CN108180076B - 一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构，喷嘴主要由两部分组成，即高半径位置一圈喷嘴和低半径位置一圈喷嘴。气流从进气腔进入高低两排喷嘴，并以一定角度进入转静腔。本发明广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机高温部件冷却系统中，其有益效果在于：本发明提出的用于预旋系统的双排预旋喷嘴，和普通单排预旋喷嘴相比，能增加喷嘴进气的总面积，减小喷嘴内气流的落后角，提高喷嘴的流量系数，预旋喷嘴在获得较大的无量纲温降的同时，能改善转盘低半径处的换热，从而降低转盘的温度梯度，可实现冷却系统流量可调性。

Description

一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构
技术领域
本发明涉及旋转涡轮机械(航空发动机和地面燃气轮机等)空气系统中的预旋冷却技术领域，涉及一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构。
背景技术
近年来，航空发动机循环参数的不断提高，尤其是涡轮前燃气温度的增大，使得发动机涡轮盘、涡轮叶片等热端部件的热负荷急剧增大，其寿命和安全工作的可靠性受到严重制约。预旋喷嘴是预旋系统的重要组成元件，其作用是提供冷却气体，为发动机涡轮盘和涡轮叶片进行冷却，并为盘缘封严等部位提供封严气体，从而延长叶片的使用寿命及可靠性。
高压气体从压气机引出后，经过预旋喷嘴膨胀加速，产生与涡轮盘旋转方向相同的周向分速度，降低气流与转盘的相对速度，从而降低气流相对于涡轮盘的相对总温，降低涡轮盘和涡轮叶片的温度，提高冷却效果。
早期国内外研究人员设计的喷嘴主要是直圆孔喷嘴，但随着高压涡轮叶片冷却空气需求量的急剧增大，喷嘴的面积不断增大，喷嘴面积过大加剧了预旋气流速度方向落后于预旋角的情况。在此基础上，研究人员设计了一种气动孔型喷嘴，气动孔型喷嘴在喷嘴入口处气流偏转角度减小，这种喷嘴能够降低气流在喷嘴入口处的流速，大大减小喷嘴的流动损失，提高流量系数，由于气动孔型喷嘴入口面积比出口面积大，周向布置个数受到入口面积的制约。为了获得更好的预旋降温效果，研究人员采用预旋喷嘴径向位置较高的设计方法，此方法可以得到较大的无量纲温降，但是当预旋喷嘴位于高位时，转静盘腔低半径位置的换热较差，在涡轮盘表面形成较大的温度梯度。
发明内容
为了克服现有喷嘴入口面积的制约，以及转盘低半径位置换热差的问题，本发明提出一种在转静盘腔的静盘低半径位置上增设一排预旋喷嘴。
本发明所采用的技术方案是：转静盘腔的静盘高半径位置处和低半径位置处分别开设两排预旋喷嘴，每排预旋喷嘴沿圆周均匀布置，气流从进气腔分别通过高低半径位置两排喷嘴流入转静盘腔。
所述两排预旋喷嘴的预旋角相同，范围为10度～90度，高低半径位置喷嘴的出口分别位于盘腔的上下两半部分，其周向位置相同或不同。
具体方案如下：一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构，包括两排喷嘴，分别为位于高半径位置的高半径喷嘴和位于低半径位置的低半径喷嘴，每排喷嘴各自沿周向均匀布置，气流从进气腔分别通过高、低半径位置的两排喷嘴流入转静盘腔。
进一步的，相邻两个高半径喷嘴和低半径喷嘴之间的周向夹角β3为0°～180°。
进一步的，所述两排喷嘴与下游盘面的夹角θ即预旋角相同，θ为10°～90°。
进一步的，所述高半径喷嘴和低半径喷嘴的出口分别位于转静盘腔的上下两半部分。
进一步的，该双排喷嘴的结构为包括圆孔型、叶栅型、渐缩型和气动孔型在内的所有类型的喷嘴结构。
进一步的，所述喷嘴与上游、下游盘面做倒角处理。
进一步的，每两个高半径喷嘴之间夹角β1，每两个低半径喷嘴之间夹角β2，β1与β2的范围为0°～180°。
进一步的，高半径喷嘴的旋转半径r1，低半径喷嘴的旋转半径r2，r1＞r2。
进一步的，双排喷嘴模型中，高半径喷嘴径向位置r1＝135mm，低半径喷嘴径向位置r2＝110mm，每排36个喷嘴；预旋角θ为30°。
