CN110552788A - 用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘 - Google Patents

用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘 Download PDF

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王欣欣
冯青
余祥仙
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Abstract

本发明涉及一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，包括沿周向均匀分布的多个接受孔；其特征在于：所述接受孔采用径向跑道斜孔式接受孔，轴向截面由两个平行的直道和两个半径相等的弯道组成，且孔沿盖板盘转动方向设有偏转角度α；所述接受孔的邻边为直道，上下为弯道；所述偏转角度α为接受孔进口截面与接受孔的流通面截面法线的夹角。由于本发明的接受孔与传统轴向跑道斜孔的盖板盘相比，在保证流通面积一定的情况下，带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘的开孔率降低了42.5％，有效地提高了盖板盘的强度，安全性得到了保障。

Description

用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘
技术领域
本发明属于航空发动机预旋供气系统应用领域，涉及一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘。
背景技术
随着涡轮叶片工作温度的提高，预旋系统作为航空发动机供气系统的作用尤为重要。预旋系统的降温原理主要是将进入涡轮叶片前的冷却空气沿盘转动方向产生周向速度，降低冷却气流与涡轮转盘的相对速度，从而降低气流相对总温，提高冷气品质，减少冷气用量。一个性能优良的预旋系统能显著提高航空发动机的安全性和工作寿命。
一个预旋系统既有静止部件，又有转动部件。在高转速的情况下，转动部件的强度问题就显得尤为重要。而盖板盘上的开孔情况是影响盖板盘强度的一个重要因素。另外，评价预旋系统气动性能好坏的一个关键参数是系统温降，而预旋系统的总温降主要来源于预旋喷嘴的温降以及转子部件的温升。若系统进出口条件及预旋喷嘴的类型已定，要想提高预旋系统的性能，需要减小转子部件的流动损失，即提高转子部件的增压效果，在供气压力一定时，提高转子部件的增压，喷嘴出口压力就会降低，更有利于气流在喷嘴内膨胀加速以产生更大的温降。
预旋喷嘴下游转动的接受孔是影响转子部件增压及盖板盘强度的一个重要元件。其主要作用是将预旋后的高速气流引入高速旋转的盖板腔中。目前已有的接受孔类型有轴向直通孔、轴向跑道孔、轴向跑道斜孔和叶型式接受孔。轴向直通孔和轴向跑道孔在入口处与气流存在较大夹角，导致孔内流动损失增加，流量系数较低。轴向跑道斜孔和叶型式接受孔虽然使气流具有合适的进气角度，提高了孔的流量系数，但轴向跑道斜孔会导致开孔率过高，降低盖板盘的强度，叶型式接受孔则对加工技术要求较高。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，克服流量系数低和盖板盘开孔率高的困难。
技术方案
一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，包括沿周向均匀分布的多个接受孔；其特征在于：所述接受孔采用径向跑道斜孔式接受孔16，轴向截面由两个平行的直道和两个半径相等的弯道组成，且孔沿盖板盘转动方向设有偏转角度α；所述接受孔的邻边为直道，上下为弯道；所述偏转角度α为接受孔进口截面13与接受孔的流通面15的截面法线的夹角。
所述偏转角度α为30°。
有益效果
本发明提出的一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，其接受孔与传统轴向跑道斜孔的盖板盘相比，在保证流通面积一定的情况下，带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘的开孔率降低了42.5％，有效地提高了盖板盘的强度，安全性得到了保障。
另外，对于传统盖板盘而言，接受孔多为轴向直通孔和轴向跑道孔，在孔进口处气流方向与孔轴线方向存在较大夹角，会在孔背风面附近产生明显的旋涡，导致孔出口处形成回流，进而使孔内流动损失增加，孔的流量系数降低。而且旋涡区域会随着喷嘴出口处气流旋转比的增大而增大，孔内的流动损失会增加。现有的带有叶型式接受孔的盖板盘虽然改善了以上问题，但由于对加工技术及成本要求较高，在工程上仍未普遍使用。本发明提出的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘结构，孔沿盘转动方向偏转了一定角度，因而具有合适的进气角度，可以使来自喷嘴出口高旋转比的气流更多地从转静盘腔顺利流入接受孔，减小了孔内部的流动损失，接受孔流量系数提高了25.2％，有利于提升预旋系统的温降性能。而且带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘结构相对比较简单，对加工难度要求较低，便于在工程上普遍使用。
附图说明
图1为带叶轮盖板式预旋系统流体域结构示意图。
图2为α1＝25°的传统轴向跑道斜孔沿均匀圆周布置于盖板盘上的示意图。
图3为本发明α2＝30°的径向跑道斜孔沿均匀圆周布置于盖板盘上的示意图。
