CN105927288A - 一种转子件凸台式周期性压力波产生装置 - Google Patents

一种转子件凸台式周期性压力波产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子件凸台式周期性压力波产生装置，由静子盘和转子盘组成；静子盘为凹形圆盘结构，静子盘端壁上依中心轴孔周向等间距分布多个相同的进气孔，静子盘周向侧壁上有若干相同的出气孔，静子盘安装在转轴上。转子盘与转轴为一体结构，转子盘一端面为平面，另一端面凸出部分周向均布若干凸台,且转子盘上凸台与静子盘上出气孔位置对应，转子盘与静子盘之间形成输入输出冷却气流道。从进气孔流入的压力稳定的气流转化为压力随时间呈现压力波动特征的气流，并呈现周期性规律变化，携带周期性压力波动特征的气流具有较高的传热速率和气流的换热效果。压力波产生装置适应于高温部件复杂工作环境，实用效果好，应用范围广。

Description

一种转子件凸台式周期性压力波产生装置
技术领域
本发明涉及涡轮叶片冷却技术，具体地说，涉及一种转子件凸台式周期性压力波产生装置。
技术背景
燃气轮机或航空发动机是一种重要的动力装置，广泛应用于发电、舰船推进、飞机推进各领域。涡轮是燃气轮机或航空发动机的重要部件之一，提高涡轮前进口温度是增加燃气轮机或航空发动机输出功率和工作效率的有效措施。目前涡轮进口温度已达到了2000K左右，远远超过制造涡轮叶片材料的耐温极限，因此必须对涡轮叶片采取冷却技术，以保证涡轮工作的可靠性和稳定性，其主要措施是从压气机抽气对涡轮叶片进行冷却。先进的冷却技术，可以使用较少冷却气体达到冷却目地，从而有更多的气体参与燃烧并对涡轮做功。
文献Influence of Near Hole Pressure Fluctuation on the ThermalProtection of a Film-Cooled Flat Plate(J.Heat Transfer.2009；131(2):022202-022202-11.)的研究表明，在波动频率较大的情况下，携带周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有非常好的保护作用，具有比气膜孔稳压射流更好的出流特性和气膜冷却效率；Scaling of Convective Heat Transfer Enhancement Due to Flow Pulsation inan Axisymmetric Impinging Jet(J.Heat Transfer.2013；135(11):111012-111012-10.)中研究表明在有效控制雷诺数和频率的条件下，波动射流对强化对流换热具有非常好的效果；Heat transfer enhancement in the oscillating turbulent flow of a plusecombustor tail pipe[J](Int.J.Heat,1992,35:2311-2325)研究了波动燃烧器出口气流换热特性，发现波动频率f约为80Hz的波动气流能大幅度提高系统的换热效率；在文献“层流中脉动气流横掠平板强化传热[J]”(化工学报,2012,06:1717-1722)的研究表明，携带压力波动地气流，波动气流有效地强化了等热通量平面的换热性能，同时也增强了气流内部的热传递。
目前涡轮叶片的冷却技术，主要是在稳定压力或流量供气条件下，气流从气膜孔喷出叶片表面后进行气膜冷却，但仍未达到气体的利用极限。从目前国内外的研究结果表明，携带周期性压力波动特征的气流具有较高的换热效果，如果将其应用到燃气轮机或航空发动机涡轮高温部件中，在叶片内部冷却通道具有较高的传热速率，压力波气流在从气膜孔喷出叶片表面后具有较高的气膜冷却效果，将带来气膜冷却技术的革新。同时，如果将这种携带周期性压力波动特征的气流加载到换热器中，也将大幅提升换热器的换热效果。
但是目前国内外大部分研究的压力波动供气都来源于压气机产生的波动气流，一方面压气机波动气流在绕过燃烧室进入涡轮叶片内部后，压力波动损失比较大；另一方面，这种压力波动特性并不可控，并不能应用于燃气涡轮获得最理想的换热、冷却效果。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种转子件凸台式周期性压力波产生装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括静子盘、转子盘、转轴，所述静子盘为凹形圆盘结构，静子盘端壁上依中心轴孔周向等间距分布多个相同的进气孔，静子盘侧壁周向均布若干相同的径向出气孔，静子盘安装在转轴上；所述转子盘与转轴为一体结构，转子盘一端面为平面,另一端面凸出部分周向均布若干凸台,且转子盘上凸台与静子盘上出气孔位置相对应,转子盘与静子盘之间形成输入输出冷却气流道。
