CN108194147A - 一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，是一种航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，喷嘴的方位角由θ和α两个角度控制，其中θ是喷嘴的预旋角，α是喷嘴轴线在轴向的偏角。本发明广泛应用于燃气轮机高温部件冷却系统中，其有益效果在于：减小气流在盘腔中的偏转角，改善气流的流通效果，在相同进出口压力下可获得更大的冷气流量，并改善了涡轮叶片进口处的冷气品质，有效缓解了涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的温度水平。
Description
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)空气系统中的径向预旋冷却技术领域，涉及一种用于径向冷气预旋系统带方位角的喷嘴结构。
背景技术
近年来，随着航空发动机推重比、地面燃气轮机压比等循环参数的不断提高，尤其是涡轮前燃气温度的增大，导致涡轮盘、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，为缓解此问题，国外研究人员提出了预旋进气的新型冷气进气方式。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，为发动机和燃气轮机的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。
国内外对径向预旋系统中的预旋喷嘴研究表明，随着喷嘴预旋角的增加，温降和压降均随之先减小后增加，当预旋角过大时，预旋性能降低，温降和压降的极值位置近似对应，变化趋势几乎同步。目前研究人员对径向预旋系统的喷嘴进行了多种结构设计，主要包括直孔型、渐缩型、叶栅型和气动孔型等喷嘴，高压气体经过喷嘴膨胀加速，以垂直于旋转轴的方向，朝着低半径吹气，但此进气方式存在着压力损失较大的缺点，当气流到达供气导流盘附近时会发生接近90°的偏转以适应流道变化，此过程的冷却气流流动性较差，导致涡轮叶片等热端部件的供气流量不足，影响其寿命和工作的稳定性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，改善了预旋供气系统的冷气品质，有效缓解了涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的热应力。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：改变径向预旋喷嘴的布置形式，使得预旋喷嘴出流存在两个方向的分量，一是从高半径沿着垂直于旋转轴的方向指向低半径，二是喷嘴出流具有沿着与旋转轴平行方向的速度分量，二者不同角度的组合构成喷嘴不同的方位角。进而可以改善气流的流通效果，提高预旋供气系统的流量。
一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，预旋喷嘴的出入口位于静盘的圆环曲面上，并沿圆周方向均匀布置，预旋喷嘴的方位角由预旋喷嘴的预旋角θ和预旋喷嘴轴线在轴向的偏角α两个角度控制。
进一步的，在预旋喷嘴的出口所在圆环曲面的切面上，喷嘴轴线在此面上的投影与传统型喷嘴投影的夹角称为喷嘴在轴向的偏转角α，α为0°～90°。
进一步的，预旋喷嘴轴线与喷嘴出口所在圆环曲面的切面之间的夹角，在垂直于发动机旋转轴面上的投影角度为喷嘴的预旋角θ，θ为10°～90°。
进一步的，所述预旋喷嘴总是指向转盘旋转的方向。
进一步的，所述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，改变径向预旋喷嘴的布置形式，使得预旋喷嘴出流存在两个方向的分量，一是从高半径沿着垂直于旋转轴的方向指向低半径，二是喷嘴出流具有沿着与旋转轴平行方向的速度分量，二者不同角度的组合构成喷嘴不同的方位角。
有益效果：本发明提供的一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，与现有技术相比，具有以下优势：本发明航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，可以减小气流在盘腔中的偏转角，改善气流的流通效果，降低预旋供气的压力损失，在相同进出口压力下可获得更大的冷气流量，并改善了涡轮叶片进口处的冷气品质，有效缓解了涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的温度水平。
本发明航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，制造安装布置时不影响其他部件的位置与结构，不影响其他结构的正常工作。
附图说明
图1是本发明带方位角喷嘴结构及径向预旋系统结构示意图。
图2是本发明带方位角喷嘴结构局部示意图。
图3是带方位角喷嘴结构剖视图。
图4是带方位角喷嘴进气段径向示意图。
图中：
1.进气腔，2.预旋喷嘴，3.喷嘴固体域，4.预旋腔，5.接受孔，6.预旋系统出口。
具体实施方式
本发明公开了一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，是一种航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，喷嘴的方位角由θ和α两个角度控制，其中θ是喷嘴的预旋角，α是喷嘴轴线在轴向的偏角。本发明广泛应用于燃气轮机高温部件冷却系统中，其有益效果在于：减小气流在预旋腔4中的偏转角，改善气流的流通效果，在相同进出口压力下可通过接受孔5更大的冷气流量，并改善了预旋供气出口6处的冷气品质，有效缓解了涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的温度水平。
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
本实施例是航空发动机和地面燃气轮机径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，预旋喷嘴2的方位角由θ和α两个角度控制，其中θ是预旋喷嘴的预旋角，α是预旋喷嘴轴线在轴向的偏角，下面结合附图对以上结构作进一步说明。
如图1所示，径向预旋系统中，高压冷却主流气体从压气机引出后到达进气腔1，随后进入预旋喷嘴2膨胀加速，如图2所示，预旋喷嘴2出入口位于静盘的圆环曲面上，并沿圆周方向均匀布置，预旋喷嘴轴线与喷嘴出口所在圆环曲面的切面之间的夹角，在垂直于发动机旋转轴面上的投影角度为喷嘴的预旋角θ，范围为10度至90度，预旋喷嘴总是指向转盘旋转的方向，如图3所示。
当喷嘴仅存在角度θ时，称之为传统型预旋喷嘴，本发明在径向预旋系统中带方位角的喷嘴结构，对传统型预旋喷嘴的进气角度进行改进，改进后的预旋喷嘴不仅具有上述预旋角θ，还具有喷嘴在轴向的偏转角度α，如图4所示，在喷嘴出口所在圆环曲面的切面上，喷嘴轴线在此面上的投影与传统型喷嘴投影的夹角称为喷嘴在轴向的偏转角α，其范围为0度至90度。
喷嘴固体域3的形状可稍做改变，以方便加工。
在径向预旋系统中，预旋喷嘴θ角度和α角度的不同组合形式，称为径向预旋系统预旋喷嘴的方位角，
可以理解的是，喷嘴可与上游、下游盘面做倒角处理，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。
图1至图4所出现的圆孔型喷嘴结构，仅仅用来表达本发明的方位角特点，本发明的方位角特点适用于所有类型的喷嘴如叶栅型、渐缩型和气动孔型等。
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 (6)
1.一种用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：预旋喷嘴的出入口位于静盘的圆环曲面上，并沿圆周方向均匀布置，预旋喷嘴的方位角由预旋喷嘴的预旋角θ和预旋喷嘴轴线在轴向的偏角α两个角度控制。
2.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：在预旋喷嘴的出口所在圆环曲面的切面上，喷嘴轴线在此面上的投影与传统型喷嘴投影的夹角称为喷嘴在轴向的偏转角α，α为0°～90°。
3.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：预旋喷嘴轴线与喷嘴出口所在圆环曲面的切面之间的夹角，在垂直于发动机旋转轴面上的投影角度为喷嘴的预旋角θ，θ为10°～90°。
4.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：所述预旋喷嘴总是指向转盘旋转的方向。
5.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：所述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。
6.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统带方位角的喷嘴结构，其特征在于：改变径向预旋喷嘴的布置形式，使得预旋喷嘴出流存在两个方向的分量，一是从高半径沿着垂直于旋转轴的方向指向低半径，二是喷嘴出流具有沿着与旋转轴平行方向的速度分量，二者不同角度的组合构成喷嘴不同的方位角。
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