CN110735670A - 一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机控制技术领域，具体涉及一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，包括设置在旋转螺栓两端的集气腔与排气腔，以及连通所述集气腔与排气腔的流道，所述流道包括入口段、过渡段及出口段；所述过渡段的流道方向平行于所述旋转螺栓的旋转轴线，所述入口段自所述集气腔起，沿第一弯曲方向延伸至所述过渡段，所述第一弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相同的分量，所述出口段自所述过渡段(32)起，沿第二弯曲方向延伸至所述排气腔，所述第二弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相反的分量。本申请有效降低了转转系下旋转螺栓的风阻温升，适用与航空发动机狭小腔室的环境。

Description

一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构
技术领域
本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构。
背景技术
航空发动机是一种复杂而又精密的机械产品，具有旋转速度高、推力大、可靠性强等特点。航空发动机中普遍存在一种安装在旋转件上的螺栓结构，该结构对流经此处的气流起到了搅拌做功的作用，大大提高了气流的沿程温升，不利于发动机的冷却，对发动机的安全造成了不利影响。
目前通常的应对螺栓风阻温升的办法包括两种，分别是：
a)设计螺栓形状，比如，将其设计成水滴形等低流阻的新型形状；
b)对螺栓进行包覆，通过光滑的包覆面减少螺栓对气流的扰流作用。
设计螺栓形状技术方案的缺点包括：
a)通常流阻小的新型结构比如水滴形结构的加工难度都很大，由此带来了成本高、加工时间长等问题；
b)其用于转转系时，降温升效果差。
对螺栓进行包覆的技术方案的缺点是：
a)其装配难度大，在航空发动机典型狭小腔室内很难适用，可行性不佳；
b)其用于转转系时，降温升效果差。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，包括：
设置在旋转螺栓两端的集气腔与排气腔，以及连通所述集气腔与排气腔的流道，所述流道自集气腔至排气腔的方向依次包括入口段、过渡段及出口段；
气流在所述集气腔内具有相对于所述旋转螺栓周向转动方向的气流相对流动方向；
所述过渡段的流道方向平行于所述旋转螺栓的旋转轴线，所述入口段自所述集气腔起，沿第一弯曲方向延伸至所述过渡段，所述第一弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相同的分量，所述出口段自所述过渡段起，沿第二弯曲方向延伸至所述排气腔，所述第二弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相反的分量。
优选的是，所述出口段具有自所述过渡段向所述排气腔逐步收敛的通道结构。
优选的是，所述流道具有多个，沿旋转螺栓环向布置。
优选的是，所述过渡段与所述入口段圆滑过渡。
优选的是，所述过渡段与所述出口段圆滑过渡。
本申请设计的降低旋转螺栓风阻温升的结构，具有以下两个优点：第一，有效降低转转系下旋转螺栓的风阻温升；第二：不采用加工工艺复杂、装配复杂的结构，适用航空发动机狭小腔室的环境。
附图说明
图1是现有的航空发动机转转系螺栓结构示意图。
图2是本申请的航空发动机旋转螺栓的流路示意图。
图3是本申请的航空发动机旋转螺栓的平面原理图。
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。
本申请提供了一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，适用于转转系螺栓，不适用于转静系螺栓。采用本申请设计的结构，可以有效解决螺栓风阻温升过大的问题，有利于提高航空发动机的冷却效果。
本申请所指的转转系螺栓是指安装在转子件上且其对面仍然是转子件的螺栓，转静系螺栓是指安装在转子件上但其对面是静子件的螺栓。带转转系螺栓的典型航空发动机结构如图1所示，图中壁面都是转动壁面。
以图2为例对转转系螺栓与转静系螺栓进一步说明，转转系中，气流在集气腔内具有第一周向转动速度，螺栓具有第二周向转动速度，通常第二周向转动速度大于第一周向转动速度，转静系中，气流在集气腔中没有周向转动速度。
转转系中气流的主要流向是周向流动，径向流动和轴向流动通常较小。由于来流的周向速度小(旋流比小于1)，螺栓的周向速度大，螺栓推动气流做功，就会导致气流绝对总温增加。也就是说，旋转螺栓产生风阻温升的原因是：旋转螺栓对流经其附近的流体做功，导致气流绝对总温升高。本申请设计的出发点不是修改螺栓，而是通过某种低损失的方法，使气流在流经螺栓之前周向加速以致达到或超过螺栓的周向速度，从而降低全程的气流风阻温升。
本领域可以理解的是，旋流比即当地气流周向速度与转子壁面周向速度之比，是一个表征气流与转子壁面相对周向运动的无量纲数。
本申请设计的降低旋转螺栓风阻温升的流通结构如图2所示，图中实体表示的是流体域，空白位置为固体域。流通通道的平面二维图如图3所示，其中，阴影部分为实体结构，空白部分为流道，箭头为流体相对旋转件的流动方向，也即相对速度方向。本申请结构即是对图1中的流道进行改进设计，将整环形的通道改为U型通道，即流道3，用于连接集气腔1与排气腔2。该U型通道共分为三段，自集气腔1至排气腔2的方向依次包括入口段31、过渡段32及出口段33；
气流在所述集气腔1内具有相对于所述旋转螺栓周向转动方向的气流相对流动方向；
所述过渡段32的流道方向平行于所述旋转螺栓的旋转轴线，所述入口段31自所述集气腔1起，沿第一弯曲方向延伸至所述过渡段32，所述第一弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相同的分量，所述出口段33自所述过渡段32起，沿第二弯曲方向延伸至所述排气腔2，所述第二弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相反的分量。
通过该种措施，将气流流动方向由A→B→C改为A→D→E→F→G的方向流动，采取的结构措施即是在转动件上增加部分实体，其形状由上述内容进行控制。
在一些可选实施方式中，所述出口段33具有自所述过渡段32向所述排气腔2逐步收敛的通道结构。
在一些可选实施方式中，所述流道3具有多个，沿旋转螺栓环向布置。
在一些可选实施方式中，所述过渡段32与所述入口段31圆滑过渡。
在一些可选实施方式中，所述过渡段32与所述出口段33圆滑过渡。
本申请的降低风阻温升的平面流路原理图见图3，其中，阴影部分为实体结构，空白部分为流道，箭头为相对旋转件的流动方向，也即相对速度方向。具体原理如下：
a)入口段为旋流比小于1的阶段，此段需迎向气流的相对速度方向，通过此种方式减小气流的入口损失，降低风阻加功量。以图2的右视图为例，旋转螺栓具有逆时针的转动方向，其速度大于气流的转动速度，导致气流具有相对的顺时针转动方向，此时入口段31为了接纳气流，其自集气腔1沿顺时针进行弯曲，这样气流比较容易得进入到入口段。
b)在流道中段，即过渡段32，流道方向与轴向平行，与入口段之间的中间过程圆滑过渡，效果是使气流的旋流比逐渐过渡为1。通过缓慢过渡，减小沿程气流与转子件之间的周向速度梯度，从而大幅减小耗散项，降低风阻温升。
c)在流道后段，即出口段33，流道方向向反方向倾斜，且该通道为收敛型通道(即流通面积逐渐缩小的通道)，目的是使气流变向且膨胀加速，周向旋流比超过1，进而进入螺栓区域后对螺栓做功或保持与螺栓保持相对静止(原因是根据角动量守恒，径向向外流动会导致旋流比减小)，进一步降低风阻温升。
需要说明的是，由过渡段32至出口段33过渡时，旋流比超过1，由于径向外流会衰减，最终在出口段33连接排气腔处的旋流比可以控制到接近1。
详细的通道偏转角度、通道收敛程度等尺寸有赖进一步详细的计算设计。本申请设计的降低旋转螺栓风阻温升的结构，具有以下两个优点：第一，有效降低转转系下旋转螺栓的风阻温升；第二：不采用加工工艺复杂、装配复杂的结构，适用航空发动机狭小腔室的环境。
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)

