CN112324522B - 一种基于涡流效应的预旋喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种基于涡流效应的预旋喷嘴。其包括依次连接的涡流管形段和弯曲段；其中，涡流管形段包括喷嘴、涡流室、热气端出口和冷气端出口；其中热气端出口和冷气端出口分别设在涡流室的两个相对侧面上，并且热气端出口靠近航空发动机主流；喷嘴设在涡流室上位于热气端出口和冷气端出口之间的某一侧面上，并且通过管路与高压气源相连；弯曲段为弧形管状，进口端与冷气端出口相连，出口端靠近涡轮盘。本发明效果：能使高压气流产生漩涡，分离出温度相对进口温度更低的冷气流，能够有效提高涡轮盘的冷却性能，改善涡轮叶片进口处的冷气品质，有效缓解涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的温度水平；设计时无需改动其他相关联的结构。

Description

一种基于涡流效应的预旋喷嘴
技术领域
本发明属于航空发动机预旋冷却系统应用技术领域，特别是涉及一种基于涡流效应的预旋喷嘴。
背景技术
随着航空发动机技术的飞速发展，航空发动机推重比的不断提高，其涡轮前燃气温度也在增大，结果导致涡轮盘、涡轮叶片等热端部件的热负荷急剧增大，从而影响涡轮叶片的寿命及工作的可靠性。
预旋喷嘴可使高压气体经过后膨胀加速，产生与涡轮盘旋转方向相同的周向分速度，降低气流与涡轮盘的相对速度，从而降低气流相对于涡轮盘的相对总温，降低涡轮盘和涡轮叶片的温度，提高冷却效果。
早期国内外研究人员设计的预旋喷嘴主要为直圆孔型喷嘴，这种喷嘴在入口处会产生较大的流动分离，因此气流的流动损失大，加速性能差，流量系数低。目前，国内外公认的性能较好的预旋喷嘴为叶片式预旋喷嘴，喷嘴入口的面积大于喷嘴出口的面积，具有很好的气动性能，然而叶片式预旋喷嘴的加工和安装难度较大。
因此发明一种基于涡流效应的预旋喷嘴很有必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于涡流效应的预旋喷嘴，能够有效提高涡轮盘冷却性能。
为了达到上述目的，本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴包括依次连接的涡流管形段和弯曲段；其中，涡流管形段为空心管道，内部形状类似于涡流管，包括喷嘴、涡流室、热气端出口和冷气端出口；其中热气端出口和冷气端出口分别设在涡流室的两个相对侧面上，并且热气端出口靠近航空发动机主流；喷嘴设在涡流室上位于热气端出口和冷气端出口之间的某一侧面上，并且通过管路与高压气源相连；弯曲段为弧形管状，进口端与冷气端出口相连，出口端靠近涡轮盘。
所述的弯曲段上从进口端到出口端的半径逐渐减小。
所述的冷气端出口与弯曲段的进口端以轴线相切的方式连接，管壁光滑过渡连接，并且连接处的形状与横截面积相同。
本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴具有如下有益效果：
1、能够使高压气流产生漩涡，分离出温度相对进口温度更低的冷气流，能够有效提高涡轮盘的冷却性能，改善涡轮叶片进口处的冷气品质，有效缓解涡轮盘和涡轮叶片等热端部件的温度水平；
2、设计时无需改动其他相关联的结构。
附图说明
图1为本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴使用状态示意图；
图2为本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴剖视图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴包括依次连接的涡流管形段1和弯曲段2；其中，涡流管形段1为空心管道，内部形状类似于涡流管，包括喷嘴3、涡流室6、热气端出口4和冷气端出口5；其中热气端出口4和冷气端出口5分别设在涡流室6的两个相对侧面上，并且热气端出口4靠近航空发动机主流；喷嘴3设在涡流室6上位于热气端出口4和冷气端出口5之间的某一侧面上，并且通过管路与高压气源相连；弯曲段2为弧形管状，进口端与冷气端出口5相连，出口端靠近涡轮盘。
所述的弯曲段2上从进口端到出口端的半径逐渐减小。
所述的冷气端出口5与弯曲段2的进口端以轴线相切的方式连接，管壁光滑过渡连接，并且连接处的形状与横截面积相同。
现将本发明提供的基于涡流效应的预旋喷嘴的工作原理阐述如下：
来自高压气源的高压气体首先进入涡流管形段1上的喷嘴3，在喷嘴3中膨胀并加速到音速，然后从切线方向射入涡流室6，形成自由涡流，并在涡流室6中发生涡流效应；在涡流室6中，自由涡流的旋转角速度愈靠近中心愈大，由于角速度不同，在自由涡流的层与层之间就产生了摩擦。其中，中心层的气流角速度最大，摩擦结果是将能量传递给外层角速度较低的气流，中心层的气流失去能量后，动能、速度和温度均降低，然后从冷气端出口5进入弯曲段2中，得到制冷需要的冷气流；最后冷气流通过弯曲段2改变方向后向外喷出，用于冷却涡轮盘；而外层的气流获得动量后，动能增加，同时又与涡轮室6的侧壁产生摩擦，将部分动能转换成热能，之后从热气端出口4引出，形成热气流，由此分离出冷、热两股气流；最后热气流引入发动机主流。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于涡流效应的预旋喷嘴，其特征在于：所述的预旋喷嘴包括依次连接的涡流管形段（1）和弯曲段（2）；其中，涡流管形段（1）为空心管道，内部形状为涡流管或者涡流管变形结构，包括喷嘴（3）、涡流室（6）、热气端出口（4）和冷气端出口（5）；其中热气端出口（4）和冷气端出口（5）分别设在涡流室（6）的两个相对侧面上，并且热气端出口（4）靠近航空发动机主流；喷嘴（3）设在涡流室（6）上位于热气端出口（4）和冷气端出口（5）之间的某一侧面上，并且通过管路与高压气源相连；弯曲段（2）为弧形管状，弯曲段（2）的进口端与冷气端出口（5）相连，弯曲段（2）的出口端靠近涡轮盘；所述的弯曲段（2）上从进口端到出口端的半径逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的基于涡流效应的预旋喷嘴，其特征在于：所述的冷气端出口（5）与弯曲段（2）的进口端以轴线相切的方式连接，管壁光滑过渡连接，并且连接处的形状与横截面积相同。
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