过渡为圆形，所述出口段设置在所述收缩段的小端，所述出口段垂直于所述轴线的截面自靠近所述收缩段向远离所述收缩段的方向从圆形过渡为椭圆形。
优选地，所述入口段的入口面积与出口段的出口面积比值为2～4。
优选地，所述入口段的轴线与其设置面的倾斜角度为15～30度。
优选地，所述扩口段的扩口直径为4mm～20mm。
优选地，所述收缩段的锥角为30度～60度。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，所述入口段垂直于轴线的截面积大于所述出口段垂直于轴线的截面积，入口气流速度会降低，气流偏转产生的损失会降低，气流再通过收缩段进行加速，这样可以有效保证喷嘴的加速和偏转性能，使主流流动损失较小。而且可以通过改变不同的入口段垂直于轴线的截面积与出口段垂直于轴线的截面积的面积比，获得不同的预旋效果。
同时，由于直孔在孔进口处由于气流偏转角度较大，存在明显的分离区，形成较大的速度梯度；而本发明的入口段由于进口面积扩大，在进口处气流偏转角度减小，气流基本没有分离且能较均匀地充满预旋孔。气流经过中间收缩段加速后，从气流出口段喷出出气速度要明显高于直孔，并且速度梯度也明显的小于直孔，出气更均匀。
附图说明
图1是本发明一实施例的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴的示意图。
图2是图1所示的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴的单个喷嘴放大示意图。
图3是图1所示的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴的单个喷嘴的另一示意图。
图4是图1所示的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴的入口段的轴向示意图。
图5是图1所示的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴的出口段的轴向示意图。
其中，1-入口段，2-收缩段，3-出口段，5-喷嘴环。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1至图5所示，一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，用于预旋系统中向发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量的冷却气体，所述用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴包含入口段1、收缩段2及出口段3，其中，所述入口段1、收缩段2及出口段3的轴线重合，所述入口段1垂直于轴线的截面积大于所述出口段3垂直于轴线的截面积，气流从所述入口段1进入，经过收缩段2加速后从出口段3喷出。
本发明提出的一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，所述入口段1垂直于轴线的截面积大于所述出口段3垂直于轴线的截面积，入口气流速度会降低，气流偏转产生的损失会降低，气流再通过收缩段2进行加速，这样可以有效保证喷嘴的加速和偏转性能，使主流流动损失较小。而且可以通过改变不同的入口段1垂直于轴线的截面积与出口段3垂直于轴线的截面积的面积比，获得不同的预旋效果。
同时，由于直孔在孔进口处由于气流偏转角度较大，存在明显的分离区，形成较大的速度梯度；而本发明的入口段1由于进口面积扩大，在进口处气流偏转角度减小，气流基本没有分离且能较均匀地充满预旋孔。气流经过中间收缩段2加速后，从气流出口段3喷出出气速度要明显高于直孔，并且速度梯度也明显的小于直孔，出气更均匀。
在本实施例中，所述入口段1与出口段3垂直于所述轴线的截面为椭圆形，所述收缩段2为圆台段，所述入口段1设置在所述收缩段的大端，所述入口段1垂直于所述轴线的截面自远离所述收缩段向靠近所述收缩段的方向从椭圆形过渡为圆形，所述出口段3设置在所述收缩段的小端，所述出口段3垂直于所述轴线的截面自靠近所述收缩段向远离所述收缩段的方向从圆形过渡为椭圆形。其优点在于，有利于提高入口段1与出口段3的面积比，且所述入口段1垂直于所述轴线的截面自远离所述收缩段向靠近所述收缩段的方向从椭圆形过渡为圆形，其截面面积逐渐收缩，有利于收缩段2对气流的加速。
可以理解的是，所述入口段1垂直于所述轴线的截面还可以设置为椭圆形，其优点在于，有利于增大入口段1垂直于所述轴线的截面面积，进而扩大入口段1垂直于所述轴线的截面与出口段3垂直于所述轴线的截面的面积比。
可以理解的而是，所述入口段1的入口面积与出口段3的出口面积比值可以为2～4，且在2～4之间的数值可以任意设定。
