CN110886654A - 一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构 - Google Patents

一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构 Download PDF

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张凯
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Abstract

本发明公开了一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，包括依次连通的集气腔、预旋喷嘴、转静腔、接受孔、共转腔、供气孔。所述狭缝式接受孔开设在导流盘上且沿周向均匀分布，狭缝式接受孔长宽比L/W为1~30。本发明与传统圆型接受孔相比，能够使气流更加顺畅从转静腔流入接受孔进而输送到共转腔。降低了接受孔内部的流动损失，提高了预旋系统的温降。这对于提高冷却空气的品质进而提高发动机整体性能有十分重要的意义。

Description

一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构
技术领域
本发明属于燃气轮机(含地面燃气轮机和航空发动机)空气系统径向预旋冷却技术领域，特别涉及一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构。
背景技术
燃气轮机由于其具有体积小，响应速度快，效率高，功率大等特点，目前被广泛应用于航空航天、船舶、电厂发电及其他各种工业领域。随着现代燃气轮机需求的不断提高，涡轮前温度急剧升高，涡轮叶片和火焰筒等热端部件承担的热负荷急剧增加，导致热端部件寿命受到严重影响，故需求发展高效冷却技术。
径向预旋空气系统作为一种新型降温方式已经应用到燃气轮机中，其功用是将冷却空气膨胀加速并产生周向偏转，从而降低了空气相对于转盘和涡轮叶片的相对总温，提高冷却效果。性能优良的径向预旋系统可以使冷气温度降低100K，极大增强了对涡轮盘、涡轮叶片的冷却，对提高燃气轮机高温部件耐久性，提升发动机整体效率有重要意义。
径向预旋系统主要包括预旋喷嘴，预旋腔、转动的接受孔，共转腔和转动的供气孔等元件。预旋喷嘴的主要功能是使气流偏转和加速，产生尽量大的周向速度，常见的预旋喷嘴有直孔式、气动孔、叶片式等。预旋腔的主要功能是实现静止和转子部件的切换，并且需要篦齿封严结构对冷却气流进行密封。接受孔的主要功能是接收经过预旋的气流流入到高速旋转的共转腔中，目前见到的主要型式是轴向的直通孔。共转腔的主要功能是隔离低温的冷却气流，防止与其它气流(封严泄漏流和入侵燃气等)掺混而导致冷却品质的降低，并将冷气传送到高半径的供气孔。
气流在预旋系统中会经历一系列复杂的气动热力学变化，一定压力和温度的冷气经过预旋喷嘴的加速和偏转后，速度可以接近于音速，并且主要沿着周向，静压和静温大幅度降低。进入转动系统后，由于转子作功和离心升压等效应，气流的压力和温度升高。并且在转子系统内，对冷却起作用的是冷气的相对总温、相对总压和相对速度，因此还需要将绝对总参数转换为相对总参数。
发明内容
为了进一步提升径向预旋系统的性能，提高系统温降及减少流动损失，克服现有技术中直孔型接受孔制约的问题，本发明提出一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，该结构在导流盘上开设狭缝式接受孔且供气孔长宽比L/W为1～30。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，包括固定于主轴14外的第二涡轮机匣3、涡轮盘2和第一涡轮机匣9，所述涡轮盘2和第一涡轮机匣9之间设置有导流盘8，所述第一涡轮机匣9上设置有集气腔16和预旋喷嘴10，第一涡轮机匣9和导流盘8的结构间隙构成转静腔17，所述导流盘8上设置有狭缝式接受孔11，所述导流盘8与涡轮盘2的盘间间隙构成共转腔15，所述涡轮盘2上开设置有供气孔4，所述涡轮盘2外设置有涡轮动叶6，供气孔4与涡轮动叶6相通，所述第一涡轮机匣9和第三涡轮机匣5之间设置有涡轮静叶7，所述涡轮动叶6和涡轮静叶7的位置相对应，预旋冷却空气自集气腔16经预旋喷嘴10进入转静腔17，冷却空气膨胀加速并产生周向分速度，再经狭缝式接受孔11引导进入共转腔15，最后通过供气孔4进入涡轮动叶6，为涡轮动叶6提供低温高压冷却空气。高温燃气分别通过涡轮静叶7和涡轮动叶6经主流通道流出。
进一步的，所述狭缝式供气孔11开设在导流盘8上且沿周向均匀分布，所述预旋喷嘴10开设在第一涡轮机匣9上且沿周向均匀分布，所述供气孔4开设在涡轮盘2上且沿周向均匀分布。
进一步的，所述狭缝式供气孔11的长宽比L/W为1～30。
进一步的，所述狭缝式供气孔11的个数为2～50。
进一步的，所述狭缝式供气孔11与预旋喷嘴10在同一轴向位置。
进一步的，所述狭缝式供气孔11的中心线与预旋喷嘴10的中心线重合。
进一步的，所述导流盘8通过凹头螺钉12与涡轮盘2配合安装并与涡轮盘2以相同的速度旋转。
进一步的，所述涡轮动叶6与涡轮盘2采用榫头联接。
进一步的，所述涡轮盘2通过螺钉固定于主轴14上。
