CN112049689B - 具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘 - Google Patents

Abstract

一种具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，在该盖板盘盘面的外缘均布有多个错位斜向叶型接受孔，并使各所述错位斜向叶型接受孔的进口均位于所述盖板盘外表面环形凹槽槽底表面上，各错位斜向叶型接受孔的出口均位于该盖板盘的内表面上，并分别与所述涡轮盘上的叶片供气孔连通。各错位斜向叶型接受孔内上表面为叶型吸力面，下表面为叶型压力面；各叶型吸力面与叶型压力面均为曲面。本发明通过降低自身流动损失和减小叶片供气孔处的流动损失，使喷嘴出口旋转比增大，系统温降提高。

Description

具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋供气系统应用领域，具体是一种具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘。

背景技术

航空发动机的发展对飞机的进步和发展起着极为重要的作用。提高涡轮前燃气温度是提高发动机性能的主要途径之一，涡轮前燃气温度的不断提高对叶片冷却技术提出了更高的要求。航空发动机预旋供气系统是发动机空气系统的一部分，起着给高速转动的涡轮转子叶片供给冷却气的作用。给涡轮转子叶片供气涉及到转动具有来的坐标系转换以及做功等问题，十分复杂。设计优良的预旋供气系统可使冷气温度降低100K左右，从而大大增加涡轮转子叶片的工作寿命。预旋降温的主要原理是通过预旋喷嘴加速气流并形成与涡轮盘转动方向相同的周向速度分量，降低气流静温，使气流在转子件内与转子共转，从而达到降低气流相对总温的目的。

预旋供气系统分为高位预旋供气系统和低位预旋供气系统。预旋供气系统由进气腔、预旋喷嘴、预旋腔、接受孔、盖板腔和叶片供气孔组成。其中，接受孔加工在盖板盘上，叶片供气孔加工在涡轮盘上，盖板盘与涡轮盘之间的空腔为盖板腔。为提高预旋供气系统性能，需从两方面入手：一方面需尽量提高预旋喷嘴的流量系数及预旋效率，使得气流在预旋喷嘴处损失一定的压力能获得尽可能大的周向速度以及温降效果；另一方面需要减小转动部分的流动损失，即提高转子部分的压力增量。如果系统进出口压力一定，转动部分的压增越大，喷嘴出口的压力也就越低，这会有益于气流在预旋喷嘴的膨胀加速进而获得更大的温降。

预旋供气系统中影响转子流动损失及转子压增的一个重要元件即为加工在盖板盘上的转动的接受孔。接受孔的主要功能是接受经过喷嘴预旋的气流，使其登陆到高速旋转的叶片供气孔中，在预旋供气系统中，传统接受孔多为轴向直通接受孔。在公开号为CN107313860B的专利中公开了一种用于低位预旋供气系统的叶型接受孔，该叶型接受孔提高了低位预旋供气系统10％～30％的效率。在公开号为CN108087123A的发明创造中公开了一种用于预旋供气系统的多排接受孔，用于低位预旋供气系统的接受孔至少两排，增加了接受孔的面积，提高了接受孔的流量系数。但上述技术均适用于低位预旋供气系统，对于高位预旋供气系统，尤其是当预旋喷嘴与叶片供气孔半径位置不同的高位预旋供气系统，使用的仍然为轴向直通接受孔；现有技术中的轴向直通接受孔2加工在盖板盘1上，盖板盘1与涡轮盘3通过沉头螺钉连接，盖板盘与涡轮盘围成的空腔为盖板腔5。该轴向直通接受孔2沿整环均布多个，轴向直通接受孔半径位置与喷嘴出口半径位置相同。具体如图3a-图5b所示。该轴向直通接受孔不仅自身流动损失大，流量系数低。同时由于盖板腔的存在，也会导致下游叶片供气孔流量系数的降低，使得高位预旋供气系统温降特性变差。

发明内容

为了克服现有技术存在的流量系数低、温降特性差的不足，本发明提出了一种具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘。

本发明提出的具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘盘面的外缘均布有多个错位斜向叶型接受孔，并使各所述错位斜向叶型接受孔的进口均位于所述盖板盘外表面环形凹槽槽底表面上，各所述错位斜向叶型接受孔的出口均位于该盖板盘的内表面上，并分别与所述涡轮盘上的叶片供气孔连通。

所述错位斜向叶型接受孔内上表面为叶型吸力面，各所述错位斜向叶型接受孔内下表面为叶型压力面。所述叶型吸力面为曲面，由叶型吸力样条曲线沿所在盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而形成。所述叶型压力面为曲面，由叶型压力样条曲线沿盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而形成。