所述静子盘上的进气孔至少为2个，进气孔孔型为圆形或者半圆弧形；出气孔孔型为圆形或者椭圆形。
所述转子盘与所述静子盘外径相等；转子盘上的凸台与静子盘上的出气孔数量相等。
所述转子盘上凸台的形状为梯形或者平头楔形。
在涡轮盘腔中，将转子盘带有凸台结构的盘面与静子盘内壁面的出气孔位置对应，使得进入转子盘与静子盘之间形成输入输出冷却气流道的气流的压力随时间呈现压力波动的特征，并呈现周期性的变化规律。一部分气流A从进气孔进入盘腔内部，气流A的压力是相对稳定的。在气流A进入盘腔内部后，由于离心力和压差的作用，气流A开始向远离转轴的方向扩散，转化为气流B的流动状态。当气流流动到出气孔附近时，对于每一个出气孔而言，由于转子盘的转动作用，转子盘上周向均布的凸台不断地挤压出气孔附近的气流，最终压力稳定的气流B转化为具有周期性压力波动的气流C。气流C从出气孔输出，用于被冷却部件的冷却流体，并携带着周期性压力波动。
有益效果
本发明提出的一种转子件凸台式周期性压力波产生装置，利用转子盘内壁上的凸台和静子盘上的出气孔周期性的作用，将原本压力稳定的气流转化为周期性压力波动的气流，携带周期性压力波动特征的气流具有较高的换热效果。一方面可用于燃气轮机或航空发动机涡轮高温部件内壁或者外表面的气膜冷却，压力波气流从气膜孔喷出叶片表面后具有较高的气膜冷却效果，对于高温部件复杂工作环境有更好的适应性；另一方面还可应用到换热器中，直接为换热器带来非常好的换热效果。
本发明转子件凸台式周期性压力波产生装置为独立的周期性压力波产生装置，实用效果好，工程应用范围广泛。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种转子件凸台式周期性压力波产生装置作进一步详细说明。
图1为转子件凸台式周期性压力波产生装置结构半剖轴测图。
图2为转子件凸台式周期性压力波产生装置轴向剖视图。
图3为转子件凸台式周期性压力波产生装置的气流进出口部位结构放大图。
图4为转子件凸台式周期性压力波产生装置的静子盘立体图。
图5为转子件凸台式周期性压力波产生装置的转子盘立体图。
图6为转子件凸台式周期性压力波产生装置的转子盘凸台示意图。
图中:
1.静子盘 2.转子盘 3.转轴 4.进气孔 5.出气孔 6.凸台
A.流入盘腔内压力稳定的气流 B.盘腔内部气流 C.具有周期性压力波动的气流
具体实施方式
本实施例是一种转子件凸台式周期性压力波产生装置。
参阅图1～图6，本实施例转子件凸台式周期性压力波产生装置，由静子盘1、转子盘2、转轴3组成；静子盘1为凹形圆盘结构，静子盘1端壁上依中心轴孔周向等间距分布多个相同的进气孔4，静子盘1侧壁周向均布若干相同的径向出气孔5，静子盘1上的进气孔4至少为2个，进气孔4的孔型为圆形或者半圆弧形；出气孔5的孔型为圆形或者椭圆形；静子盘1安装在转轴3上。转子盘2与转轴3为一体结构，转子盘2一端面为平面,转子盘2另一端面凸出部分周向均匀分布有若干凸台6,转子盘上凸台6的形状为为梯形或者平头楔形。转子盘2与静子盘外径相等。转子盘上的凸台6与静子盘上的出气孔5数量相等,且转子盘2上凸台与静子盘1上出气孔5位置相对应,转子盘2与静子盘1之间形成输入输出冷却气流道。
本实施例转子件凸台式周期性压力波产生装置在工作过程中，静子盘1为装置中固定不动的部分，在静子盘1端面上周向分布有多个进气孔4，一部分气流A从进气孔4进入盘腔内部，气流A的压力是相对稳定的，进气孔4的孔型为圆形或者半圆弧形，进气孔4至少为2个。在气流A进入盘腔内部后，由于离心力和压差的作用，气流A开始向远离转轴3的方向扩散，转化为气流B的流动状态。当气流流动到出气孔5附近时，对于每一个出气孔5而言，由于转子盘2的转动作用，转子盘上周向均匀分布间歇的凸台6不断地挤压出气孔5附近的气流，最终压力稳定的气流B转化为具有周期性压力波动的气流C。气流C从出气孔5流出，用于被冷却高温部件冷却系统的冷却流体，并携带周期性压力波动。
转子件凸台式周期性压力波产生装置固定在发动机涡轮盘腔附近，一方面，压力波动气流通过出气孔在进入叶片内部后，在叶片内部冷却通道具有较高的传热速率，压力波气流从气膜孔喷出在叶片表面具有较高的气膜冷却效果，提高叶片工作可靠性及寿命；或在相同寿命条件下，大幅度节约冷却气流的使用量。另一方面，由于出气孔固定的作用，具有较高换热效果的压力波动气流可直接通过受气孔连接换热器内部换热通道，或者直接输送到电子冷却设备部件中进行冷却，工程应用范围较为广泛。
