CN107727258B - 一种探针强化冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可应用于地面燃气轮机、航空发动机等领域的探针强化冷却结构，其中的探针冷却挡板采用钣金成型的方式，焊接在探针伸入主流通道的端壁对应位置。一方面，利用挡板自身的高度，挡住来流的高温、高速流体；另一方面，受遮挡的探针受感部周围受到其伸入孔附近低温二股气流的包裹，实现探针受感部的冷却降温目的；第三点，带有一定高度的挡板会在其下游造成气流的回流流动区域，这种局部气流的大回流区域会伴随着气流静压力的降低，从而使得端壁位置处探针伸入孔外部的冷却二股气流可以顺利的引射入主流通道中。挡板的高度设计参数，将决定这股引射二股冷却气流的引射深度及强度，从而实现不同插入深度探针的最优强化冷却效果。

Description

一种探针强化冷却结构
技术领域
本发明属于燃气轮机、航空发动机等领域，具体涉及一种用于燃气轮机、航空发动机等领域的探针强化冷却结构。
背景技术
主流内气体参数的稳定测量是在燃气轮机以及航空发动机领域均有重要实际工程意义的基础科学问题。为了检测机器的运行状态或评估部件的效率衰减情况，往往不可避免的需要在一些截面位置设置温度压力的测量探针。
在以往燃气轮机、航空发动机的结构设计中，探针在主流通道内的测量往往采用直插的方式，即：测量探针的受感部测头直接通过机匣外环端壁的孔洞插入主流通道中，受主流气流的冲击，气流在受感部圆柱杆处滞止，从而导致受感部及测头位置的金属壁面温度增加。这将导致受感部的使用寿命显著缩短，甚至影响测量信号的引出以及测量结果的准确性。
针对传统设计方案中所面临的问题，迫切需要提出一种工程上可行、可实现插入主流内受感部寿命延长的探针冷却结构布局方案。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，为解决探针受感部伸入主流通道内测头受主流气流的冲击而温度过高的问题，本发明旨在提供一种新型的探针强化冷却结构布局方案，作为一种新颖的结构设计，可在燃气轮机、航空发动机等领域中应用。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种探针强化冷却结构，机匣端壁上设有探针，所述探针的受感部穿过机匣端壁位置的受感部伸入孔伸入到主流通道内部，所述机匣端壁的外侧为二次流冷却气体，其特征在于，
所述探针受感部与受感部伸入孔之间设有环缝间隙，
所述机匣端壁的内表面大致对应所述受感部伸入孔的位置设置有探针冷却挡板，所述探针冷却挡板整体大致呈U形结构，包括前挡板及左右两侧板，所述前挡板位于所述探针受感部的上游，所述左右两侧板位于所述探针受感部的左右两侧，并且所述前挡板至少基本垂直于高温主流的气流方向，所述左右两侧板至少基本平行于高温主流的气流方向，
所述探针冷却挡板具有一定的高度，所述高度至少能够使主流气体在所述探针冷却挡板的后侧形成回流及低静压流动区域，使得位于所述机匣端壁外侧的二次流冷却气体在气流的引射效应下，从所述探针受感部与受感部伸入孔之间的环缝间隙引射入主流通道内，使得所述探针受感部周围受到二次流冷却气体的包裹，形成对所述探针受感部的强化冷却，并可降低测头位置的金属壁面温度。
本发明的探针强化冷却结构中，探针冷却挡板位于探针受感部上游，利用挡板对受感部上游高温气流的阻碍效应及其在挡板后形成气流的低静压流动区域，实现受感部伸入孔与受感部环缝间冷却二次流的引射效果，最终达到受感部冷却降温的效果。
优选地，所述探针冷却挡板采用钣金成型的方式，焊接在探针伸入主流通道的端壁对应位置。
优选地，所述探针冷却挡板的展开型线可采用复杂弯曲型的型式或者锥形，成型后焊接至需要伸入受感部的端壁位置处，实现轻质薄板材的刚度增加效应，避免在气流激振作用力下，挡板发生声学疲劳失效。
优选地，所述探针冷却挡板可采用厚度为0.5～1.2mm的板材经钣金成型而成，最终实现结构的轻质化设计目标。
优选地，所述探针冷却挡板的周向宽度尺寸为所述探针受感部直径的1.2～1.5倍，以尽量减少所述探针冷却挡板对主流的干扰，降低气流损失。
