CN107795383A - 一种燃气轮机冷却气分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种燃气轮机冷却气分配系统，用一种较为简单的管路设计，实现冷却气周向均匀分布，同时也可以减少冷却气管路的重量和体积。燃气轮机冷却气分配系统的冷却管路具有多根结构相同的冲击管，从冲击管的初始入口端到盲端的距离是相等的，容易实现冷却气周向的均匀分布，并且减少了冲击管的长度，使得燃气轮机冷却气分配系统对冲击管的直径要求降低，即可以采用更小的管路直径，减轻了管路的重量。

Description

一种燃气轮机冷却气分配系统

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种燃气轮机冷却气分配系统。

背景技术

燃气轮机在不同的燃气温度下工作，温度变化取决于功率设置以及环境。这些不同温度的燃气会加热转子和机匣。由于转子和机匣具有不同的热膨胀特性，叶片叶尖和机匣之间的间隙(叶尖间隙)会随着发动机的工作状态变化而改变。发动机运行时，离心作用也会导致转子径向伸长。过大的叶尖间隙会降低燃气轮机的效率，过小的叶尖间隙会导致叶片和机匣内壁互相刮蹭。

为了防止这些情况的发生，非常有必要对燃气轮机机匣热膨胀进行控制。通常对机匣进行冷却可以防止这些现象的发生，此外，发动机运行期间机匣温度的降低还可以延长机匣的工作寿命。冷却气通过环绕机匣的冷却管路组建进行供给，以达到冷却空气环绕机匣均匀分布的效果。在间隙控制中需要冷却气的分布在周向具有较好的均匀性，以防止机匣在周向方向的变形不均匀。为了达到冷却气均匀分布的效果，通常需要较粗的供气管路，然而在燃气轮机，特别是航空发动机的设计与建造中，较粗的供气管路无法满足对设备体积与重量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机冷却气分配系统，用一种较为简单的管路设计，实现冷却气周向均匀分布，同时也可以减少冷却气管路的重量和体积。

为实现所述目的的燃气轮机冷却气分配系统，用于对所述燃气轮机的机匣进行冷却，包括冷却管路，所述冷却管路包括冲击管，所述冲击管包括第一冲击段、第二冲击段和第一连接段，所述第一冲击段与所述第二冲击段设置在垂直于所述机匣的轴向的面内，所述第一冲击段与所述第二冲击段沿所述机匣的轴向保持一定距离；所述第一冲击段与所述第二冲击段朝向所述机匣的一侧开设有用于冷却气流出的冲击孔7；

所述第一冲击段包括第一入口端和第一出口端，所述第二冲击段包括第二入口端；所述第一连接段一端连接所述第一出口端，另一端连接所述第二入口端；

所述冷却气能够从所述第一入口端流入所述第一冲击段，再从所述第一出口端流出所述第一冲击段，并且流入所述第一连接段，再从所述第一连接段经由所述第二入口端流入所述第二冲击段。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，所述冲击管的数量为多根，在所述机匣轴向的正投影面上，多根所述冲击管相对于所述机匣的中心轴呈旋转对称分布。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，所述第一冲击段和所述第二冲击段为圆弧段；多根所述冲击管的所述第一冲击段均位于第一圆周上且呈旋转对称分布；多根所述冲击管的所述第二冲击段均位于第二圆周上且呈旋转对称分布。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，在所述冷却气的流动路径上，所述冲击管还包括初始入口端和盲端，所述冷却气能够从所述初始入口端流入所述冲击管，并依次流经所述第一冲击段、所述第一连接段和所述第二冲击段，到达所述盲端。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，所述燃气轮机冷却气分配系统还包括集气腔和供气管，所述供气管的一侧与所述冷却气的来源连接，另一侧与所述集气腔连接；所述初始入口端与所述集气腔连接。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，在所述机匣轴向的正投影面上，所述第一冲击段与所述第二冲击段内的所述冷却气的流动方向同为逆时针方向或者同为顺时针方向。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，所述盲端设置在所述第二冲击段上。

所述的燃气轮机冷却气分配系统，其进一步的特点是，所述冲击管的数量为4根。

本发明的积极进步效果在于：本发明公开的燃气轮机冷却气分配系统，利用一种简单的旋转对称的结构形式，实现了燃气轮机冷却气周向均匀分布。同时由于冲击管的结构相同，在有多根冲击管的情况下，从冲击管的初始入口端到盲端的距离是相等的，容易实现冷却气周向的均匀分布，减少了冲击管的长度，使得燃气轮机冷却气分配系统对冲击管的直径要求降低，即可以采用更小的管路直径，减轻了管路的重量。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为燃气轮机冷却气分配系统的示意图；

图2为燃气轮机冷却气分配系统的轴向正视图；

图3为第一冲击段旋转分布示意图；

图4为第二冲击段旋转分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，图1至图4均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

