CN111350549B - 一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明针对空气涡轮火箭发动机进口温度亟需提高的需求，设计了一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，该结构在涡轮静叶内部布置内部冲击冷却通道，利用润滑油将热量从涡轮静叶的高温区域通过冷却通道回路向涡轮外部高效快速传出，可有效降低涡轮叶片表面温度，从而为空气涡轮火箭发动机富燃工质涡轮叶片冷却提供新方案。

Description

一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构
技术领域
本发明属于燃气涡轮叶片冷却技术，涉及一种适用于富燃工质涡轮高温叶片的冷却结构，尤其涉及一种利用润滑油冷却富燃工质涡轮静叶的结构，可应用于空气涡轮火箭发动机富燃工质涡轮静子叶片的冷却。
背景技术
空气涡轮火箭发动机作为组合循环发动机的一种，其比冲高于火箭发动机，推重比高于航空发动机，速度、高度适应范围广，可满足临近空间飞行器对动力装置的需求。为进一步提高空气涡轮火箭发动机的推重比和比冲，在热力学方面的主要方法就是不断提高涡轮前的温度。然而空气涡轮火箭发动机涡轮部件由燃气发生器产生的高温高压富燃燃气驱动，富燃燃气与空气接触燃烧，无法引入压气机的排气来冷却涡轮叶片，涡轮进口温度不能超过涡轮叶片材料的使用极限，导致涡轮进口温度的提升受限，给空气涡轮火箭发动机性能的提升带来极大挑战。基于上述问题，亟需寻求一种适用于富燃工质涡轮的叶片冷却结构及方法，达到提升涡轮进口温度进而提升空气涡轮火箭发动机总体性能的目的。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，利用润滑油将热量从高温静叶的高温区域通过冷却通道回路向涡轮外部传出，实现富燃工质涡轮高温静叶的高效冷却。
为达到上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，所述富燃工质涡轮包括同心设置的环形涡轮外机匣、环形涡轮叶片轮毂以及沿周向均匀设置在二者之间的多个涡轮静叶，其中，各所述涡轮静叶的顶部与所述涡轮外机匣的内壁连接，各所述涡轮静叶的底部与所述涡轮叶片轮毂的外壁连接，其特征在于：
各所述涡轮静叶内部设有冷却通道，且各所述涡轮静叶的顶部设有与叶片内部冷却通道连通的进油口，各所述涡轮静叶的底部设有与叶片内部冷却通道连通的排油口。
所述涡轮外机匣的外侧同心布置一环形滑油集油腔，所述滑油集油腔的外周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油供油管，所述滑油集油腔的内周壁上沿周向设有多个滑油出油管，且各所述滑油出油管穿过所述涡轮外机匣与各所述涡轮静叶顶部的叶片内部冷却通道的进油口一一对应连通。
所述涡轮叶片轮毂的内侧同心布置一环形出油集油腔，所述出油集油腔的外周壁上沿周向设有多个滑油集油管，且各所述滑油集油管穿过所述涡轮叶片轮毂与各所述涡轮静叶底部的叶片内部冷却通道的排油口一一对应连通，且所述出油集油腔的内周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油排油管。
优选地，所述富燃工质涡轮的外部设置一用以冷却滑油的换热器，所述换热器热侧的进油口通过管路与所述出油集油腔内周壁上的滑油排油管连通，所述换热器热侧的出油口通过管路与所述环形滑油集油腔外周壁上的滑油供油管连通。
本发明的上述适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构中，外部供应的润滑油通过滑油供油管1进入滑油集油腔中，之后通过各滑油出油管将润滑油一一供应至各富燃工质涡轮的涡轮静叶内部的冷却通道中。叶片内部冷却通道内的润滑油将热量通过冷却通道回路向涡轮外部传出，实现对富燃工质涡轮静叶的冷却。润滑油从进油集油腔流入各涡轮静叶内部的冷却通道，沿着叶片内部冷却通道换热后流出涡轮静叶，通过位于涡轮叶片外部的出油集油腔进入滑油换热器，冷却降温后重新流入叶片内部冷却通道，实现对涡轮静叶的持续冷却。
优选地，在各所述涡轮静叶的高温区域内部布置所述冷却通道，所述高温区域优选地靠近所述涡轮静叶的前缘区域和/或尾缘区域。
进一步地，所述冷却通道沿径向、轴向或其他方式布置于所述涡轮静叶内部。
优选地，各所述涡轮静叶内部的冷却通道由一沿叶片高度方向延伸的隔板分隔为前后两个独立的冷却腔室，其中前冷却腔室靠近叶片前缘区域布置，后冷却腔室靠近叶片尾缘区域布置，并在靠近叶片尾缘区域的后冷却腔室中布置扰流柱，起到强化换热的作用。
优选地，各所述涡轮静叶内部的冷却通道沿流动垂直法向上的内部横截面可为圆形、矩形或其他形状，且冷却通道的横截面积及形状沿滑油流动方向可变。
