CN110454236B - 一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于燃气涡轮发动机防除冰设计技术领域，涉及一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置。该装置包括设置在可调导叶上游的固定支板(9)，固定支板(9)具有中空的支板内腔，所述支板内腔连通有高压压气机(3)的热气源，所述固定支板(9)在靠近可调导叶(10)的一端的第一侧设置有排气结构(14)，所述第一侧为所述可调导叶(10)偏转的朝向侧，所述排气结构(14)具有通孔，用于引导所述支板内腔的热空气流出至可调导叶(10)表面本申请采用对可调叶片表面进行气膜加热的方式，不需要在可调导叶内腔设计热气通道，整流支板表面打孔的结构也非常简单易行，大大降低可调导叶设计和生产成本。

Description

一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置

技术领域

本申请属于燃气涡轮发动机防除冰设计技术领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置。

背景技术

部分燃气涡轮发动机进口部件为静止件且设置有进气可调导向叶片。在特定的工作状态下，可调导叶与发动机进口气流之间有一定的角度，这样如果飞机遭遇结冰条件，则会在可调导叶的表面形成积冰。积冰会影响发动机的性能，脱落的冰也对下游零组件造成损伤。若不采取有效的防、除冰措施，将给飞机的飞行安全带来严重威胁。

现有的用于防止发动机进口可调导叶结冰的方案包括使用热气流过中空的叶片内腔进行加热的方案。该技术的不足主要体现在如下几个方面：

1、可调导叶为转动件，热气需要通过转动轴输送至叶片内腔，中空的转动轴会削弱局部强度；

2、将热气从静止件供给转动件，需要设计复杂的密封结构，密封结构会有一定的漏气，会造成额外的热气浪费，若密封结构磨损后，会降低导叶的防冰效果；

3、为了加热防冰，可调叶片内腔需要设计复杂的热气通道，结构和生产工艺复杂，生产成本很高。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供了一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，采用单独引气或者利用发动机进口静止部件防冰气，通过在可调叶片上游固定支板表面设置排气结构来利用热气，以气膜加热的方式进行可调导叶表面结冰防护。

本申请用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，可调导叶通过转轴安装于发动机机匣外环和机匣内环之间，其特征在于，所述防冰装置包括：

固定支板，位于可调导叶的上游，且位于机匣外环与机匣内环之间，所述固定支板具有中空的支板内腔，所述支板内腔连通有高压压气机的热气源，所述固定支板在靠近可调导叶的一端的第一侧设置有排气结构，所述第一侧为所述可调导叶偏转的朝向侧，所述排气结构具有通孔，用于引导所述支板内腔的热空气流出至可调导叶表面。

优选的是，所述固定支板的排气结构包括自所述固定支板的第一侧表面向外延伸的通道，所述通道的中心线与所述固定支板沿发动机的轴线呈30°～60°。

优选的是，所述排气结构的通道截面为圆孔或椭圆孔。

优选的是，所述排气结构的通道截面为条形孔。

优选的是，所述排气结构的通道截面孔径为0.5mm～2.5mm。

优选的是，所述排气结构的起始位置与所述可调导叶转轴的距离为5mm～45mm。

在上述任一方案中优选的是，所述排气结构沿固定支板的第一侧表面径向布置，所述径向为沿机匣外环朝向机匣内环的方向。

优选的是，所述排气结构沿径向布置有多排。

优选的是，多排布置的排气结构沿固定支板的径向交错排列。

优选的是，所述固定支板的支板内腔与机匣外环的引气通道相连，或者与机匣内环的引气通道相连，高压压气机的热气源引至风扇后，进入所述机匣外环的引气通道或机匣内环的引气通道。

本申请的有益效果如下：

1、采用在可调导叶上游整流支板表面排气加热的方式，不需要通过转动轴向可调导叶内腔供气，可以保证叶片转动轴的结构完整性和强度；

2、采用在可调导叶上游整流支板表面排气加热的方式，不需要在转动轴部位设计密封结构，不存在漏气；

3、可以采用单独引气或是利用发动机进口静止部件防冰气进行可调导叶防冰，采用后者会大大节省热气量；

4、采用对可调叶片表面进行气膜加热的方式，不需要在可调导叶内腔设计热气通道，整流支板表面打孔的结构也非常简单易行，大大降低可调导叶设计和生产成本。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机结构示意图。

图2是本申请用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置的固定支板和可调导叶关系示意图。

图3是本申请用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置的图2所示实施例的固定支板和可调导叶截面示意图。