样条曲线在直角坐标系下的坐标如表3所示：

表3样条曲线坐标

坐标	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y
							叶型吸力面曲线	10.58,57.60	13.14,53.81	16.15,49.35	18.82,45.69	22.78,42.72	27.08,41.23
叶型压力面曲线	10.58,40.86	12.85,38.05	16.20,35.31	20.53,33.22	23.75,32.44	27.08,32.23

所述错位斜向叶型接受孔进口的形状为矩形，该进口的长×宽＝a×b；所述叶型接受孔进口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为228.75mm。该错位斜向叶型接受孔出口的形状亦为矩形，该出口的长×宽＝c×d，并使该叶型接受孔出口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为236.4mm。所述进口的宽度＝出口的宽度，即b＝d。

所述a＝16.74mm，b＝7.5mm；c＝9mm，d＝7.5mm。

该盖板盘内表面为与涡轮盘的内表面之间相互嵌合的阶梯面。所述错位斜向叶型接受孔有48个。

本发明提出的错位斜向叶型接受孔能够减小转动部分流动损失，从而提高系统温降特性，适用于预旋喷嘴与叶片供气孔的半径位置有一定错位，即预旋喷嘴半径位置与叶片供气孔的半径位置之比大于0.95小于1的高位预旋供气系统结构。

本发明中，所述盖板盘与涡轮盘通过基孔制的间隙配合装配在一起，盖板盘与涡轮盘紧密接触，没有盖板腔。所述盖板盘上周向均布多个错位斜向叶型接受孔。所述错位斜向叶型接受孔为周向沿涡轮盘转动方向偏转，径向由喷嘴出口半径向叶片供气孔进口半径偏转的斜孔，且孔的出口直接与叶片供气孔的进口连通。该错位斜向叶型接受孔轴向面积根据需要逐渐增加或减少，且在出口附近渐变为与叶片供气孔进口面积相同，以保证气流沿轴向流动过程中逐渐加速或者减速，以达到接受孔出口的目标旋转比等于1，即出口气流与涡轮盘共转。各所述错位斜向叶型接受孔的偏转型面分别为根据需求设计的叶型吸力面和叶型压力面，用以保证气流沿该型面偏转时流动损失最小。错位斜向叶型接受孔具有合适的进口结构角。所述错位斜向叶型接受孔进口半径位置与喷嘴出口半径位置相同，该错位斜向叶型接受孔出口半径位置与叶片供气孔进口半径位置相同；该错位斜向叶型接受孔的进口与出口的半径位置比为0.95～1，且该距离之比越小，要求的轴向长度越大，因此称为错位斜向叶型接受孔。错位斜向叶型接受孔除了偏转型面以外的两个面平行。

本发明提与传统具有有轴向直通接受孔的高位预旋供气系统盖板盘相比：由于现有技术中使用轴向直通接受孔的高位预旋供气系统，在接受孔进出口处气流方向与孔的轴向存在较大夹角，从而在接受孔出口产生旋涡，造成了流动损失，接受孔的流量系数小于0.5。而本发明提出的高位预旋供气系统盖板盘上的错位斜向叶型接受孔的几何进气角度与来流气流攻角基本一致，并且沿流向逐渐向轴向偏转，经过精细化气动设计的偏转型面使得接受孔出口气流旋转比基本为1。在错位斜向叶型接受孔内部，气流能够顺畅流动、偏转，没有涡流产生，内部流动损失得以降低，接受孔流量系数高于0.6。

其次，现有技术中使用轴向直通接受孔的高位预旋供气系统，在轴向直通接受孔与叶片供气孔之间有一盖板腔，导致气流以一定攻角流入叶片供气孔，流动损失大，叶片供气孔流量系数低。本发明提出的具有有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其错位斜向叶型接受孔的出口与叶片供气孔连通，即取消了盖板腔。该设计可以使得叶片供气孔入口处气流周向速度与涡轮盘线速度的差值为0，即气流旋转比等于1，能够有效降低叶片供气孔入口处的流动损失，提高转子的压力增量。在预旋供气系统设计时，系统进出口压力均为给定。因此，当通过错位斜向叶型接受孔提高转子压力增量时，预旋喷嘴出口压力得到降低，喷嘴压比增大。喷嘴压比的增大会导致喷嘴出口旋转比的提高，喷嘴出口旋转比越高，系统温降越大。因此，错位斜向叶型接受孔通过降低自身流动损失和减小叶片供气孔处的流动损失，使喷嘴出口旋转比增大，系统温降提高。

