CN110145374B - 发动机预旋系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机预旋系统，其中，所述预旋系统的预旋喷嘴的上游设置有多个整流叶片，所述整流叶片上开设有通气孔，所述整流叶片与所述预旋喷嘴的内环面、外环面构成一流动通道。所述流动通道对来流实现加速和偏转。本发明发动机预旋系统将预旋系统前部圆柱外形的通气孔设计为整流叶片，在气流进入预旋喷嘴前，整流叶片先对其进行偏转，一方面可减小原圆柱形通气孔后的流动损失，另一方面可有效解决现有直圆孔预旋喷嘴进口处气流转折角过大的问题。经整流叶片整流后，圆孔型喷嘴进口处的来流攻角减小，能够避免气流在背向来流侧处的流动分离。

Description

发动机预旋系统
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种发动机预旋系统。
背景技术
随着航空发动机性能的不断提高，涡轮前燃气温度逐渐升高。早期的涡轮喷气发动机涡轮前温度只有1000K-1200K。目前涡轮前的温度已经达到2100K，这对涡轮部件的材料、工艺和冷却技术提出了严峻挑战。现有的大部分材料无法长期承受如此高的温度，所以处于高温高压环境下的高压涡轮叶片需要通冷却气来进行冷却。而现有的涡轮叶片冷却技术存在着明显的局限性，其潜力挖掘已接近极限，这就促使人们越来越多地转向从提高内流供气系统特性来挖掘冷却潜力。预旋供气系统因其所具有的巨大降温潜力已成为近年来国内外燃气涡轮发动机空气系统领域研究的一大热点。
预旋供气系统作为燃气涡轮发动机空气系统的重要组成部分，其主要功能是降低进入涡轮转子叶片的气流相对总温。预旋降温的主要原理是通过预旋喷嘴加速气流并形成较大的周向分量，降低气流的静温及其与轮盘间的相对速度，从而达到降低气流相对总温的目的。
图1为现有技术中发动机预旋系统气流通道的示意图。如图1所示，在预旋系统前部，出于高压涡轮一级转静子间轮缘封严及轮盘冷却的需要，通常设置一通气孔100供冷气110通过。冷气110由压气机末级转子叶根处引出，经由压气机出口封严篦齿，然后通过预旋喷嘴内环面120和外环面130之间的通气孔100，到达封严腔140，最后从转静子间封严间隙150排出达到封严的目的。通气孔100沿周向按需布置，数目从几个到几十个不等，现有设计通气孔100外壁形状多采用圆柱形设计，圆柱后流动分离，其流动损失较大。
图2为现有技术中直圆孔预旋喷嘴进口的轴向截面示意图。图3为现有技术中直圆孔预旋喷嘴中径处回转面的示意图。图4为现有技术中直圆孔预旋喷嘴中径回转面流动的放大示意图。
如图2至图4所示，预旋系统后部为预旋喷嘴，目前设计在用的预旋喷嘴多为直圆孔型喷嘴，也有少部分为叶片式喷嘴。其中，直圆孔喷嘴的轴线与发动机轴线的夹角通常达70°～80°，现有设计来流200为轴向进气，气流偏转主要发生在入口210处，偏转角度较大，加速和偏转性能较差，在圆孔进口处背向来流一侧220(面向来流一侧221)处将发生流动分离230，导致流动损失增大。此外，相邻两圆孔间存在固体平面240且其正对来流面积较大，导流能力较差，导致圆孔通道内流动损失增大。
上述两方面因素都导致直圆孔型喷嘴降温效果不理想，由于预旋喷嘴出口马赫数一般小于0.8，尚未达到临界状态。因此通过降低其内部流动损失可有效提高出口气流周向速度，提升降温性能。而叶片式预旋喷嘴虽然性能相对较好，但是其要求叶栅通道数相对于直圆孔式预旋喷嘴成倍地增加才能实现气流方向的偏转，导致生产制造过程难度加大，成品率低下。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种发动机预旋系统气流通道结构及设置该气流通道结构的预旋系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中预旋系统气流通道降温效果差，制造难度大等缺陷，提供一种发动机预旋系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种发动机预旋系统，其特点在于，所述预旋系统的预旋喷嘴的上游设置有多个整流叶片，所述整流叶片上开设有通气孔，所述整流叶片与所述预旋喷嘴的内环面、外环面构成一流动通道。所述流动通道对来流实现加速和偏转。