其中，1-燃气涡轮发动机，2-风扇，3-高压压气机，4-燃烧室，5-涡轮，6-风扇帽罩，7-叶片，8-外涵，9-固定支板，10-可调导叶，11-转轴，12-机匣外环，13-机匣内环，14-排气结构。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本发明提供了一种新型的燃气涡轮发动机进口可调导叶防冰装置，该装置采用单独引气或者利用发动机进口静止部件防冰气，通过在可调叶片上游固定支板表面设置排气结构来利用热气，以气膜加热的方式进行可调导叶表面结冰防护。

具体来讲，该装置所解决的技术问题如下：

1、解决可调叶片表面结冰防护问题；

2、解决可调导叶转动轴的结构完整性和强度问题；

3、解决转动轴部位的漏气问题以及密封结构可靠性问题；

4、解决引热气过多造成发动机性能损失的问题；

5、解决可调导叶结构复杂，设计和生产成本高的问题。

图1给出了一种用于航空飞行的燃气涡轮发动机1，发动机包含一系列的气流通道，风扇2用于推动空气并对空气进行初步压缩，多级高压压气机3用于压缩空气，在燃烧室4内空气与燃料混合，点火并产生燃烧的高温燃气，涡轮5用于将高温燃气的能量转变为动能。空气进入发动机1主通道内，沿着轴向流过风扇帽罩6和风扇2的叶片7，之后，空气分为两部分，分别流过外涵8及高压压气机压气机3。

发动机1可以是适用于任何飞机的发动机类型。发动机1进口风扇2组件包含固定的进气整流罩6、用于整流的固定支板9以及进气可调导向叶片，即可调导叶10，并且具有防冰热气源(例如，高压压气机3)，防冰热气可以通过发动机外部或者内部引至风扇2组件。

可以认为本发明的各方面均可能等同地应用于任何具有固定的进气整流罩、用于整流的固定支板、进气可调导向叶片以及热气源的发动机类型。

图2和图3表示出了用于向进气可调导叶10提供防冰的组件结构。进气可调导向叶片10通常通过转轴11安装于发动机机匣外环12和机匣内环13之间，固定支板9通过焊接或装配的形式安装于机匣外环12和机匣内环13之间，为了进行防冰，固定支板9为中空结构，内部设计有隔板15，将支板内腔分隔为前腔16和后腔17，其中，前腔用于对固定支板前缘进行加热，在另外一些实例中，隔板15设置有两个或更多，将支板内腔分为三个或更多的空腔。

通常，可调导叶10只能向一侧偏转，在可调导叶10偏转侧的固定支板9表面中后部布置有一系列的排气结构14，用于引导热空气流出。在一些实例中，固定支板9表面布置的排气结构14为圆形或椭圆的小孔，用于引导热空气流出；在另外一些实例中，固定支板9表面布置的排气结构14为狭长的细缝，用于引导热空气流出；

在一些实例中，用于可调导叶防冰的高压热空气可能从高压压气机3引至风扇2，热气通过位于发动机外部的管路系统引向风扇，通过机匣外环12达到固定支板9。在一些实例中，用于可调导叶防冰的高压热空气可能从高压压气机3引至风扇2，热气通过发动机内部通道引向风扇，通过机匣内环13达到固定支板9。

在一些实例中，引向风扇2的热气首先加热风扇帽罩6和固定支板9，然后进入到固定支板后腔17，通过布置在支板表面的排气结构14流出；在一些实例中，引向风扇2的热气直接进入到固定支板后腔17，通过布置在支板表面的排气结构14流出。

排气结构14布置于支板中后部可调导叶10偏转的一侧，排气结构14中心线与固定支板轴线18成一定夹角α，如上所述，排气结构14可以是间断分布的狭长细缝，也可能是圆形或椭圆型的小孔，缝宽或孔径为δ，排气结构14距可调叶片转轴11的轴向尺寸为L。

在一些实例中，排气结构14为轴向单排孔或缝；在一些实例中，排气结构14为轴向两排孔、缝；也有可能，在另外一些实例中，排气结构14为轴向多排的孔。多排的排气结构会以顺排或交错排列的方式进行布置。

流量为G的热气体从排气结构14流出后，在下游沿着固定支板9和可调导叶10外表面形成气膜或边界层流动，一方面阻止水滴撞击至可调导叶10表面，另一方面对可调导叶10表面进行加热防冰。

热气流形成的边界层稳定附着并延伸至可调导叶10表面区域，使其在飞行过程中处于高于冰点的温度状态，保证其防冰能力。接触或保持靠近可调导叶10外表面流动的气膜尺度越长，可调导叶10表面可能得到防冰保护的区域就越大。在设计中，要综合考虑发动机运行工况、结冰条件、热气压力和温度等参数来合理地确定排气量G、排气结构14的具体尺寸、夹角α、距离L以及缝宽或孔径为δ之间的关系，以便于在可调导叶10表面形成合适的气膜。