优选地，所述探针冷却挡板的高度尺寸应选择在2mm～5mm的范围内，以尽量降低所述探针冷却挡板后回流区域的影响深度，避免气流在径向范围内产生大的不均匀性，从而影响下游流场的均匀性。优选地，当探针受感部伸入主流通道的径向高度过高(譬如：需要测量主流通道中部或者内环端壁的流动参数)，此时所述探针冷却挡板的高度尺寸应当选择的较大，保证在高度范围内，挡板后形成较大的回流区域范围，从而实现冷却二次流较深的引射气流深度，满足长受感部的冷却深度要求。
优选地，在地面燃气轮机或航空发动机中，所述探针冷却挡板应当应用在采用多级轴流压气机的末级压气机位置或者热端部件位置(如涡轮、尾喷管等截面位置)，实现所述探针冷却挡板后冷却气流的引射效果及其所伴随的冷气对探针受感部的强化冷却效果。
优选地，所述探针冷却挡板应当选择耐温能力较强的高强度不锈钢板材或者高温合金板材。
优选地，所述探针冷却挡板与机匣端壁应当采用氩弧焊，同时按照II类焊缝进行检测，保证其焊接强度，避免焊缝在长期使用环境下失效。
优选地，所述探针冷却挡板与机匣端壁之间的连接处应采用倒圆或类似结构进行光顺处理。
同现有技术相比，本发明的探针强化冷却结构，通过设置在探针受感部上游的探针冷却挡板结构，利用挡板对受感部上游高温气流的阻碍效应及其在挡板后形成气流的低静压流动区域，实现受感部伸入孔与受感部环缝间冷却二次流的引射效果，最终达到受感部冷却降温的效果，具有轻质、结构简单、加工成本低以及可实现探针受感部冷却降温的效果，因而具有工程化应用的巨大前景。
附图说明
图1为本发明的探针强化冷却结构应用于涡轮过渡段内的结构示意图。
图2为图1的局部放大示意图。
图3为对应图1的立体结构示意图。
图中：
1：探针冷却挡板；
2：外环机匣端壁；
3：探针受感部；
4：内支板；
5：探针伸入孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
图1、2是本发明的探针强化冷却结构应用于涡轮过渡段内的结构示意图。可以看到，在该实用实例中，外环机匣端壁2上设有探针，探针受感部3从过渡段外环机匣端壁2位置的受感部伸入孔5伸入到主流通道内部，探针受感部3与受感部伸入孔5之间设有环缝间隙，外环机匣端壁2的外侧为二次流冷却气体。同时，在探针伸入孔5上游位置处布置探针冷却挡板1。探针冷却挡板1整体大致呈U形结构，包括前挡板及左右两侧板，前挡板位于探针受感部3的上游，左右两侧板位于探针受感部3的左右两侧，并且前挡板至少基本垂直于高温主流的气流方向，左右两侧板至少基本平行于高温主流的气流方向。
探针冷却挡板1具有一定的高度，探针冷却挡板1利用其高度和宽度实现对探针受感部3近端壁部位的遮挡。此时，由于主流通道内气流受到冷却挡板1的阻挡，因此，会在挡板1后形成回流区域，该回流区域同时也是气流的低静压流动区域。因此，位于过渡段外环端壁2主流外侧的二次流冷却气体会在气流的引射效应下，从探针受感部3与受感部伸入孔的环缝间隙之间引射入主流通道内，从而形成对探针受感部3的强化冷却效果，并可降低测头位置的金属壁面温度。探针冷却挡板1凸出外环机匣端壁的高度尺寸既影响了挡板后回流区域的大小，也决定了冷却二次流引射的径向深度范围，从而会对探针一定深度范围内的受感部头部实现有效保护。
探针冷却挡板1可采用厚度为0.5～1.2mm的不锈钢或者高温合金板材经钣金成型而成，焊接在探针伸入主流通道的端壁对应位置，最终实现结构的轻质化设计目标。探针冷却挡板1与机匣端壁应当采用氩弧焊的焊接方法，同时按照II类焊缝进行检测，保证其焊接强度，避免焊缝在长期使用环境下失效。探针冷却挡板1与机匣端壁之间的连接处应采用倒圆或类似结构进行光顺处理。
探针冷却挡板1展开结构可采用复杂弯曲型的型式或者锥形，成型后焊接至需要伸入受感部的端壁位置处。实现轻质薄板材的刚度增加效应，避免在气流激振作用力下，挡板发生声学疲劳失效。
探针冷却挡板1的周向宽度尺寸为所述探针受感部直径的1.2～1.5倍，以尽量减少挡板对主流的干扰，降低气流损失。探针冷却挡板1的高度尺寸应选择在2～5mm的范围内，以尽量降低挡板后回流区域的影响深度，避免气流在径向范围内产生大的不均匀性，从而影响下游流场的均匀性。当探针受感部伸入主流通道的径向高度过高(譬如：需要测量主流通道中部或者内环端壁的流动参数)，此时挡板的高度尺寸应当选择的较大，保证在高度范围内，挡板后形成较大的回流区域范围，从而实现冷却二次流较深的引射气流深度，满足长受感部的冷却深度要求。