根据本发明的一个实施例，所述整流叶片具有扇形出口，所述预旋喷嘴的下游通道的进口处的进口截面设置为扇形进口，所述扇形进口与所述扇形出口相匹配。
根据本发明的一个实施例，所述扇形进口沿所述下游通道的出口的垂直中心线光滑过渡到圆形截面。
根据本发明的一个实施例，所述圆形截面至所述下游通道的出口的垂直中心线的截面均设置为圆形，且所述圆形的半径保持一致，所述垂直中心线为螺旋线。
根据本发明的一个实施例，所述下游通道的进口处固体壁面正对来流的一面设置为圆弧形。
根据本发明的一个实施例，所述下游通道的进口形状为扇形，且从所述下游通道的进口逐渐过渡到中间圆形截面，从所述圆形截面至所述下游通道的出口的形状保持一致。
根据本发明的一个实施例，所述整流叶片位于所述预旋喷嘴的内环面、外环面之间，且所述整流叶片的外形由压力面、吸力面及前缘圆弧面和尾缘圆弧面组成；
所述整流叶片的压力面、吸力面与所述内环面、所述外环面形成所述流动通道，所述流动通道位于所述下游通道的上游。
根据本发明的一个实施例，所述整流叶片的出气角的方向与所述下游通道的中心线的角度偏差小于等于5°，所述整流叶片的稠度小于等于1.4。
根据本发明的一个实施例，所述整流叶片的下游设置有多个叶片型喷嘴叶栅，用于对来流进行整流，所述整流叶片和所述喷嘴叶栅的偏转方向相同，其气流折转角范围为0°-80°。
根据本发明的一个实施例，所述整流叶片的进口至所述喷嘴叶栅的出口的气流折转角范围为70°-80°。
本发明的积极进步效果在于：
本发明发动机预旋系统将预旋系统前部圆柱外形的通气孔设计为整流叶片，在气流进入预旋喷嘴前，整流叶片先对其进行偏转，一方面可减小原圆柱形通气孔后的流动损失，另一方面可有效解决现有直圆孔预旋喷嘴进口处气流转折角过大的问题。经整流叶片整流后，圆孔型喷嘴进口处的来流攻角减小，能够避免气流在背向来流侧处的流动分离。
同时，将现有直圆孔进口设计为扇形进口以实现和上游整流叶片出口扇形进行配合，并且其相邻两圆孔间的固体平面设计为圆形，圆形前缘可以有效起到分流作用，减小圆孔通道内流动损失。
整流叶片还可以用于和叶片型喷嘴配合，整流叶片对气流进行一定程度的折转，可有效减小下游叶片式喷嘴中气流折转角，气流折转角的减小可以有效减少叶片式喷嘴的叶片数，降低生产制造难度。
附图说明
本发明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的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为现有技术中发动机预旋系统气流通道的示意图。
图2为现有技术中直圆孔预旋喷嘴进口的轴向截面示意图。
图3为现有技术中直圆孔预旋喷嘴中径处回转面的示意图。
图4为现有技术中直圆孔预旋喷嘴中径回转面流动的放大示意图。
图5为本发明发动机预旋系统的实施例一中沿周向回转面分割后的示意图。
图6为本发明发动机预旋系统的实施例一中回转面轴测图。
图7为本发明发动机预旋系统的实施例一中整流叶片的出口轴向截面的向前投影图。
图8为本发明发动机预旋系统的实施例一中下游通道的进口处轴向截面的向后投影图。
图9为本发明发动机预旋系统的实施例二中回转面轴测图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
实施例一：
图5为本发明发动机预旋系统的实施例一中沿周向回转面分割后的示意图。图6为本发明发动机预旋系统的实施例一中回转面轴测图。图7为本发明发动机预旋系统的实施例一中整流叶片的出口轴向截面的向前投影图。图8为本发明发动机预旋系统的实施例一中下游通道的进口处轴向截面的向后投影图。
