CN112360761A - 向心增压引气装置及系统 - Google Patents

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陆晓锋
刘洋
吴志青
李继保
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Abstract

本发明涉及一种向心增压引气装置及系统。向心增压引气装置包括：增压组件和与增压组件相连的轮盖组件；增压组件包括多个向心增压叶片和增压流道面；轮盖组件包括轮盖流道面；其中，增压流道面和轮盖流道面组成收缩状的增压通道，增压通道的进口段沿转子盘的径向分布，增压通道的出口段沿转子盘的轴向分布，增压通道的增压段适于对气流进行增压，增压组件适于连接转子盘的盘心。该向心增压引气装置可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。

Description

向心增压引气装置及系统
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种向心增压引气装置及系统。
背景技术
随着航空发动机技术的不断发展，高温部件的工作环境与压力也随之增加，为了保证部件的可靠性和寿命，新型高效材料以及高效冷却技术不断被应用。高效冷却技术主要是通过从压气机某级引出高压冷却气体，进行相关部件的冷却及封严工作。由于在引气过程中需要考虑沿程的压降、温升等问题，这使得设计出高效的引气流路变得尤为重要。在转子盘腔内部开展引气结构设计难度较大，因此引气流路的设计目标主要是减小引气过程的压力损失以及保证高温部件冷却气体的供给压力和封严压力。
现阶段较为先进的航空发动机一般采用在压气机级间开孔的方式引导高压气源。然而，在径向引气过程中，由于气体由高半径向低半径流动，自由涡发展较为剧烈，产生的压力损失较大。在现有相关引气流路设计中，有无管式、管式和翅片式等，而现有减涡器的引气装置通常只有普通的引流功能，对于压力损失并无补偿措施，引气效率低下。
有鉴于此，一种可以提高引气效率的向心增压引气装置显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种向心增压引气装置，该向心增压引气装置可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种向心增压引气装置，包括：增压组件和与所述增压组件相连的轮盖组件；所述增压组件包括多个向心增压叶片和增压流道面；所述轮盖组件包括轮盖流道面；其中，所述增压流道面和所述轮盖流道面组成收缩状的增压通道，所述增压通道的进口段沿转子盘的径向分布，所述增压通道的出口段沿所述转子盘的轴向分布，所述增压通道的增压段适于对气流进行增压，所述增压组件适于连接所述转子盘的盘心。
在本发明的一实施例中，还包括安装组件，所述增压组件通过所述安装组件连接所述盘心。
在本发明的一实施例中，所述多个向心增压叶片呈样条曲线形状，且径向进口段开口朝向与发动机旋转方向一致，其中至少部分所述多个向心增压叶片与所述轮盖组件固定连接。
在本发明的一实施例中，所述进口段的尺寸大于所述转子盘的引气孔的尺寸。
在本发明的一实施例中，所述增压流道面和所述轮盖流道面为光滑曲面。
在本发明的一实施例中，还包括位于所述出口段外侧且与所述增压组件相连的内环。
在本发明的一实施例中，还包括与所述内环相对设置且与所述轮盖组件相连的外环。
在本发明的一实施例中，还包括位于所述出口段且与所述增压流道面相连的支板结构，所述支板结构适于调节气流的流向。
在本发明的一实施例中，所述增压组件还包括位于至少部分所述多个向心增压叶片之间的多个小叶片结构。
本发明的另一方面提供一种向心增压引气系统，包括：顺序连接的多个转子盘；以及位于所述多个转子盘中的相邻两个转子盘之间的包括如上所述的向心增压引气装置。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：
本发明的向心增压引气装置包括增压组件和与增压组件相连的轮盖组件，增压组件的增压流道面与轮盖组件的轮盖流道面共同组成了收缩状的增压通道，多个向心增压叶片旋转对气流向心增压。本发明的向心增压引气装置可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是本发明一实施例的一种向心增压引气装置的分解结构示意图；
图2是本发明一实施例的一种向心增压引气系统的剖视结构示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
本发明的以下实施例提出一种向心增压引气装置，该向心增压引气装置可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