进一步的，所述第二涡轮机匣3通过第一角接触球轴承1过盈配合安装在主轴14外；所述第一涡轮机匣9通过第二角接触球轴承13过盈配合安装在主轴14外。
进一步的，所述第一涡轮机匣9、第二涡轮机匣3、第三涡轮机匣5、涡轮静叶7、预旋喷嘴10均为静止件；所述狭缝式接受孔11、涡轮盘2、导流盘8、供气孔4、涡轮动叶6均为转动件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，相比于传统直孔型接受孔结构，可以使冷却气流更加顺畅地由转静腔引导至共转盘腔，有效降低接受孔处的流动损失，提高预旋喷嘴、接受孔的流量系数。在相同的系统进出口压比条件下，狭缝式接受孔比传统直孔型接受孔有更大的系统温降。
附图说明
图1是径向预旋系统结构剖面示意图；
图2是预旋喷嘴、狭缝式接受孔结构剖面示意图；
图3是径向预旋系统流路三维剖面示意图；
图4是径向预旋系统温降机理示意图；
图5是径向预旋系统三维剖面装配图；
图6是狭缝式接受孔结构示意图；
图7是狭缝式接受孔剖面示意图；
其中：1-第一角接触球轴承，2-涡轮盘，3-第二涡轮机匣，4-供气孔，5-第三涡轮机匣，6-涡轮动叶，7-涡轮静叶，8-导流盘，9-第一涡轮机匣，10-预旋喷嘴，11-狭缝式接受孔，12-凹头螺钉，13-第二角接触球轴承，14-主轴，15-共转腔，16-集气腔，17-转静腔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图4所示，本发明的原理：对径向预旋空气系统温降机理进行分析，0-0、1-1、2-2分别代表预旋喷嘴进口、预旋喷嘴出口、供气孔出口。R0和R2分别代表预旋喷嘴进口及供气孔出口所在位置半径，以主轴的轴心作为中心轴。
旋流比：
Figure BDA0002248601910000031
系统温降：
Figure BDA0002248601910000032
式中：ω为转盘旋转角速度(rad/s)；VΦ为喷嘴出口气流绝对周向速度(m/s)；r为喷嘴出口半径(m)。
Figure BDA0002248601910000033
为冷气进口总温(K)；
Figure BDA0002248601910000034
为冷气出口相对总温(K)；Cp为气流定压比热容(J/(kg·K))。
由公式(2)可知，当预旋喷嘴进口及供气孔出口所在位置半径不变时，气流定压比热容变化很小时，系统温降仅与喷嘴出口气流旋流比Sr有关，且随着喷嘴出口气流旋流比的增加而增大。喷嘴出口气流旋流比的提高源于喷嘴处的膨胀加速，当预旋系统进出口条件为定值时，为提高喷嘴性能，需减少气流在喷嘴后的流动损失，进而降低喷嘴出口的静压，提高喷嘴出口气流流速。接受孔在预旋喷嘴下游，是影响径向预旋系统流阻、温降特性的重要节流元件，接受孔的主要作用是将冷却气流由转静腔引导输送至共转腔，相比与传统直孔型接受孔，狭缝式接受孔可以大幅度提高接受孔的有效流通面积，减少接受孔壁面对冷却气流所做的功，从而增大喷嘴出口气流的旋流比，进而提高径向预旋系统的温降以及降低系统的流动损失。
如图1-7所示，一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，集气腔、预旋喷嘴、转静腔、接受孔、共转腔、供气孔依次连通，结构包括主轴14、涡轮盘2、第一涡轮机匣9、第二涡轮机匣3、第三涡轮机匣5和导流盘8，第二涡轮机匣3通过第一角接触球轴承1过盈配合安装在主轴14外；第一涡轮机匣9通过第二角接触球轴承13过盈配合安装在主轴14外，涡轮盘2通过螺钉固定于主轴14上，所述涡轮盘2和第一涡轮机匣9之间设置有导流盘8，且导流盘8通过凹头螺钉12与涡轮盘2配合安装并与涡轮盘2以相同的速度旋转，所述第一涡轮机匣9上设置有集气腔16和预旋喷嘴10，第一涡轮机匣9和导流盘8的结构间隙构成转静腔17，所述导流盘8上设置有狭缝式接受孔11，所述导流盘8与涡轮盘2的盘间间隙构成共转腔15，所述涡轮盘2上开设置有供气孔4，所述涡轮盘2外设置有涡轮动叶6，且涡轮动叶6与涡轮盘2采用榫头联接，供气孔4与涡轮动叶6相通，所述第一涡轮机匣9和第三涡轮机匣5之间设置有涡轮静叶7，所述涡轮动叶6和涡轮静叶7的位置相对应；高温燃气分别通过涡轮静叶7和涡轮动叶6经主流通道流出；预旋冷却空气自集气腔16经预旋喷嘴10进入转静腔17，冷却空气膨胀加速并产生周向分速度，再经狭缝式接受孔11引导进入共转腔15，最后通过供气孔4进入涡轮动叶6，为涡轮动叶6提供低温高压冷却空气。
所述狭缝式供气孔11、预旋喷嘴10和供气孔4均为若干个，所述狭缝式供气孔11开设在导流盘8上且沿周向均匀分布，所述预旋喷嘴10开设在第一涡轮机匣9上且沿周向均匀分布，所述供气孔4开设在涡轮盘2上且沿周向均匀分布；所述狭缝式供气孔11的长宽比L/W为1～30，所述狭缝式供气孔11的个数为2～50；所述狭缝式供气孔11与预旋喷嘴10在同一轴向位置，所述狭缝式供气孔11的中心线与预旋喷嘴10的中心线重合。
所述第一涡轮机匣9、第二涡轮机匣3、第三涡轮机匣5、涡轮静叶7、预旋喷嘴10均为静止件；所述狭缝式接受孔11、涡轮盘2、导流盘8、供气孔4、涡轮动叶6均为转动件。
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 (10)