可以理解的是，所述入口段1的轴线与其设置面的倾斜角度θ为15度至30度，且所述倾斜角度θ值可以取15度至30度之间的任意数值。其优点在于，在满足预旋角度的前提下，可以在喷嘴环5的周向设置较多的喷嘴，并能提高入口段1的入口面积。
可以理解的是，所述扩口段1的扩口直径为4mm～20mm，且所述扩口直径在4mm～20mm之间的数值任意设定，所述扩口是相对于出口段3而言的，及入口段1的入口面积大于。
可以理解的而是，所述收缩段2的锥角为30度～60度，且所述锥角可以在30度至60度之间的数值任意设定。其优点在于，可以提高预旋系统的偏转性能。
本实施例中的所述预旋喷嘴沿着气流周向偏转方向，入口段1按照一定的面积比进行扩张，通过一个收缩段2，收缩到出口段3，气流依次通过预旋喷嘴入口段1、收缩段2及出口段3实现加速、偏转。
从喷嘴轴线方向看，喷嘴截面保持椭圆形，从入口段1的进气端开始截面面积不断缩小，缩小至收缩段2时，喷嘴截面变成圆形，并保持截面为圆形不变。
在收缩段2从喷嘴轴线方向看，喷嘴截面保持圆形，截面面积不断缩小，缩至最小时，气流进入出口段3，喷嘴截面保持圆形，面积不变，将要离开喷嘴时，截面由圆形变为椭圆形，最后气流通过预旋喷嘴的出口段3离开预旋喷嘴，以一定出气角度进入预旋腔，为叶片冷却提供适宜的冷却效果。
在同一系统结构参数条件下，对比本发明的预旋喷嘴和直圆孔型预旋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＝1608.5mm2，喷嘴轴线在喷嘴环上的半径位置R＝236.5mm，喷嘴整环数目为N＝32，喷嘴预旋角度为θ＝20°。
根据以上结构参数，直圆孔型预旋喷嘴的主要几何参数已固定下来：
孔直径D＝8mm，当预旋喷嘴的长径比L/D到达4时，喷嘴的流量系数达到稳定，流量系数最大，因此预旋喷嘴总长取为32mm。
下面根据上述结构参数设计本发明的预旋喷嘴。扩口后直径D1＝16mm，锥角ψ＝40°，入口段长L1＝16mm，出口段长L2＝16mm，扩口后，气流进口面积增大了四倍，气流通过入口段1时，损失会大大降低，同时通过收缩段2能保证气流的加速。
下表为通过CFD数值模拟得到的压比1.9时两种喷嘴的流量系数，预旋效率和温降的对比。从表中可以看出，本发明的预旋喷嘴的流量系数、预旋效率和温降均高于直圆孔型预旋喷嘴，流量系数比直圆孔型喷嘴高20.7％，预旋效率高20.4％，无量纲温降增大了24.6％。可以看出，本发明的预旋喷嘴由于增大了进气面积，降低了进气速度，减小了进口处的气流偏转和分离损失，使得预旋喷嘴的流动阻力降低，使喷嘴的流量系数和预旋效率和温降得到提高。
流量系数 预旋效率 无量纲温降
直圆孔型预旋喷嘴 0.753 0.707 1.79
气动孔型预旋喷嘴 0.908 0.851 2.23
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，用于预旋系统中向发动机转子叶片提供适宜压力、温度和流量的冷却气体，其特征在于：所述用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴包含入口段(1)、收缩段(2)及出口段(3)，其中，所述入口段(1)、收缩段(2)及出口段(3)的轴线重合，所述入口段(1)垂直于轴线的截面积大于所述出口段(3)垂直于轴线的截面积，气流从所述入口段(1)进入，经过收缩段(2)加速后从出口段(3)喷出。
2.如权利要求1所述的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，其特征在于：所述入口段(1)与出口段(3)垂直于所述轴线的截面为椭圆形，所述收缩段(2)为圆台段，所述入口段(1)设置在所述收缩段(2)的大端，所述入口段(1)垂直于所述轴线的截面自远离所述收缩段(2)向靠近所述收缩段(2)的方向从椭圆形过渡为圆形，所述出口段(3)设置在所述收缩段的小端，所述出口段(3)垂直于所述轴线的截面自靠近所述收缩段(2)向远离所述收缩段(2)的方向从圆形过渡为椭圆形。
3.如权利要求2所述的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，其特征在于：所述入口段(1)的入口面积与出口段(3)的出口面积比值的范围为2～4。
4.如权利要求2所述的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，其特征在于：所述入口段(1)的轴线与其设置面的倾斜角度为15～30度。
5.如权利要求2所述的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，其特征在于：所述扩口段(1)的扩口直径为4mm～20mm。
6.如权利要求1所述的用于预旋冷却系统的气动孔型预旋喷嘴，其特征在于：所述收缩段(2)的锥角为30度～60度。
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