在本发明中，轴向是指机匣4的轴心线A-A的方向，径向是指空间内经过轴心线A-A且垂直于轴向的方向，周向是指空间内垂直于机匣4轴向和径向的方向。沿机匣4轴向的正投影面是指图1中从右向左看的投影面。

如图1至图2所示，本发明提供一种燃气轮机冷却气分配系统，用于对燃气轮机的机匣4进行冷却，其特征在于，包括冷却管路，冷却管路包括冲击管1，冲击管1包括第一冲击段1a、第二冲击段1c和第一连接段1b，第一冲击段1a与第二冲击段1c设置在垂直于机匣4的轴向的面内，第一冲击段1a与第二冲击段1c沿机匣4的轴向保持一定距离L，即第一冲击段1a和第二冲击段1c分别设置在垂直于机匣4的中心轴A-A的第一平面和第二平面内，第一平面和第二平面保持一定的距离L；第一冲击段1a与第二冲击段1c朝向机匣4的一侧开设有用于冷却气流出的冲击孔7；

第一冲击段1a包括第一入口端1a-1和第一出口端1a-2，第二冲击段1c包括第二入口端1c-1；第一连接段1b一端连接第一出口端1a-2，另一端连接第二入口端1c-1；

冷却气能够从第一入口端1a-1流入第一冲击段1a，再从第一出口端1a-2流出第一冲击段1a，并且流入第一连接段1b，再从第一连接段1b经由第二入口端1c-1流入第二冲击段1c。

冲击孔7在燃气轮机冷却气分配系统属于惯常设计，其分布密封及孔径可根据需要的冷量来调节。第一冲击段1a、第二冲击段1c和第一连接段1b之间可以通过铸造一体成型，这样有助于保持管路的密封性，也可以通过接头的形式连接，方便拆卸和维护。冲击孔7可以通过冲压的方式开设在第一冲击段1a与第二冲击段1c朝向机匣4的一侧，以方便冷却气从冲击孔7喷出时对机匣4进行冷却。冲击孔7可以使用一种优选的非均匀布置形式，使得冷却气周向分布均匀。第一冲击段1a和第二冲击段1c优选为圆弧段。

通常，燃气轮机冷却气分配系统中的冷却管路的冲击段采用并联的形式，并联式的管道结构复杂，制造或者连接起来不方便。本发明中的管路形式简单，第一冲击段1a与第二冲击段1c之间为串联的连接方式，易于制造。并且，由于第一冲击段1a与第二冲击段1c存在一定的距离L，且距离L可根据机匣4外周面的不同来调节，这也提高了管路的适用性。

继续参考图1和图2，冲击管1的数量为多根，在沿机匣4轴向的正投影面上，多根冲击管1相对于机匣4的中心轴A-A呈旋转对称分布。冲击管1的数量优选为4根，也可以是3根或者5根或者其他数目。

把一个图形绕着一个定点旋转一个角度后，与初始图形重合，这种图形叫做旋转对称图形，这个定点叫做旋转对称中心，旋转的角度叫做旋转角。在沿机匣4轴向的正投影面上(图2所示)，多根冲击管1相对于机匣4的中心轴A-A呈旋转对称分布，即组成旋转对称图形(不考虑集气腔2和供气管3)。当冲击管1的数量优选为4根时，由多根冲击管1组成的旋转对称图形，绕中心轴A-A(即中心轴在正投影面上的点状投影)旋转90°就能够实现与初始图形的重合。

上述设计的好处在于，以具有4根冲击管1的冷却管路为例，其具有4根第一冲击段1a，该4根第一冲击段1a均位于第一圆周8上(如图3虚线所示)，且呈旋转对称分布。由于这四根第一冲击段1a除了分布位置以外，完全相同，因此在该圆周上，从冲击孔7喷射出来的冷却气的状态是完全相同的。此外，在同一个圆周上安排四根第一冲击段1a的设计，相对于一个圆周上只安排一根或者两根冲击管(该一根或者两根冲击管包围整个机匣)的设计，可以减少冷却气从第一冲击段1a的第一入口端1a-1到第一出口端1a-2所流动的距离。因此，对于某一根第一冲击段1a来说，冷却气流动的距离减少代表着冷却气在该第一冲击段1a内所受的阻力损失小，于是在推送冷却气的管路压头一定的情况下，可以采用直径更小的冲击管1并获得相同的冷却效果。第二冲击段1c位于第二圆周9上(如图4虚线所示)。实验表明：采用本发明所提出的燃气轮机冷却气分配系统，由于可以采用更快的气体流速，冷却管路的直径可以减少50％，重量可以减少75％。

