CN111927561A - 一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构 - Google Patents

一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构 Download PDF

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李义平
杨锐
朱培模
王开明
石伟
蒋竞升
娄春娟
栗尼娜
林垲
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    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，包括喇叭形壳体以及若干肋板，若干肋板设置在喇叭形壳体的喇叭口内侧壁上，呈放射状圆周均布，喇叭形壳体的喇叭口外缘上开设有导向槽，呈放射状圆周均布，导向槽的数量是肋板数量的A倍，A为整数，每两个相邻的肋板与喇叭形壳体的中心形成一个扇形区域，每个扇形区域内导向槽数量为A个，本发明装配于涡轮盘表面，径向分布肋板的结构工作时随涡轮转子一起旋转，空气从转子中心引入，从结构的外径排出，利用旋转肋板对空气的离心增压作用，对低压、低温的空气进行增压，使得增压后的空气压力高于涡轮叶片冷却气出口的压力。

Description

一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构。
背景技术
涡轮作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其功能是将发动机的热能和动能转换为机械能。涡轮转子叶片是涡轮部件中能量转换的一种核心零件，其工作在高温、高压的燃气环境中，使用非常苛刻，涡轮叶片冷却设计是保证叶片正常工作的一项关键技术。
由于高压涡轮叶片的工作环境压力高，这就要求冷却气同样具有较高的气体压力。目前高压涡轮叶片的冷却，主要从压气机引入冷却气。如果从压气机出口引气，空气压力满足要求，但空气的温度同样较高，涡轮叶片的冷却效果不佳，因此需对空气进行冷却，当前可采用的方案有设计专门的冷却装置或采用旋流器预旋冷却，结构一般较复杂，且使用压气机出口的气流进行冷却带来了附加的功率损失，减低了发动机的工作效率。而从压气机中部引气，空气温度低，叶片冷却效果好，与从压气机出口引气比较，发动机的功率损失较小，有利于提高发动机的工作效率，但空气压力低，满足不了高压涡轮的高压环境工作需求，有必要设计一种结构来实现对低压空气进行增压。
发明内容
发明目的：针对某型航空燃气涡轮风扇发动机涡轮叶片的冷却需求，发明出一种旋转增压结构，以解决低压低温空气对高压涡轮转子叶片的冷却问题。
技术方案：一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，包括喇叭形壳体以及若干肋板，所述的若干肋板设置在喇叭形壳体的喇叭口内侧壁上，呈放射状圆周均布，所述的喇叭形壳体的喇叭口外缘上开设有导向槽，呈放射状圆周均布，所述的导向槽的数量是肋板数量的A 倍，A为整数，每两个相邻的肋板与喇叭形壳体的中心形成一个扇形区域，每个扇形区域内导向槽数量为A个。
进一步，所述的旋转增压结构装配在涡轮盘上，并通过开口挡圈压紧喇叭形壳体的喇叭口外侧壁，实现旋转增压结构的固定。
进一步，所述的肋板为锥形结构，所述锥形结构底面设置在喇叭形壳体的喇叭口内侧壁上。
进一步，所述的肋板数量为42个，导向槽的数量为84个。
进一步，所述的A值为2。
进一步，所述的喇叭形壳体以及若干肋板的材质与涡轮盘相同，均采用粉末高温合金制造而成。
进一步，所述的喇叭形壳体中心的前端面，设置有12个定位凹槽，所述的定位凹槽用于旋转增压结构的装配定位以及带动旋转增压结构随涡轮转子一起运动。
进一步的，所述喇叭形壳体的喇叭口外侧壁上设置有一圈篦齿。
有益技术效果：本发明提出一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，装配于涡轮盘表面，设计带一组径向分布肋板的结构，该结构工作时随涡轮转子一起旋转，空气从转子中心引入，从结构的外径排出，利用旋转肋板对空气的离心增压作用，对低压、低温的空气进行增压，使得增压后的空气压力高于涡轮叶片冷却气出口的压力，本发明实现引低压、低温空气对涡轮叶片进行冷却，保证高压涡轮叶片的可靠工作，同时提高发动机的工作效率，结构简单，效果显著。
附图说明
图1为旋转增压结构侧视图；
图2为肋板与导向槽位置示意图；
图3为旋转增压结构装配功能示意图；
其中：1-喇叭形壳体，2-导向槽，3-肋板，4-开口挡圈，5-篦齿，6-定位凹槽，7-涡轮叶片，8-涡轮盘。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，包括喇叭形壳体1以及若干肋板3，所述的若干肋板3设置在喇叭形壳体1的喇叭口内侧壁上，呈放射状圆周均布，所述的喇叭形壳体1的喇叭口外缘上开设有导向槽2，呈放射状圆周均布，所述的导向槽2的数量是肋板数量的A倍，A为整数，每两个相邻的肋板3与喇叭形壳体1的中心形成一个扇形区域，每个扇形区域内导向槽2数量为A个，在本实例中，A等于2。