图4为本发明提出的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘结构应用于预旋系统中的流体域示意图。
图5为传统轴向直通孔的速度流线图。
图6为径向跑道斜孔式接受孔的速度流线图。
图中
1.进气腔，2.预旋喷嘴，3.预旋腔，4.接受孔，5.盖板腔，6.叶轮，7.叶片供气孔，8.局部放大的轴向跑道斜孔式接受孔，9.轴向跑道斜孔式接受孔进口截面，10.轴向跑道斜孔式接受孔的出口截面，11.轴向跑道斜孔式接受孔的流通面，12.局部放大的径向跑道斜孔式接受孔，13.径向跑道斜孔式接受孔进口截面，14.径向跑道斜孔式接受孔的出口截面，15.径向跑道斜孔式接受孔的流通面，16.径向跑道斜孔式接受孔
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施案例是一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘。
实施例1：图1为带叶轮盖板式预旋供气系统的流体域结构。该预旋供气系统由进气腔1，预旋喷嘴2，预旋腔3，接受孔4，带叶轮6的盖板腔5和叶片供气孔7组成。其中预旋喷嘴2采用流量系数和预旋效率高的叶孔式喷嘴，接受孔4为轴向跑道孔，进气腔1和预旋喷嘴2为静止件，接受孔4和叶片供气孔7为转动件，预旋腔3为转-静腔，盖板腔5为转-转腔。预旋系统进口压力取决于压气机某一级引气压力，出口压力为叶片供气压力，且进出口压力基本为定值。
为使气流在接受孔入口处具有合适的进气角度，将接受孔沿盖板盘转动方向倾斜一定角度α。图2和图3分别为α1＝25°的轴向跑道斜孔和α2＝30°径向跑道斜孔沿均匀圆周布置于盖板盘上的示意图。图中，局部放大的轴向跑道斜孔式接受孔8和局部放大的径向跑道斜孔式接受孔12分别为局部放大的传统的轴向跑道斜孔和本发明的径向跑道斜孔，轴向跑道斜孔式接受孔的流通面11的截面和径向跑道斜孔式接受孔的流通面15的截面的面积相等，即保持孔的流通面积不变。轴向跑道斜孔式接受孔进口截面9或径向跑道斜孔式接受孔进口截面13均与预旋腔连通，轴向跑道斜孔式接受孔的出口截面10或径向跑道斜孔式接受孔的出口截面14均与盖板腔连通。α1为轴向跑道斜孔式接受孔进口截面9与轴向跑道斜孔式接受孔的流通面11的截面法线的夹角，α2为径向跑道斜孔式接受孔进口截面13与径向跑道斜孔式接受孔的流通面15的截面法线的夹角。其大小由喷嘴出口带有高旋转比的气流决定，在能达到的范围内尽量保证来流方向与孔的流通面(轴向跑道斜孔式接受孔的流通面11或径向跑道斜孔式接受孔的流通面15)接近于垂直。从图中可以看到，采用轴向跑道斜孔的盖板盘相邻孔之间的距离很短，开孔率高达91.2％，大大降低了盖板盘的强度，非常不利于盖板盘的正常运转。而采用径向跑道斜孔的盖板盘相邻孔之间的距离大大增加，开孔率降低为52.4％，提高了盖板盘的强度，有利于盖板盘的安全运转。
图4为本发明提出的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘应用于预旋供气系统中的流体域示意图，径向跑道斜孔式接受孔16为多个，在整环上沿周向均匀分布。
实施例2：对于某型低位带叶轮盖板式预旋供气系统进行了数值模拟，以比较传统轴向直通孔与径向跑道斜孔式接受孔的性能优劣。具体几何参数见表1。
采用商业软件Fluent16.0进行数值模拟，计算时，系统边界条件为压力进出口条件，出口为大气压，进口为1.5个大气压，转盘转速为6000r/min。根据数值模拟结果，可以得到传统轴向直通接受孔的速度流线图5和径向跑道斜孔式接受孔的速度流线图6。从图5中可以看到，喷嘴出口带有高旋转比的气流经过预旋腔后，进入轴向直通接受孔，由于气流方向与孔轴向截面存在较大夹角，所以在轴向直通接受孔入口处阻碍了气流的流动，在孔的背风面处形成了漩涡，导致孔内流动损失增大。从图6中可以看到，由于径向跑道斜孔式接受孔沿周向旋转了一定角度，具有合适的进气角度，所以孔内没有形成明显的漩涡，流动损失较小。
表2给出了传统轴向直通孔与径向跑道斜孔式接受孔的数值模拟结果对比。可以看到径向跑道斜孔式接受孔的流量系数比传统轴向直通接受孔高20％，说明孔内的流动损失有所降低。气流流入传统轴向直通孔前后，旋转比分别为1.63和1.01，降幅为38％。对于径向跑道斜孔式接受孔，入口处旋转比为2.05，出口处旋转比为1.73，降幅为15.6％，说明孔内气流周向速度衰减幅度减小。在供气孔入口处，旋转比从0.77提高到0.89，更有利于气流进入供气孔，减小了在供气孔入口处的流动损失。从表中还可以看到，采用径向跑道斜孔式接受孔后，喷嘴压比从1.31提高到了1.50，可以使气流在喷嘴出口处获得更大的周向速度及温降；系统温降效率从0.22增加到了0.37，提高了预旋系统的温降性能。

Claims (2)

1.一种用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，包括沿周向均匀分布的多个接受孔；其特征在于：所述接受孔采用径向跑道斜孔式接受孔16，轴向截面由两个平行的直道和两个半径相等的弯道组成，且孔沿盖板盘转动方向设有偏转角度α；所述接受孔的邻边为直道，上下为弯道；所述偏转角度α为接受孔进口截面13与接受孔的流通面15的截面法线的夹角。
2.根据权利要求1所述用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘，其特征在于：所述偏转角度α为30°。
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