继续参考图2，在冷却气的流动路径上，冲击管1还包括初始入口端5和盲端6，冷却气能够从初始入口端5流入冲击管1，并依次流经第一冲击段1a、第一连接段1b和第二冲击段1c，到达盲端6。初始入口端5和盲端6可以包括多根第一冲击段1a、第一连接段1b和第二冲击段1c，盲端6可以设置在第二冲击段1c冷却气流动的末端。

冲击管1可以包括除第一冲击段1a、第二冲击段1c之外的其他冲击段，且其他冲击段的数量不做限定，可以根据机匣4的长度来设置。其他冲击段之间的连接或者其他冲击段与第一冲击段1a和第二冲击段1c之间的连接均是通过连接段来连接。如图2所示，冲击管1还包括冲击段1d，冲击段1d的出口与第一冲击段1a的第一入口端1a-1通过连接段连接，冲击段1d的入口为冲击管1的初始入口端5。

燃气轮机冷却气分配系统还包括集气腔2和供气管3，供气管3的一侧与冷却气的来源连接，另一侧与集气腔2连接；初始入口端5与集气腔2连接。集气腔2形状优选为环形且具有较大流通截面，以保证在具有多根冲击管1时，进入到每根冲击管1的初始入口端5的冷却气具有相同的流体参数。

图1中机匣4的形状为梯形，但也可以是圆柱形等其他具有轴心线的形状，在此不做限制。冷却管路随机匣4的形状的变化而变化。

继续参考图2，在机匣4轴向的正投影面上，第一冲击段1a与第二冲击段1c内的冷却气的流动方向同为逆时针方向或者同为顺时针方向。

本发明的积极进步效果在于：本发明公开的燃气轮机冷却气分配系统，利用一种简单的旋转对称的结构形式，实现了燃气轮机冷却气周向均匀分布。同时由于冲击管的结构相同，在有多根冲击管的情况下，从冲击管的初始入口端到盲端的距离是相等的，容易实现冷却气周向的均匀分布，并且减少了冲击管的长度，使得燃气轮机冷却气分配系统对冲击管的直径要求降低，即可以采用更小的管路直径，减轻了管路的重量。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机冷却气分配系统，用于对所述燃气轮机的机匣(4)进行冷却，其特征在于，包括冷却管路，所述冷却管路包括冲击管(1)，所述冲击管(1)包括第一冲击段(1a)、第二冲击段(1c)和第一连接段(1b)，所述第一冲击段(1a)与所述第二冲击段(1c)设置在垂直于所述机匣(4)的轴向的面内，并且沿所述机匣(4)的轴向保持一定距离(L)；所述第一冲击段(1a)与所述第二冲击段(1c)朝向所述机匣(4)的一侧开设有用于冷却气流出的冲击孔(7)；

所述第一冲击段(1a)包括第一入口端(1a-1)和第一出口端(1a-2)，所述第二冲击段(1c)包括第二入口端(1c-1)；所述第一连接段(1b)一端连接所述第一出口端(1a-2)，另一端连接所述第二入口端(1c-1)；

所述冷却气能够从所述第一入口端(1a-1)流入所述第一冲击段(1a)，再从所述第一出口端(1a-2)流出所述第一冲击段(1a)，并且流入所述第一连接段(1b)，再从所述第一连接段(1b)经由所述第二入口端(1c-1)流入所述第二冲击段(1c)。

2.如权利要求1所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，所述冲击管(1)的数量为多根，在所述机匣(4)轴向的正投影面上，多根所述冲击管(1)相对于所述机匣(4)的中心轴(A-A)呈旋转对称分布。

3.如权利要求2所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，所述第一冲击段(1a)和所述第二冲击段(1c)为圆弧段；多根所述冲击管(1)的所述第一冲击段(1a)均位于第一圆周(8)上且呈旋转对称分布；多根所述冲击管(1)的所述第二冲击段(1c)均位于第二圆周(9)上且呈旋转对称分布。

4.如权利要求2所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，在所述冷却气的流动路径上，所述冲击管(1)还包括初始入口端(5)和盲端(6)，所述冷却气能够从所述初始入口端(5)流入所述冲击管(1)，并依次流经所述第一冲击段(1a)、所述第一连接段(1b)和所述第二冲击段(1c)，到达所述盲端(6)。

5.如权利要求4所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，所述燃气轮机冷却气分配系统还包括集气腔(2)和供气管(3)，所述供气管(3)的一侧与所述冷却气的来源连接，另一侧与所述集气腔(2)连接；所述初始入口端(5)与所述集气腔(2)连接。

6.如权利要求2所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，在所述机匣(4)轴向的正投影面上，所述第一冲击段(1a)与所述第二冲击段(1c)内的所述冷却气的流动方向同为逆时针方向或者同为顺时针方向。

7.如权利要求4所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，所述盲端(6)设置在所述第二冲击段(1c)上。

8.如权利要求2所述的燃气轮机冷却气分配系统，其特征在于，所述冲击管(1)的数量为4根。