图1是本发明一实施例的一种向心增压引气装置的分解结构示意图。图2是本发明一实施例的一种向心增压引气系统的剖视结构示意图。
下面结合图1和图2对该向心增压引气装置的具体结构进行说明。可以理解的是，下面所进行的描述仅仅示例性的，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下，进行各种变化。
参考图1和图2所示，向心增压引气装置100包括增压组件110和与增压组件110相连的轮盖组件120。
增压组件110包括多个向心增压叶片111和增压流道面112。轮盖组件120包括轮盖流道面121。其中，增压流道面112与轮盖流道面121共同组成了收缩状的增压通道101。增压通道101的进口段101a沿转子盘（例如转子盘220）的径向分布，增压通道101的出口段101c沿转子盘的轴向分布，增压组件110适于连接转子盘的盘心。
在本发明的一实施例中，至少部分多个向心增压叶片111与轮盖组件120固定连接。例如，可以是所有多个向心增压叶片111均与轮盖组件120固定连接，也可以是只有部分的（处于对称位置上的）多个向心增压叶片111与轮盖组件120固定连接。固定连接的方式包括但不限于焊接。
在本发明的一实施例中，多个向心增压叶片111可以至少呈样条曲线形状，且径向进口段开口朝向与发动机旋转方向一致。多个向心增压叶片111旋转可以对气流向心增压。
优选的，多个向心增压叶片111可以呈螺旋状的样条曲线形状。
在一些实施例中，增压组件110还包括位于至少部分多个向心增压叶片111之间的多个小叶片结构（图未示）。
示例性的，可以根据自由涡的剧烈程度在部分多个向心增压叶片111之间对称地设置多个小叶片结构，但本发明并非以此为限。
继续参考图1和2所示，在本发明的一实施例中，（增压组件110的）增压流道面112和与其相对的（轮盖组件120的）轮盖流道面121可以均为光滑的曲面。
示例性的，该光滑曲面可以由曲线绕旋转轴旋转而形成。其中，曲线的样式可以通过气动计算来得到，并根据多个转子盘之间的空间设置成相应的形状，例如圆弧型或样条曲线型。
需要说明的是，增压流道面112和轮盖流道面121应当由转子盘的径向方向朝着转子盘的轴向方向弯曲，且由二者组成的增压通道101呈逐渐收缩状。
增压通道101的进口段101a沿转子盘（例如转子盘220）的径向分布，从而可以用于收集从引气孔（例如引气孔221）流出的气流。
优选的，增压通道101的进口段101a可以对准引气孔（例如引气孔221）的位置，从而可以保证充分地收集从引气孔（例如引气孔221）流出的气流。
在本发明的一实施例中，增压通道101的进口段101a的尺寸大于转子盘（例如转子盘220）的引气孔（例如引气孔221）的尺寸。
例如，在沿着转子盘220的轴向的方向上，增压通道101的进口段101a的宽度可以大于引气孔221的宽度。
在本发明的一实施例中，增压通道101的增压段101b适于对进入增压通道101的气流进行增压。
增压通道101的出口段101c沿转子盘（例如转子盘220）的轴向分布，从而可以保证经增压通道101流出的气流能尽可能地沿转子盘（例如转子盘220）的轴向方向运动。
参考图1所示，在本发明的一实施例中，向心增压引气装置100还包括位于增压通道101的出口段101c且与增压流道面112相连的支板结构160，支板结构160可以用于调节气流的流向。
示例性的，支板结构160的形状可以为梭状。
在一些示例中，向心增压引气装置100还包括位于出口段101c外侧且与增压组件110相连的内环140。内环140可以起到阻隔从转子盘的盘心引出的高温高压气流与其他气流的作用。
在一些示例中，向心增压引气装置100还包括与内环140相对设置且与轮盖组件120相连的外环150。外环150可以用于隔绝转子盘（例如后面级高温盘）的热传递。
参考图2所示，从向心增压引气装置100的增压通道101流出的气流可以在由内环140和外环150组成的通道之间继续流动。
在本发明的一实施例中，向心增压引气装置100还包括安装组件130，增压组件110通过安装组件130连接转子盘（例如转子盘220）的盘心。
在图2所示的一个示例中，安装组件130可以通过锁紧螺母131、十字锁片132以及弹性卡圈133固定于转子盘220的盘心。
应当理解，在本发明的一些示例中，安装组件130可以是一个独立结构，例如可拆卸地设于增压组件110上与轮盖组件120相对的另一端。
在本发明的另一些示例中，安装组件130还可以是增压组件110的一部分，例如二者为一体结构。
本领域技术人员可以根据实际需要对安装组件130与盘心及增压组件110的具体连接方式进行相应的调整，本发明并非以此为限。