如图5至图8所示，本发明公开了一种发动机预旋系统，其预旋喷嘴10的上游设置有多个整流叶片20，根据原通流支柱流通冷气的需要，整流叶片20上开设有通气孔21，将整流叶片20与预旋喷嘴10的内环面11、外环面12构成一流动通道22，通气孔21贯穿预旋喷嘴10的内环面11和外环面12。流动通道22对来流实现加速和偏转。
优选地，整流叶片20具有扇形出口23，预旋喷嘴10的下游通道13的进口14处的进口截面设置为扇形进口15，扇形进口15与扇形出口23相匹配。扇形进口15沿下游通道13的出口的垂直中心线16光滑过渡到圆形截面17处。圆形截面17至下游通道13的出口171的垂直中心线16的截面均设置为圆形，且所述圆形的半径保持一致。此处垂直中心线16优选为螺旋线，即其在轴向截面投影为半径不变的圆弧。气流在下游通道13中流动方向不发生周向偏转，下游通道13主要起稳定气流及控制流量的作用。
进一步地，下游通道13的进口14处固体壁面18正对来流的一面19设置为圆弧形，可以有效地起到分流作用。在此基础上，整流叶片20位于预旋喷嘴10的内环面11、外环面12之间，且整流叶片20的外形由压力面24、吸力面25及前缘圆弧面26和尾缘圆弧27面组成。整流叶片20的压力面24、吸力面25与内环面11、外环面12形成流动通道22，同时流动通道22位于下游通道13的上游，与下游通道13的个数可以相同也可以不同，并不受本实施例的局限。
下游通道13的进口形状优选为扇形，且从下游通道13的进口逐渐过渡到中间圆形截面17，从圆形截面17至下游通道13的出口的形状保持一致。下游通道13的相邻两通道之间的固体壁面面对来流方向为圆柱面131，其圆柱轴线大致沿径向。整流叶片20及其内环面11、外环面12与下游通道13可在边界线132处断开，以便可采用分体铸造的加工方式。
特别地，整流叶片20的出气角的方向与下游通道13的垂直中心线14的角度偏差小于等于5°。整流叶片20的稠度小于等于1.4。
实施例二：
图9为本发明发动机预旋系统的实施例二中回转面轴测图。如图9所示，本实施例的结构与实施例一基本相同，其不同之处在于：整流叶片20的下游设置有多个叶片型喷嘴叶栅30，用于对来流进行整流，整流叶片20和喷嘴叶栅30的偏转方向相同，其气流折转角范围为0°-80°。相邻两个整流叶片20之间形成一个整流叶片通道40，相邻两个喷嘴叶栅30之间形成一个喷嘴通道50。优选地，整流叶片20的进口至喷嘴叶栅30的出口的气流折转角范围为70°-80°。整流叶片20的出气角方向与喷嘴叶栅30的叶片的进口角偏差小于等于8°。
本实施例中，整流叶片20设置在叶片型喷嘴叶栅30上游，用于对来流进行整流。同时整流叶片20可以对气流进行一定程度的折转，以减小下游喷嘴叶栅30中的气流折转角，由于下游的喷嘴叶栅30中气流折转角较小，则在设计喷嘴叶栅30时可采用较少的叶片数实现气流的偏转，从而降低生产制造难度。
根据上述描述，本发明发动机预旋系统解决了直圆孔型预旋喷嘴降温效果差的问题，同时可用于叶片式预旋喷嘴，减小叶型转折角从而减少其叶片数，降低加工制造难度。
本发明考虑到传统预旋系统前部通气孔的存在及现有预旋喷嘴方案的诸多缺点，将原圆柱形通气孔设计为整流叶片，同时在整流叶片上设置通气孔102供冷气通过，由整流叶片及预旋喷嘴内、外环面构成的通道可对来流有效进行加速和偏转。
同时，由于上游采用整流叶片设计后其出口为扇形，为与整流叶片扇形出口处流动进行匹配，在直圆孔喷嘴进口处将其现有圆孔状进口截面设计为扇形进口，且在直圆孔喷嘴进口处，固体壁面正对来流的一面采用圆弧形设计。
采用上述结构的目的如下：
第一，上游采用整流叶片设计可减小原圆柱形通气孔后的流动损失；
第二，来流经过整流叶片进行偏转，避免了原方案气流折转主要发生在圆孔进口处，偏转过大的问题，减小了圆孔进口处的来流攻角，能够有效避免气流在背向来流侧4处的流动分离，减小流动损失；
第三，固体壁面正对来流一面采用圆弧形设计，可以有效起到导流作用，减小圆孔通道内流动损失。