对于某型高位预旋供气系统，采用数值计算方法对比分析使用传统轴向直通接受孔的盖板盘和使用本发明提出的错位斜向叶型接受孔的盖板盘系统性能差异。

高位预旋供气系统几何参数见表1。

表1高位预旋供气系统几何参数

根据CFD数值模拟，得到如图1所示的轴向直通接受孔相对速度流线图和图2所示的错位斜向叶型接受孔相对速度流线图。从图1可以看出，在气流流入轴向直通接受孔后，气流将紧贴迎风面沿轴向流动。能够直观的看到气流在背风面形成了明显的漩涡，接受孔实际流通面积大大减小，如图1所示。而在错位斜向叶型接受孔中，合适的进气角度使气流能够顺畅的流入错位斜向接受孔，在整个错位斜向接受孔内部没有明显的涡流，流动损失大大减小。高速的气流经错位斜向叶型接受孔减速后，旋转比接近1，气流与叶片供气孔的相对周向速度几乎为零。错位斜向叶型接受孔与叶片供气孔直接连通，能够保证气流近乎轴向地流入供气孔，流动损失进一步减小。

表2给出了错位斜向叶型接受孔与传统轴向直通接受孔性能参数及系统特性的数值结果。根据气动特性设计的错位斜向叶型接受孔流动损失明显减小，流量系数可以达到0.69，比轴向直通接受孔的0.49提高40.8％。在轴向直通接受孔前后，气流旋转比分别为1.5和1.31，可以看到气流在接受孔内部周向速度变化不大。经过盖板腔后气流在叶片供气孔进口处旋转比为1.28，也就是说气流与涡轮盘线速度差值较大，会造成很大的流动损失。接受孔和叶片供气孔进口两处明显的流动损失会导致预旋喷嘴出口的压力提高，可以看到此时喷嘴压比仅有1.64，系统温降仅有57.4K，温降效率为51.7％。

对于错位斜向叶型接受孔，进口处气流旋转比为1.82，经过错位斜向叶型接受孔的减速和偏转后气流旋转比降低至目标值1，在叶片供气孔进口处气流旋转比为1，这会大大地减小转子内部的流动损失，降低喷嘴出口压力。从数值结果可以看出，喷嘴压比可以提高至2.05，提高了25％；系统温降为78.3K，提高了20.9K；温降效率为70.5％，提高了36％。

表2性能参数对比

	现有技术的轴向直通接受孔	本发明提出错位斜向叶型接受孔
			流量系数	0.49	0.69
接受孔进口旋转比	1.5	1.82
			接受孔出口旋转比	1.31	1.01
叶片供气孔进口旋转比	1.28	1.01
			喷嘴压比	1.64	2.05
系统温降	57.4K	78.3K
			温降效率	51.7％	70.5％

附图说明

图1是现有技术中轴向直通接受孔相对速度流线图。

图2是本发明错位斜向叶型接受孔相对速度流线图。

图3a是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘示意图。

图3b是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘局部放大图。

图4a是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘剖视图。

图4b是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘剖视局部放大图。

图5a是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘与涡轮盘装配剖视图。

图5b是现有技术中具有轴向直通接受孔的盖板盘与涡轮盘装配剖视局部放大图。

图6是本发明提出的具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘示意图。

图7a是具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘剖视图。

图7b是具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘剖视局部放大图。

图8a是具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘与涡轮盘装配剖视图。

图8b是具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘与涡轮盘装配剖视局部放大图。

图9是单个错位斜向叶型接受孔的剖视图。

图10是错位斜向叶型接受孔截面轮廓图。

图11是错位斜向叶型接受孔进口截面示意图。

图12是错位斜向叶型接受孔出口截面示意图。

图中：1.具有有轴向直通接受孔的盖板盘；2.轴向直通接受孔；3.涡轮盘；4.叶片供气孔；5.盖板腔；6.具有错位斜向叶型接受孔的盖板盘；7.错位斜向叶型接受孔；8.错位斜向叶型接受孔进口；9.叶型吸力面；10.叶型压力面；11.错位斜向叶型接受孔出口；

a为错位斜向叶型接受孔进口截面长度；b为错位斜向叶型接受孔进口截面宽度；r₁为错位斜向叶型接受孔进口截面圆角半径；c为错位斜向叶型接受孔出口截面长度；d为错位斜向叶型接受孔出口截面宽度；r₂为错位斜向叶型接受孔出口截面圆角半径

具体实施方式

本实施例是一种具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘。所述盖板盘6的外径为500mm，内径为380mm。