本发明的向心增压引气装置100的增压通道101具有沿转子盘（例如转子盘220）的径向分布的进口段101a和沿转子盘（例如转子盘220）的轴向分布的出口段101c，多个向心增压叶片111旋转对气流向心增压，从而可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对增压通道101内的气体进行进一步的增压，不仅可以连续引导气流，而且提高了引气效率。
本发明的以上实施例提出了一种向心增压引气装置，该向心增压引气装置可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
本发明的另一方面提出一种向心增压引气系统，该向心增压引气系统可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
应当注意，本发明的向心增压引气系统可以包括如图1至图2所示的一种向心增压引气装置100或其变化例，但本发明并非以此为限。
下面结合图1和图2对本发明的向心增压引气系统进行说明。可以理解的是，下面所进行的描述仅仅示例性的，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下，进行各种变化。
参考图2所示，向心增压引气系统10包括顺序连接的多个转子盘（例如转子盘210、转子盘220以及转子盘230）以及位于多个转子盘中的相邻两个转子盘（例如转子盘220和转子盘230）之间的向心增压引气装置100。
参考图1和图2所示，向心增压引气装置100包括增压组件110和与增压组件110的一端相连的轮盖组件120。
增压组件110包括多个向心增压叶片111和增压流道面112。轮盖组件120包括轮盖流道面121。其中，增压流道面112与轮盖流道面121共同组成了收缩状的增压通道101。增压通道101的进口段101a沿转子盘（例如转子盘220）的径向分布，增压通道101的出口段101c沿转子盘的轴向分布，增压组件110适于连接转子盘的盘心。
可以理解，多个/多级转子盘（例如转子盘210、转子盘220以及转子盘230）之间的连接方式包括但不限于焊接和螺栓连接等。
示例性的，在安装向心增压引气装置100时，可以首先将其放置于第n级盘（例如转子盘220）的位置，并视第n级盘（例如转子盘220）与第n+1级盘（例如转子盘230）的连接方式来完成向心增压引气装置100的安装。
举例来讲，当第n级盘（例如转子盘220）与第n+1级盘（例如转子盘230）通过焊接方式连接时，可以直接对向心增压引气装置100施加力矩以将其与第n级盘（例如转子盘220）的盘心进行固定。
当第n级盘（例如转子盘220）与第n+1级盘（例如转子盘230）通过螺栓连接时，可以先通过螺栓（例如螺栓201）将两级盘进行连接，并通过止口（图未示）定心，然后再对向心增压引气装置100施加力矩以将其与第n级盘（例如转子盘220）的盘心进行固定。
在本发明的一实施例中，至少部分多个向心增压叶片111与轮盖组件120固定连接。例如，可以是所有多个向心增压叶片111均与轮盖组件120固定连接，也可以是只有部分的（处于对称位置上的）多个向心增压叶片111与轮盖组件120固定连接。固定连接的方式包括但不限于焊接。
在本发明的一实施例中，多个向心增压叶片111可以至少呈样条曲线形状，且径向进口段开口朝向与发动机旋转方向一致。多个向心增压叶片111旋转可以对气流向心增压。
优选的，多个向心增压叶片111可以呈螺旋状的样条曲线形状。
在一些实施例中，增压组件110还包括位于至少部分多个向心增压叶片111之间的多个小叶片结构（图未示）。
示例性的，可以根据自由涡的剧烈程度在部分多个向心增压叶片111之间对称地设置多个小叶片结构，但本发明并非以此为限。
增压通道101的进口段101a沿转子盘（例如转子盘220）的径向分布，从而可以用于收集从引气孔（例如引气孔221）流出的气流。
优选的，增压通道101的进口段101a可以对准引气孔（例如引气孔221）的位置，从而可以保证充分地收集从引气孔（例如引气孔221）流出的气流。
在本发明的一实施例中，增压通道101的进口段101a的尺寸大于转子盘（例如转子盘220）的引气孔（例如引气孔221）的尺寸。
例如，在沿着转子盘220的轴向的方向上，增压通道101的进口段101a的宽度可以大于引气孔221的宽度。
在本发明的一实施例中，增压通道101的增压段101b适于对进入增压通道101的气流进行增压。
增压通道101的出口段101c沿转子盘（例如转子盘220）的轴向分布，从而可以保证经增压通道101流出的气流能尽可能地沿转子盘（例如转子盘220）的轴向方向运动。
参考图1所示，在本发明的一实施例中，向心增压引气装置100还包括位于增压通道101的出口段101c且与增压流道面112相连的支板结构160，支板结构160可以用于调节气流的流向。
示例性的，支板结构160的形状可以为梭状。
在一些示例中，向心增压引气装置100还包括位于出口段101c外侧且与增压组件110相连的内环140。内环140可以起到阻隔从转子盘的盘心引出的高温高压气流与其他气流的作用。