1.一种降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，其特征在于，包括：
设置在旋转螺栓两端的集气腔(1)与排气腔(2)，以及连通所述集气腔(1)与排气腔(2)的流道(3)，所述流道(3)自集气腔(1)至排气腔(2)的方向依次包括入口段(31)、过渡段(32)及出口段(33)；
气流在所述集气腔(1)内具有相对于所述旋转螺栓周向转动方向的气流相对流动方向；
所述过渡段(32)的流道方向平行于所述旋转螺栓的旋转轴线，所述入口段(31)自所述集气腔(1)起，沿第一弯曲方向延伸至所述过渡段(32)，所述第一弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相同的分量，所述出口段(33)自所述过渡段(32)起，沿第二弯曲方向延伸至所述排气腔(2)，所述第二弯曲方向具有与所述气流相对流动方向相反的分量。
2.如权利要求1所述的降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，其特征在于，所述出口段(33)具有自所述过渡段(32)向所述排气腔(2)逐步收敛的通道结构。
3.如权利要求1所述的降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，其特征在于，所述流道(3)具有多个，沿旋转螺栓环向布置。
4.如权利要求1所述的降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，其特征在于，所述过渡段(32)与所述入口段(31)圆滑过渡。
5.如权利要求1所述的降低旋转螺栓风阻温升的流通结构，其特征在于，所述过渡段(32)与所述出口段(33)圆滑过渡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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