此外，除了与直圆孔型喷嘴进行配合，整流叶片还可以设置在叶片型喷嘴上游，由于整流叶片可以对气流进行一定程度的折转，可有效减小下游叶片式喷嘴中气流折转角，气流折转角的减小可以有效减少叶片式喷嘴的叶片数，降低生产制造难度。
综上所述，本发明发动机预旋系统将预旋系统前部圆柱外形的通气孔设计为整流叶片，在气流进入预旋喷嘴前，整流叶片先对其进行偏转。一方面可减小原圆柱形通气孔后的流动损失，另一方面可有效解决现有直圆孔预旋喷嘴进口处气流转折角过大的问题。经整流叶片整流后，圆孔型喷嘴进口处的来流攻角减小，能够避免气流在背向来流侧处的流动分离。
同时，将现有直圆孔进口设计为扇形进口以实现和上游整流叶片出口扇形进行配合，并且其相邻两圆孔间的固体平面设计为圆形，圆形前缘可以有效起到分流作用，减小圆孔通道内流动损失。
整流叶片还可以用于和叶片型喷嘴配合，整流叶片对气流进行一定程度的折转，可有效减小下游叶片式喷嘴中气流折转角，气流折转角的减小可以有效减少叶片式喷嘴的叶片数，降低生产制造难度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机预旋系统，其特征在于，所述预旋系统的预旋喷嘴的上游设置有多个整流叶片，所述整流叶片上开设有通气孔，所述整流叶片与所述预旋喷嘴的内环面、外环面构成一流动通道，所述流动通道对来流实现加速和偏转。
2.如权利要求1所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述整流叶片具有扇形出口，所述预旋喷嘴的下游通道的进口处的进口截面设置为扇形进口，所述扇形进口与所述扇形出口相匹配。
3.如权利要求2所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述扇形进口沿所述下游通道的出口的垂直中心线光滑过渡到圆形截面。
4.如权利要求3所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述圆形截面至所述下游通道的出口的垂直中心线的截面均设置为圆形，且所述圆形的半径保持一致，所述垂直中心线为螺旋线。
5.如权利要求2所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述下游通道的进口处固体壁面正对来流的一面设置为圆弧形。
6.如权利要求2所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述下游通道的进口形状为扇形，且从所述下游通道的进口逐渐过渡到中间圆形截面，从所述圆形截面至所述下游通道的出口的形状保持一致。
7.如权利要求2所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述整流叶片位于所述预旋喷嘴的内环面、外环面之间，且所述整流叶片的外形由压力面、吸力面及前缘圆弧面和尾缘圆弧面组成；
所述整流叶片的压力面、吸力面与所述内环面、所述外环面形成所述流动通道，所述流动通道位于所述下游通道的上游。
8.如权利要求2所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述整流叶片的出气角的方向与所述下游通道的中心线的角度偏差小于等于5°，所述整流叶片的稠度小于等于1.4。
9.如权利要求1所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述整流叶片的下游设置有多个叶片型喷嘴叶栅，用于对来流进行整流，所述整流叶片和所述喷嘴叶栅的偏转方向相同，其气流折转角范围为0°-80°。
10.如权利要求9所述的发动机预旋系统，其特征在于，所述整流叶片的进口至所述喷嘴叶栅的出口的气流折转角范围为70°-80°。
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