如图3所示，旋转增压结构装配在涡轮盘上，旋转增压结构上的肋板3贴紧涡轮盘8表面，并通过开口挡圈4压紧喇叭形壳体1的喇叭口外侧壁，实现旋转增压结构在涡轮盘8上的固定，喇叭形壳体1的内侧壁与涡轮盘8腹板的距离沿半径的增加而逐步接近，形成一个收缩的气流通道，能够对气流起到加速流动的作用。
所述的肋板3为锥形结构，所述锥形结构底面设置在喇叭形壳体1的喇叭口内侧壁上，肋板3沿放射状、直线状的设置在喇叭形壳体1的喇叭口内侧壁上，肋板3与喇叭形壳体1的喇叭口内侧壁在接触宽度沿都一直随着肋条3在喇叭形壳体1的喇叭口内侧壁逐渐升高而逐步减薄，相当于有一定的铸造拔模斜度，结构稳定性好且便于机械加工。
如图2所示，所述的肋板3数量为42个，导向槽2的数量为84个。导向槽2的数量与涡轮盘8上叶片的数量一致且装配时一一对应。肋板3和导向槽2在圆周分布上，42个肋板3为角向均匀分布，每两个肋板3之间的角度为360°/42。84个导向槽2也为角向均匀分布，每两个导向槽2之间的角度为360°/84。肋板3和导向槽2之间的角向关系为每两个肋板3形成的扇形区内对应设置了两个导向槽2，每个肋板3位于两个相邻的导向槽2中心线位置。以任意一条肋板3的对称中心线为角度的起始端，首个导向槽2的对称中心线与起始端的角度为2°8′35″。
喇叭形壳体1以及若干肋板3为一体化加工成形，材质与涡轮盘8相同，均采用粉末高温合金制造。采用相同的材料便于协调两个部分工作时的变形。同时采用粉末高温合金热等静压制造，采用粉末高温合金材料具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性以及优异的拉伸、持久、疲劳性能和长期组织稳定性，且强度高，旋转增压结构能够承受在高速旋转时带来的离心大应力。
喇叭形壳体1与涡轮盘8辐板面形成一个收缩通道，通道靠42个肋板3分割成42个扇区，每个扇区的出口对应于2个叶片的榫槽。同时为保证各个叶片冷却气进口分布均匀，在出口处切去肋板3，使得出口形成一个环腔。
喇叭形壳体1中心的前端面，设置有12个定位凹槽6，所述的定位凹槽6用于旋转增压结构的装配定位，装配时12个定位凹槽6与转子上的销子配合，用于带动旋转增压结构与涡轮盘8一起转动。
喇叭形壳体1的喇叭口外侧壁上设置有一圈篦齿5，用于涡轮转子前腔的空气封严，篦齿5利用通道的突扩和突缩来增加流阻，消耗高温燃气气流的能量，保证燃气流道内的高温燃气不流入转子的盘腔。
本实例的涡轮叶片的工作环境压力高，这就要求冷却空气同样具有较高的气体压力。引自发动机压气机中间部位冷却空气，冷却空气温度低，对涡轮叶片具有较好的冷却效果，但压气机中部引来的冷却空气压力低，直接使用该冷却空气对涡轮叶片进行冷却，满足不了涡轮叶片的高压环境工作需求。本实例中，压力低的冷却空气从旋转增压机构与涡轮盘8的中心环面进入，在通过42个肋板3分割成的42个扇区时，冷却空气被肋板3带动随转子高速旋转，在离心增压作用下，气体压力升高，当到达出口时，冷却空气压力提升了6％左右，使得冷却空气压力高于涡轮叶片工作的环境压力，冷却空气能够顺利从涡轮叶片中排出，从而实现对涡轮叶片的冷却。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：包括喇叭形壳体(1)以及若干肋板(3)，所述的若干肋板(3)设置在喇叭形壳体(1)的喇叭口内侧壁上，呈放射状圆周均布，所述的喇叭形壳体(1)的喇叭口外缘上开设有导向槽(2)，呈放射状圆周均布，所述的导向槽(2)的数量是肋板数量的A倍，A为整数，每两个相邻的肋板(3)与喇叭形壳体(1)的中心形成一个扇形区域，每个扇形区域内导向槽(2)数量为A个。
2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的旋转增压结构装配在涡轮盘(8)上，并通过开口挡圈(4)压紧喇叭形壳体(1)的喇叭口外侧壁，实现旋转增压结构的固定。
3.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的肋板(3)为锥形结构，所述锥形结构底面设置在喇叭形壳体(1)的喇叭口内侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的肋板(3)数量为42个，导向槽(2)的数量为84个。
5.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的A值为2。
6.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的喇叭形壳体(1)以及若干肋板(3)的材质与涡轮盘相同，均采用粉末高温合金制造而成。
7.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述的喇叭形壳体(1)中心的前端面设置有12个定位凹槽(6)，所述的定位凹槽(6)用于旋转增压结构的装配定位以及带动旋转增压结构随涡轮转子一起运动。
8.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片冷却的旋转增压结构，其特征在于：所述喇叭形壳体(1)的喇叭口外侧壁上设置有一圈篦齿(5)。
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