优选地，各所述涡轮静叶内部的冷却通道中心线沿着流动方向可为直线、蛇形曲线或其他形式。
优选地，各所述涡轮静叶内部的冷却通道可采用与叶片相同的材料或其他合金材料制作而成。
优选地，各所述涡轮静叶内部的冷却通道可通过铸造或直接机加工的方式成型于涡轮静叶内部，使涡轮静叶和冷却通道结合为一体。
同现有技术相比，本发明的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构能够达到如下效果：
1）本发明利用润滑油将热量通过冷却通道回路向涡轮外部传出，实现了对空气涡轮火箭发动机富燃工质涡轮高温静叶的高效冷却，可有效提高涡轮静叶的使用寿命。2）可大大提高富燃工质涡轮的进口温度，进而提升空气涡轮火箭发动机的推重比与比冲。3）本发明提供的冷却结构成本低，且叶片可靠性高。4）本发明提供的冷却结构，与常规航空发动机冷却相比，无需引压气机排气，回避了富燃工质与空气接触燃烧问题，安全可靠。
附图说明
图1是本发明的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构示意图。
图2是涡轮静叶内部的单通道冷却结构示意图。
图3是涡轮静叶内部冷却结构示意图。
图4是图3中A-A部位剖视图。
图5为涡轮静叶压力面的温度云图。
图6为涡轮静叶吸力面的温度云图。
图7为涡轮静叶的等效应力云图。
标号说明：滑油供油管1、滑油集油腔2、涡轮外机匣3、涡轮静叶4、涡轮叶片轮毂5、出油集油腔6、滑油排油管7、滑油出油管8、滑油集油管9、涡轮静叶吸力面10、隔板11、涡轮静叶压力面12、扰流柱13。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1-4所示，本发明的富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，富燃工质涡轮包括同心设置的环形涡轮外机匣3、环形涡轮叶片轮毂5以及沿周向均匀设置在二者之间的多个涡轮静叶4，其中，各涡轮静叶4的顶部与涡轮外机匣3的内壁连接，各涡轮静叶4的底部与涡轮叶片轮毂5的外壁连接。各涡轮静叶4内部设有冷却通道，且各涡轮静叶4的顶部设有与叶片内部冷却通道连通的进油口，各涡轮静叶4的底部设有与叶片内部冷却通道连通的排油口；涡轮外机匣3的外侧同心布置一环形滑油集油腔2，滑油集油腔2的外周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油供油管1，滑油集油腔2的内周壁上沿周向设有多个滑油出油管8，且各滑油出油管8穿过涡轮外机匣3与各涡轮静叶4顶部的叶片内部冷却通道的进油口一一对应连通；涡轮叶片轮毂5的内侧同心布置一环形出油集油腔6，出油集油腔6的外周壁上沿周向设有多个滑油集油管9，且各滑油集油管9穿过涡轮叶片轮毂5与各涡轮静叶4底部的叶片内部冷却通道的排油口一一对应连通，且出油集油腔6的内周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油排油管7。
作为一种优选的实例，富燃工质涡轮的外部还设置一用以冷却滑油的换热器（图中未示出），换热器热侧的进油口通过管路与出油集油腔6内周壁上的滑油排油管7连通，换热器热侧的出油口通过管路与环形滑油集油腔2外周壁上的滑油供油管1连通。
本发明的上述适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构中，在富燃工质涡轮的涡轮外机匣3外部布置滑油集油腔2，润滑油通过滑油供油管1进入滑油集油腔2中，之后通过各滑油出油管8将润滑油一一供应至各涡轮静叶内部的冷却通道中。润滑油在涡轮静叶内部吸收热量，并将热量通过冷却通道回路向涡轮外部传出，实现对富燃工质涡轮静叶的冷却。润滑油从进油集油腔流入各涡轮静叶内部的冷却通道，沿着叶片内部冷却通道换热后流出涡轮静叶，通过位于涡轮叶片外部的出油集油腔进入滑油换热器，冷却降温后重新流入叶片内部冷却通道，实现对涡轮静叶的持续冷却。
作为优选的实例，各涡轮静叶内部的冷却通道沿径向布置于涡轮静叶内部。冷却通道由一沿叶片高度方向延伸的隔板11分隔为前后两个独立的冷却腔室，其中前冷却腔室靠近叶片前缘区域布置，后冷却腔室靠近叶片尾缘区域布置，并在近叶片尾缘区域的后冷却腔室中布置扰流柱13，起到强化换热的作用。
作为优选的实例，各涡轮静叶内部的冷却通道沿流动垂直法向上的内部横截面为圆形，且冷却通道的横截面积及形状沿滑油流动方向不变。冷却通道中心线沿着流动方向为直线。冷却通道可采用与叶片相同的材料制作而成。此外，冷却通道可通过铸造的方式成型于涡轮静叶内部，使涡轮静叶和冷却通道结合为一体。