排气结构14的具体尺寸要考虑结构可实现性以及可用热气量G的大小，还要兼顾发动机主流气流状态，通常用吹风比β来表征排气强度与主流强度的比例，吹风比β的定义如下：

其中，ρ₁为排气的密度，V₁为排气的速度，ρ₀为主流的密度，V₀为主流速度。

吹风比β的设定不宜过大也不宜过小，需要根据给定的热气温度条件，通过数值模拟或试验确定最佳的β值。通常，β值介于0.5～2.5之间。在另外一些实例中，β值也可能高达4.0。

根据可用气量G，在设定的β下，可以通过公式G＝ρ₁V₁A计算得到排气结构的面积A，为了保证可调导叶整个表面的覆盖，需要根据此面积确定出排气结构的缝宽或孔径δ、径向间距P等尺寸。通常，缝宽或孔径δ值介于0.5mm～2.5mm之间，对于细缝，径向间距P与孔径δ的比值P/δ可以任意给定，对于细缝，可以根据结构强度随意设置缝长与间距；对于圆孔间距与直径的比值范围为2.0～5.0；对于椭圆孔，孔间距与当量直径的比值可以增大至10.0。

排气角度α的大小会影响到可调导叶表面气膜的覆盖特性。角度太大，气流会吹向主流，不会附着在壁面上，角度太小，气膜不足以扩展。通常排气角度α值介于30°～60°之间，在一些特殊的实例中，出于加工方面的考虑，排气角度α可以达到90°。

排气距离L对气膜的影响则不那么关键，但依旧要遵循相应的设计准则，如果L过小，则气膜在可调导叶表面不会充分扩展，如果L过大，则气膜会与主流冷气过度掺混，无法形成有效的加热。通常，L值介于5mm～45mm之间。在一些特殊的实例中，出于结构可实现性方面的考虑，L值可以增大至75mm。

本申请的某一特定实例下得到的可调导叶表面防冰效果数值模拟结果，在该实例中，排气结构为细缝结构，缝宽δ＝0.7mm，缝间距P＝16.5mm，吹风比β＝2.0，排气距离L＝45mm，排气角度α＝60°，热气温度50℃；结冰环境温度-10℃、来流速度45m/s，液态水含量2g/m³，平均有效水滴直径20μm，结冰时间300秒。可以看出，采取本发明所提供的实例特征和结构参数，可以在可调导叶表面形成良好的防冰保护，相较于不采取任何措施，可调叶片表面结冰量减少了大约82％。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，可调导叶（10）通过转轴（11）安装于发动机机匣外环（12）和机匣内环（13）之间，其特征在于，所述防冰装置包括：

固定支板（9），位于可调导叶（10）的上游，且位于机匣外环（12）与机匣内环（13）之间，所述固定支板（9）具有中空的支板内腔，所述支板内腔连通有高压压气机（3）的热气源，所述固定支板（9）在靠近可调导叶（10）的一端的第一侧设置有排气结构（14），所述第一侧为所述可调导叶（10）偏转的朝向侧，所述排气结构（14）具有通道，用于引导所述支板内腔的热空气流出至可调导叶（10）表面；

其中，所述固定支板（9）的排气结构（14）包括自所述固定支板（9）的第一侧表面向外延伸的通道，所述通道的中心线与所述固定支板的沿发动机的轴线延续的方向呈30︒～60︒；所述排气结构（14）的起始位置与所述可调导叶（10）的转轴的距离为5mm～45mm；所述排气结构（14）沿固定支板（9）的第一侧表面径向布置，所述径向为沿机匣外环（12）朝向机匣内环（13）的方向；所述排气结构沿径向布置有多排，多排布置的排气结构沿固定支板（9）的径向交错排列。

2.如权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，其特征在于，所述排气结构（14）的通道为圆孔或椭圆孔。

3.如权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，其特征在于，所述排气结构（14）的通道为条形孔。

4.如权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，其特征在于，所述排气结构（14）的通道孔径为0.5mm～2.5mm。

5.如权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机进口可调导叶的防冰装置，其特征在于，所述固定支板（9）的支板内腔与机匣外环（12）的引气通道相连，或者与机匣内环（13）的引气通道相连，高压压气机（3）的热气源引至风扇（2）后，进入所述机匣外环（12）的引气通道或机匣内环（13）的引气通道。

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