1.一种用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：包括固定于主轴（14）外的第二涡轮机匣（3）、涡轮盘（2）和第一涡轮机匣（9），所述涡轮盘（2）和第一涡轮机匣（9）之间设置有导流盘（8），所述第一涡轮机匣（9）上设置有集气腔（16）和预旋喷嘴（10），第一涡轮机匣（9）和导流盘（8）的结构间隙构成转静腔（17），所述导流盘（8）上设置有狭缝式接受孔（11），所述导流盘（8）与涡轮盘（2）的盘间间隙构成共转腔（15），所述涡轮盘（2）上开设有供气孔（4），所述涡轮盘（2）外设置有涡轮动叶（6），供气孔（4）与涡轮动叶（6）相通，所述第一涡轮机匣（9）和第三涡轮机匣（5）之间设置有涡轮静叶（7），所述涡轮动叶（6）和涡轮静叶（7）的位置相对应，预旋冷却空气自集气腔（16）经预旋喷嘴（10）进入转静腔（17），冷却空气膨胀加速并产生周向分速度，再经狭缝式接受孔（11）引导进入共转腔（15），最后通过供气孔（4）进入涡轮动叶（6），为涡轮动叶（6）提供低温高压冷却空气。
2.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述狭缝式供气孔（11）开设在导流盘（8）上且沿周向均匀分布，所述预旋喷嘴（10）开设在第一涡轮机匣（9）上且沿周向均匀分布，所述供气孔（4）开设在涡轮盘（2）上且沿周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述狭缝式供气孔（11）的长宽比L/W为1~30。
4.根据权利要求2所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述狭缝式供气孔（11）的个数为2~50。
5.根据权利要求2所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述狭缝式供气孔（11）与预旋喷嘴（10）在同一轴向位置。
6.根据权利要求5所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述狭缝式供气孔（11）的中心线与预旋喷嘴（10）的中心线重合。
7.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述导流盘（8）通过凹头螺钉（12）与涡轮盘（2）配合安装并与涡轮盘（2）以相同的速度旋转。
8.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述涡轮动叶（6）与涡轮盘（2）采用榫头联接。
9.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述涡轮盘（2）通过螺钉固定于主轴（14）。
10.根据权利要求1所述的用于径向预旋系统的狭缝式接受孔结构，其特征在于：所述第二涡轮机匣（3）通过第一角接触球轴承（1）过盈配合安装在主轴（14）外；所述第一涡轮机匣（9）通过第二角接触球轴承（13）过盈配合安装在主轴（14）外。
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