为了更加清楚地展示图1所述的发明实用例，图3展示了图1的立体结构示意图。探针受感部3及探针冷却挡板1的周向布局方案需要与过渡段内的支板4协同优化设计考虑，实现主流通道内气动性能的优化。
需要说明的是，不同实用例中的具体结构型式设计和挡板选材，应综合考虑发动机总体性能及部件流场特性的要求。重点评估挡板结构对相应部件主流通道内部的影响程度。应用环境的不同将会导致挡板结构设计的具体型式发生改变。在实际应用例中应根据实际的需要进行细致分析，最终确认该结构的全部设计参数。
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 (11)

1.一种应用于地面燃气轮机、航空发动机的探针冷却结构，机匣端壁上设有探针，所述探针的受感部穿过机匣端壁位置的受感部伸入孔伸入到主流通道内部，所述机匣端壁的外侧为二次流冷却气体，其特征在于：
所述探针受感部与受感部伸入孔之间设有环缝间隙，
所述机匣端壁的内表面大致对应所述受感部伸入孔的位置设置有探针冷却挡板，所述探针冷却挡板整体大致呈U形结构，包括前挡板及左右两侧板，所述前挡板位于所述探针受感部的上游，所述左右两侧板位于所述探针受感部的左右两侧，并且所述前挡板至少基本垂直于高温主流的气流方向，所述左右两侧板至少基本平行于高温主流的气流方向，
所述探针冷却挡板具有一定的高度，所述高度至少能够使主流气体在所述探针冷却挡板的后侧形成回流及低静压流动区域，使得位于所述机匣端壁外侧的二次流冷却气体在气流的引射效应下，从所述探针受感部与受感部伸入孔之间的环缝间隙引射入主流通道内，使得所述探针受感部周围受到二次流冷却气体的包裹，形成对所述探针受感部的强化冷却，并可降低测头位置的金属壁面温度。
2.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板采用钣金成型的方式，钣金厚度在0.5mm～1.2mm之间。
3.根据权利要求2所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板自身的展开型线设计应采用复杂型线或各类锥形型式，以提高挡板的刚性，避免通道内主流气流沿挡板表面流动的过程中对挡板形成激振，并引发声学或各类疲劳失效的故障。
4.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板的周向宽度尺寸应选择在1.2倍～1.5倍的受感部直径尺寸范围内。
5.根据权利要求4所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板的高度尺寸应选择在2mm～5mm的范围内，但尽量降低挡板后回流区域的影响深度，避免气流在径向范围内产生大的不均匀性，从而影响下游流场的均匀性。
6.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，当探针受感部伸入主流通道的径向高度过高，此时挡板的高度尺寸应当选择的较大，保证在高度范围内，挡板后形成较大的回流区域范围，从而实现冷却二次流较深的引射气流深度，满足长受感部的冷却深度要求。
7.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板应当应用在燃气轮机或航空发动机多级轴流压气机的后面级位置，或者应用在燃气轮机或航空发动机热端部件的截面位置。
8.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板采用钣金成型的方式，焊接在探针伸入主流通道的端壁对应位置。
9.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板应当选择耐温能力较强的高强度不锈钢板材或者高温合金板材。
10.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板与机匣端壁应当采用氩弧焊，同时按照II类焊缝进行检测，保证其焊接强度，避免焊缝在长期使用环境下失效。
11.根据权利要求1所述的探针冷却结构，其特征在于，所述探针冷却挡板与机匣端壁之间的连接处应采用倒圆或类似结构进行光顺处理。
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