该盖板盘内表面和涡轮盘3的内表面均为阶梯面。所述盖板盘内表面和涡轮盘3的内表面之间相互嵌合。在该盖板盘盘面的外缘均布有多个错位斜向叶型接受孔7，并使各所述错位斜向叶型接受孔的进口均位于所述盖板盘外表面环形凹槽槽底表面上，各所述错位斜向叶型接受孔的出口均位于该盖板盘的内表面上，并分别与所述涡轮盘上的叶片供气孔4连通。所述凹槽的结构同现有技术。所述错位斜向叶型接受孔7有48个。

所述错位斜向叶型接受孔7为斜孔；各错位斜向叶型接受孔贯通所在盖板盘盘面，其出口至进口的距离为16.5mm。

所述错位斜向叶型接受孔进口的形状为矩形，该进口的长×宽＝a×b，该进口的四个边中相邻的两个边之间倒圆；所述叶型接受孔进口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为228.75mm。

该错位斜向叶型接受孔出口的形状亦为矩形，该出口的长×宽＝c×d，该出口的四个边中相邻的两个边之间倒圆，并使该叶型接受孔出口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为236.4mm。所述进口的宽度＝出口的宽度，即b＝d。本实施例中，a＝16.74mm，b＝7.5mm；c＝9mm，d＝7.5mm。

各所述错位斜向叶型接受孔根据叶轮机原理进行设计，以使来流气流对盖板盘做功、减速，达到气流转子之间周向相对速度为0，并通过该错位斜向叶型接受孔的出口使气流顺畅流入叶片供气孔。

图10所示各所述错位斜向叶型接受孔内上表面为叶型吸力面9，各所述错位斜向叶型接受孔内下表面为叶型压力面10。所述叶型吸力面为曲面，由叶型吸力样条曲线沿所在盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而成。所述叶型压力面为曲面，由叶型压力样条曲线沿盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而成。样条曲线在直角坐标系下的坐标如表3所示。

表3样条曲线坐标

坐标	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y
							叶型吸力面曲线	10.58,57.60	13.14,53.81	16.15,49.35	18.82,45.69	22.78,42.72	27.08,41.23
叶型压力面曲线	10.58,40.86	12.85,38.05	16.20,35.31	20.53,33.22	23.75,32.44	27.08,32.23

叶型吸力面9和叶型压力面10良好的气动性能能够保证气流沿该型面偏转时产生的流动损失最小。错位斜向叶型接受孔7流道面积沿盖板盘的轴向逐渐减小，气流经错位斜向叶型接受孔进口8经过偏转和径向外流后，从错位斜向叶型接受孔出口11流出，流入叶片供气孔4。

Claims (6)

1.一种具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，在盖板盘盘面的外缘均布有多个错位斜向叶型接受孔，并使各所述错位斜向叶型接受孔的进口均位于所述盖板盘外表面环形凹槽槽底表面上，各所述错位斜向叶型接受孔的出口均位于该盖板盘的内表面上，并分别与涡轮盘上的叶片供气孔连通；

所述错位斜向叶型接受孔内上表面为叶型吸力面，各所述错位斜向叶型接受孔内下表面为叶型压力面；所述叶型吸力面为曲面，由叶型吸力样条曲线沿所在盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而形成；所述叶型压力面为曲面，由叶型压力样条曲线沿盖板盘的半径方向拉伸7.5mm而形成。

2.如权利要求1所述具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，所述错位斜向叶型接受孔进口的形状为矩形，该进口的长×宽＝a×b；所述叶型接受孔进口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为228.75mm；该错位斜向叶型接受孔出口的形状亦为矩形，该出口的长×宽＝c×d，并使该叶型接受孔出口的几何中心与该盖板盘中心之间的距离为236.4mm；

所述进口的宽度＝出口的宽度，即b＝d。

3.如权利要求2所述具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，所述a＝16.74mm，b＝7.5mm；c＝9mm，d＝7.5mm。

4.如权利要求1所述具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，该盖板盘内表面为与涡轮盘的内表面之间相互嵌合的阶梯面。

5.如权利要求1所述具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，所述错位斜向叶型接受孔有48个。

6.如权利要求1所述具有错位斜向叶型接受孔的高位预旋供气系统盖板盘，其特征在于，叶型样条曲线在直角坐标系下的坐标如表3所示：

表3 叶型样条曲线坐标

坐标 x,y x,y x,y x,y x,y x,y 叶型吸力面曲线 10.58,57.60 13.14,53.81 16.15,49.35 18.82,45.69 22.78,42.72 27.08,41.23 叶型压力面曲线 10.58,40.86 12.85,38.05 16.20,35.31 20.53,33.22 23.75,32.44 27.08,32.23

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