有益效果：本发明提出的用于冷气预旋系统的双排喷嘴，和普通单排预旋喷嘴相比，能增加喷嘴进气的总面积，减小喷嘴内气流的落后角，提高喷嘴的流量系数。由于预旋喷嘴在高半径和低半径位置处均有分布的特点，使得喷嘴在获得较大的无量纲温降的同时，能改善转盘低半径处的换热，从而降低转盘的温度梯度，减小热应力。当喷嘴总面积、喷嘴预旋角度相同时，双排预旋喷嘴相比于单排喷嘴，供气孔总流量增大，转盘表面低半径位置的努塞尔数显著增大，温度显著降低。双排喷嘴结构可以实现冷气流量的可调性，高低半径喷嘴可从压气机不同部位引气，在飞机的不同飞行状态下到达最佳的经济型。
附图说明
图1是本发明双排预旋喷嘴结构示意图。
图2是出口截面轮廓图。
图3是本发明双排预旋喷嘴部分结构示意图。
图4是单个预旋喷嘴放大示意图。
图中：
1.高半径喷嘴，2.低半径喷嘴，4.转静盘腔，5.出口，6.转盘，7.高半径喷嘴出口轮廓，8.低半径喷嘴出口轮廓，9.喷嘴下游盘面，10.喷嘴固体域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
本实施例是一种用于预旋系统中的双排预旋喷嘴，包括高半径位置一圈的高半径喷嘴1、低半径位置一圈的低半径喷嘴2。气流从进气腔分别通过高低半径位置两排喷嘴流入转静盘腔4，可以改善转盘6低半径位置处的换热效果。
本实施例中双排喷嘴的结构参数：r1高半径喷嘴的旋转半径，r2低半径喷嘴的旋转半径，β1每两个高半径喷嘴之间夹角，β2每两个低半径喷嘴之间夹角，β3一个高半径喷嘴和一个低半径喷嘴之间周向夹角，θ预旋角。
高半径喷嘴和低半径喷嘴沿周向均匀分布，喷嘴与下游盘面的夹角θ为预旋角，范围为10°至90°，高低半径喷嘴的周向夹角β3范围为0°至180°。
所有高半径喷嘴的进口面积相同，所有低半径喷嘴的进口面积相等，高低半径喷嘴之间的面积相同或不相同。
高低半径位置喷嘴的出口5分别位于盘腔的上下两半部分，其周向位置相同或不同。
图1至图4所出现的圆孔型喷嘴结构，如高半径喷嘴出口轮廓7、低半径喷嘴出口轮廓8，仅仅用来表达本发明的双排特点，本双排喷嘴包括所有类型的喷嘴如叶栅型、渐缩型和气动孔型等。
可以理解的是，喷嘴可与上游、下游盘面9做倒角处理，其优点在于，气流可以顺畅地进入喷嘴，减小气流进入喷嘴时的损失。
喷嘴固体域10的形状可稍做改变，以方便加工。
本实施例中，保证所有喷嘴的进口总面积、喷嘴长度、预旋角相同的情况下，对比双排预旋喷嘴和单排预旋喷嘴的换热性能差异：
双排喷嘴模型中，高半径喷嘴径向位置r1＝135mm，低半径喷嘴径向位置r2＝110mm，每排36个喷嘴；单排喷嘴模型中，喷嘴径向位置为135mm，共有36个喷嘴。预旋角度θ均为30度。
下表1为通过CFD数值模拟得出的单排与双排喷嘴预旋系统中，r＝108mm转盘半径位置的温度与整个转盘平均温度。从表中可以看出，双排喷嘴转盘低半径位置的温度比单排喷嘴低56K，转盘平均温度低20K，二者的转盘表面温度分布曲线类似，但双喷嘴模型的转盘表面温度明显低于单喷嘴模型。在低位，由于双喷嘴模型里有预旋入流，显著改善了低半径上热盘的对流换热，努塞尔数高于单喷嘴模型。以上证明该结构能改善转盘的换热，降低转盘的温差，减小热应力。
表1单排与双排喷嘴预旋系统CFD数值模拟结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于冷气预旋的双排喷嘴结构，其特征在于：包括两排喷嘴，分别为位于高半径位置的高半径喷嘴(1)和位于低半径位置的低半径喷嘴(2)，每排喷嘴各自沿周向均匀布置，气流从进气腔分别通过高、低半径位置的两排喷嘴流入转静盘腔；
相邻两个高半径喷嘴(1)和低半径喷嘴(2)之间的周向夹角β3为0°～180°；
所述两排喷嘴与下游盘面的夹角θ即预旋角相同，θ为10°～90°；
所述高半径喷嘴(1)和低半径喷嘴(2)的出口分别位于转静盘腔的上下两半部分；
每两个高半径喷嘴之间夹角一，每两个低半径喷嘴之间夹角二，夹角一与夹角二的范围为0°～180°；
高半径喷嘴的旋转半径r1，低半径喷嘴的旋转半径r2，r1＞r2；
双排喷嘴模型中，高半径喷嘴径向位置r1＝135mm，低半径喷嘴径向位置r2＝110mm，每排36个喷嘴；预旋角为30°。
2.根据权利要求1所述的用于冷气预旋的双排喷嘴结构，其特征在于：该双排喷嘴的结构为包括圆孔型、叶栅型、渐缩型和气动孔型在内的喷嘴结构。
3.根据权利要求1所述的用于冷气预旋的双排喷嘴结构，其特征在于：所述喷嘴与上游、下游盘面做倒角处理。
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