作为优选的实例，各涡轮静叶内部的冷却通道与外部滑油换热器通过管路形成闭合回路，润滑油从进油集油腔流入叶片冷却通道，沿着叶片内部冷却通道换热后流出叶片，通过位于涡轮叶片外部的出油集油腔进入滑油换热器，冷却降温后重新流入叶片内部冷却通道，实现对涡轮叶片的持续冷却。
如图5-7所示，数值计算结果显示：润滑油流经冷却通道后涡轮静叶的叶表（包括涡轮静叶吸力面10和涡轮静叶压力面12）最高温度由1200K降低至1180K。通过图5-7所示的涡轮静叶压吸力面10和压力面12表面的温度分布云图与等效应力分布云图可见，本发明提出的冷却结构在满足涡轮静叶强度的同时，可有效降低涡轮静叶的温度，有益于提升涡轮进口温度。
综上所述，本发明可直接应用于空气涡轮火箭发动机富燃工质涡轮静叶，利用润滑油将热量通过冷却通道回路向涡轮外部传出，实现对富燃工质涡轮静叶的冷却。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实例，其几何形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构想所述的构造、特征及原理所作的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，应用于空气涡轮火箭发动机富燃工质涡轮静子叶片的冷却，所述富燃工质涡轮包括同心设置的环形涡轮外机匣、环形涡轮叶片轮毂以及沿周向均匀设置在二者之间的多个涡轮静叶，其中，各所述涡轮静叶的顶部与所述涡轮外机匣的内壁连接，各所述涡轮静叶的底部与所述涡轮叶片轮毂的外壁连接，其特征在于：
各所述涡轮静叶内部设有冷却通道，且各所述涡轮静叶的顶部设有与叶片内部冷却通道连通的进油口，各所述涡轮静叶的底部设有与叶片内部冷却通道连通的排油口，
所述涡轮外机匣的外侧同心布置一环形滑油集油腔，所述滑油集油腔在径向上与所述涡轮外机匣的外周壁之间具有径向间隔，所述滑油集油腔的外周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油供油管，所述滑油集油腔的内周壁上沿周向设有多个滑油出油管，且各所述滑油出油管穿过所述涡轮外机匣与各所述涡轮静叶顶部的叶片内部冷却通道的进油口一一对应连通，
所述涡轮叶片轮毂的内侧同心布置一环形出油集油腔，所述出油集油腔在径向上与所述涡轮叶片轮毂的内侧壁之间具有径向间隔，所述出油集油腔的外周壁上沿周向设有多个滑油集油管，且各所述滑油集油管穿过所述涡轮叶片轮毂与各所述涡轮静叶底部的叶片内部冷却通道的排油口一一对应连通，且所述出油集油腔的内周壁上沿周向设有至少一个与其连通的滑油排油管；
所述富燃工质涡轮的外部设置一用以冷却滑油的滑油换热器，所述滑油换热器热侧的进油口通过管路与所述出油集油腔内周壁上的滑油排油管连通，所述滑油换热器热侧的出油口通过管路与所述滑油集油腔外周壁上的滑油供油管连通；
滑油从所述滑油集油腔流入各涡轮静叶内部的冷却通道，沿着冷却通道换热后流出涡轮静叶，之后通过所述出油集油腔进入所述滑油换热器，冷却降温后的滑油重新流入叶片内部的冷却通道，实现对涡轮静叶的持续冷却。
2.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：在各所述涡轮静叶的高温区域内部布置所述冷却通道，所述高温区域为靠近所述涡轮静叶的前缘区域和/或尾缘区域。
3.根据权利要求2所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：所述冷却通道沿径向或轴向布置于所述涡轮静叶内部。
4.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：各所述涡轮静叶内部的冷却通道由一沿叶片高度方向延伸的隔板分隔为前后两个独立的冷却腔室，其中前冷却腔室靠近叶片前缘区域布置，后冷却腔室靠近叶片尾缘区域布置，并在靠近叶片尾缘区域的后冷却腔室中布置扰流柱，起到强化换热的作用。
5.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：各所述涡轮静叶内部的冷却通道沿流动垂直方向上的内部横截面为圆形或矩形，且冷却通道的横截面积沿滑油流动方向变化。
6.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：各所述涡轮静叶内部的冷却通道中心线沿着流动方向为直线或蛇形曲线。
7.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：各所述涡轮静叶内部的冷却通道采用与叶片相同的材料制作而成。
8.根据权利要求1所述的适用于富燃工质涡轮高温静叶的冷却结构，其特征在于：各所述涡轮静叶内部的冷却通道通过铸造或直接机加工的方式成型于涡轮静叶内部，使涡轮静叶和冷却通道结合为一体。
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