在一些示例中，向心增压引气装置100还包括与内环140相对设置且与轮盖组件120相连的外环150。外环150可以用于隔绝转子盘（例如后面级高温盘）的热传递。
参考图2所示，从向心增压引气装置100的增压通道101流出的气流可以在由内环140和外环150组成的通道之间继续流动。
在本发明的一实施例中，向心增压引气装置100还包括安装组件130，增压组件110通过安装组件130连接转子盘（例如转子盘220）的盘心。
在图2所示的一个示例中，安装组件130可以通过锁紧螺母131、十字锁片132以及弹性卡圈133固定于转子盘220的盘心。
应当理解，在本发明的一些示例中，安装组件130可以是一个独立结构，例如可拆卸地设于增压组件110上与轮盖组件120相对的另一端。
在本发明的另一些示例中，安装组件130还可以是增压组件110的一部分，例如二者为一体结构。
本领域技术人员可以根据实际需要对安装组件130与盘心及增压组件110的具体连接方式进行相应的调整，本发明并非以此为限。
在本发明的一实施例中，向心增压引气系统10还可以包括分别与多个/多级转子盘（例如转子盘210、转子盘220以及转子盘230）连接的多个/多级叶片（例如叶片310、叶片320以及叶片330）。
本发明的向心增压引气系统10的其他实施细节可参考图1至图2所描述的实施例，在此不再展开。本领域技术人员可以根据实际需要对该向心增压引气系统10的具体结构做出适当的调整，本发明并非以此为限。
本发明的以上实施例提出了一种向心增压引气系统，该向心增压引气系统可以在进行径向气体引流、降低沿程压力损失的同时，对气体进行进一步增压，提高了引气效率。
可以理解，尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价的任意组合。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非适于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个申请实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类适于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中适于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种向心增压引气装置，其特征在于，包括：增压组件和与所述增压组件相连的轮盖组件；
所述增压组件包括多个向心增压叶片和增压流道面；
所述轮盖组件包括轮盖流道面；
其中，所述增压流道面和所述轮盖流道面组成收缩状的增压通道，所述增压通道的进口段沿转子盘的径向分布，所述增压通道的出口段沿所述转子盘的轴向分布，所述增压通道的增压段适于对气流进行增压，所述增压组件适于连接所述转子盘的盘心。
2.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，还包括安装组件，所述增压组件通过所述安装组件连接所述盘心。
3.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，所述多个向心增压叶片呈样条曲线形状，且径向进口段开口朝向与发动机旋转方向一致，其中至少部分所述多个向心增压叶片与所述轮盖组件固定连接。
4.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，所述进口段的尺寸大于所述转子盘的引气孔的尺寸。
5.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，所述增压流道面和所述轮盖流道面为光滑曲面。
6.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，还包括位于所述出口段外侧且与所述增压组件相连的内环。
7.根据权利要求6所述的向心增压引气装置，其特征在于，还包括与所述内环相对设置且与所述轮盖组件相连的外环。
8.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，还包括位于所述出口段且与所述增压流道面相连的支板结构，所述支板结构适于调节气流的流向。
9.根据权利要求1所述的向心增压引气装置，其特征在于，所述增压组件还包括位于至少部分所述多个向心增压叶片之间的多个小叶片结构。
10.一种向心增压引气系统，其特征在于，包括：
顺序连接的多个转子盘；以及
位于所述多个转子盘中的相邻两个转子盘之间的包括如权利要求1-9任意一项所述的向心增压引气装置。
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