实施例1
本实施例中，转子件凸台式周期性压力波产生装置的静子盘直径为490mm，轴向宽度为130mm；其中，进气孔心距离轴心距离为50mm，进气孔直径为25mm，本实施例中进气孔为6个且周向均匀分布,进气孔长度为30mm；出气孔长度为25mm，直径为5mm；本实施例中静子盘侧壁周向均布的出气孔为16个。转子盘中,转轴直径为52mm，转子盘凸出部分直径为285mm，宽度为50mm；转子盘端面为平面部分的直径为490mm，轴向宽度为30mm。其中，凸台底面为曲面矩形，弧面角θ为20°，其底面尺寸中弧长L1为49.7mm，距轴心距离为142.5mm；顶面为平面矩形，其距离转轴轴心为192.5mm，宽L2为20mm；底面和顶面的轴向宽度Z为50mm。本实施例中转子盘凸台为16个；转子盘和静子盘之间间隙为1mm。
从对现有几何模型数值模拟的计算结果看出，本实施例在气流压力为20bar的基础上，能产生较大波动幅值的压力波动。将此压力波动条件应用于涡轮叶片气膜孔二次流射流中，与稳压情况下对比发现，周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有很好地保护作用和很好地贴壁性；对主流下游的气膜具有更好地持续性和气膜冷却效率；对叶片以及涡轮工作性能的提升作用显著。将压力波动条件应用到涡轮叶片内部冷却通道或者换热器内部通道中，对通道的气流流动结构有所改善，对整体冷却或换热效果有明显的提高，周期性压力波动的应用效果显著，工程应用范围广。
实施例2
本实施例中，转子件凸台式周期性压力波产生装置的静子盘直径为490mm，轴向宽度为130mm；其中，进气孔心距轴心距离为50mm，进气孔直径为25mm，本实施例中静子盘上的进气孔为8个且周向均匀分布，进气孔长度为30mm；出气孔长度为15mm，直径为10mm；本实施例中静子盘侧壁周向均布的出气孔为32个。转子盘中,转轴直径为52mm，转子盘凸出部分直径为285mm，宽度为50mm；转子盘端面为平面部分的直径为490mm，轴向宽度为30mm。其中，凸台底面为曲面矩形，弧面角θ为20°，其底面尺寸中弧长L1为49.7mm，距轴心距离为142.5mm；顶面为平面矩形，其距离转轴轴心为192.5mm，宽L2为20mm；底面和顶面的轴向宽度Z为50mm。本实施例中转子盘凸台为16个；转子盘和静子盘之间间隙为2mm。
从对现有几何模型数值模拟的计算结果看出，本实施例在气流压力为20bar的基础上，能产生较小波动幅值的压力波动。将压力波动条件应用到涡轮叶片气膜孔二次流射流中，与稳压情况对比，周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有更好的保护作用和贴壁性，具有更好的气膜冷却效率；相比于波动幅值较大的压力波动，压力波动较小的气膜孔出口具有更宽的气膜覆盖效果，对叶片以及涡轮工作性能的提升作用显著。将压力波动条件应用到涡轮叶片内部冷却通道或者换热器内部通道中，对通道的气流流动结构有所改善，对整体冷却或换热效果有明显的提高。周期性压力波动的应用效果显著，工程应用范围广。

Claims (4)

1.一种转子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:包括静子盘、转子盘、转轴，所述静子盘为凹形圆盘结构，静子盘端壁上依中心轴孔周向等间距分布多个相同的进气孔，静子盘侧壁周向均布若干相同的径向出气孔，静子盘安装在转轴上；所述转子盘与转轴为一体结构，转子盘一端面为平面,另一端面凸出部分周向均布若干凸台,且转子盘上凸台与静子盘上出气孔位置相对应,转子盘与静子盘之间形成输入输出冷却气流道。
2.根据权利要求1所述的转子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述静子盘上的进气孔至少为2个，进气孔孔型为圆形或者半圆弧形；出气孔孔型为圆形或者椭圆形。
3.根据权利要求1所述的转子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述转子盘与所述静子盘外径相等；转子盘上的凸台与静子盘上的出气孔数量相等。
4.根据权利要求1所述的转子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述转子盘上凸台的形状为梯形或者平头楔形。
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