CN112901342A - 一种压气机引气结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压气机引气结构，包括输气组件、流通室和引气槽，输气组件包括对应设置的上游静子和下游转子；流通室连通于上游静子和下游转子；引气槽的输出端连通集气腔，输入端连通流通室，内壁包括靠近上游静子一侧的上游壁面和靠近下游转子一侧的下游壁面，上游壁面靠近所述流通室的一侧设有第一弧形曲面结构，如此设置，将传统的转角结构的上游壁面改为弧形曲面，避免了引气槽的输入端折转角度较大所产生的流动分离，降低了气体压力损失，提升了静压升系数，解决了现有技术中传输于压气机引气结构的气体压力损失较大，静压升系数有待提高的技术问题。

Description

一种压气机引气结构
技术领域
本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种压气机引气结构。
背景技术
航空发动机中需要从压气机级间引出具有特定压力和温度的气体以用于冷却热端部件，压气机级间通常是通过轴对称式环形结构的引气槽将上游静子和下游转子之间的气体引导入集气腔中，集气腔再进一步将气体传输至其他热端部件，以达到冷却等目的。
发明人发现，在现有技术中的引气槽的内部结构中，由于引气槽的上游壁面进口处的折转角度较大，在粘性和逆压梯度的作用下，在壁面处沿平行壁面方向的流体速度会减小甚至局部出现倒流，从而产生流动分离，气体压力损失较大，进而导致靠近上游壁面一侧流向速度很小，出口处这部分区域内几乎没有流体流出，流通面积减小，静压升系数偏低。
发明内容
本发明提供一种压气机引气结构，为解决现有技术中传输于压气机引气结构的气体压力损失较大，静压升系数有待提高的技术问题。
本发明的提供一种压气机引气结构，包括输气组件、流通室和引气槽，所述输气组件包括对应设置的上游静子和下游转子；所述流通室位于所述上游静子和所述下游转子之间并与所述上游静子和所述下游转子均连通；所述引气槽的输出端连通集气腔，输入端连通所述流通室，内壁包括靠近所述上游静子一侧的上游壁面和靠近所述下游转子一侧的下游壁面，所述上游壁面靠近所述流通室的一侧设有第一弧形曲面结构，所述第一弧形曲面结构的凸面朝向所述引气槽的内部。
具体地，所述上游静子和所述下游转子可以为压气机叶片，所述流通室为压气机流道中的位于所述上游静子和所述下游转子之间的腔室。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述第一弧形曲面结构连接于所述集气腔。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，在所述引气槽的子午截面上，所述第一弧形曲面结构包括第一型线，所述上游壁面靠近所述集气腔的一侧的面包括第四型线，所述第四型线连接于所述第一型线。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述上游壁面的输出端靠近所述集气腔的一侧设有第二弧形曲面结构，所述第二弧形曲面结构的凸面朝向所述引气槽的内部，所述引气槽的子午截面上，所述第一弧形曲面结构包括第一型线，所述第一型线为归一化弯角分布是三次函数的函数所对应的函数图像曲线，所述第二弧形曲面结构包括第二型线，所述第二型线为二次函数图像曲线。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述引气槽向远离所述上游静子的一侧倾斜设置。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述引气槽向远离所述上游静子的一侧倾斜设置，在所述引气槽的子午截面上，所述第一型线的一端和所述第二型线的一端连接并相交于点P2，所述点P2处斜率连续，所述第二型线的另一端连接于所述集气腔并相交于点P3，所述第一型线的另一端连接于所述流通室并相交于点P1，所述下游壁面包括第三型线；所述第三型线的一端连接于所述集气腔并相交于点P6，所述第三型线的另一端连接于所述流通室并相交于点P4，所述第三型线设有点P5，所述点P5与所述点P3的连接线垂直于所述第三型线，所述点P5与所述点P3的距离为Lo，所述点P2与所述点P4的连接线垂直于所述第三型线，且所述点P2与所述点P4的距离为Lt，所述P4与所述P5的距离为Ls，所述点P1与所述点P4的距离为Li，所述点P1和所述点P4等高，所述点P6和所述点P3等高，所述点P1和所述点P4的连接线与所述点P6和所述点P3的连接线平行，所述点P1与所述点P4的距离为Li，所述点P6到所述点P4的竖直距离为Lh，所述第三型线与所述流通室的顶部的夹角为α，上述参数中，所述点P1、所述点P4和所述点P6的位置结合实际需求并依据现有技术得出，因此Li、Lh和α也是结合实际需求并依据现有技术得出，即所述点P1、所述点P4及所述点P6的位置和Li、Lh及α的值是在制定所述第一型线和所述第二型线的结构前已知的值，其他参数满足：
Lt＝(0.385～0.431)Li，结合Lt值、α值和所述点P4的位置从而得知所述点P2的位置；
所述第一型线为归一化弯角分布是F(x)＝Ax+Bx2+(1-A-B)x3的函数所对应的函数图像曲线，其中，所述x为归一化轴向长度且取值范围为[0，1]，所述A为所述点P1处在所述归一化弯角分布的曲线上的斜率，取值范围为[1，3]，所述第一型线的弯角的取值范围为32°至42°，则结合所述第一型线的弯角的取值范围、所述A的值和所述点P2的位置在函数图像上对应的坐标值计算可得B值，从而得知归一化弯角分布F(x)＝Ax+Bx2+(1-A-B)x3，进而得知该归一化弯角分布所对应的函数及该函数所对应的函数图像曲线；
所述第二型线为函数y＝ax2+bx+c对应的函数图像曲线，其中，函数y的当量扩张角θ的取值范围为4°至18°，
Figure BDA0002981148440000031
其中R2、R3、R4和R5分别为所述点P2、所述点P3、所述点P4和所述点P5相对于压气机轴的径向高度，因所述点P2的位置已知，所述点P3和所述点P6等高，因此R2、R3和R4的值在制定所述第二型线前都为已知值，在制定所述第二型线前，给所述点P3的一个预设位置，所述所述点P5与所述点P3的连接线垂直于所述第三型线，则所述点P5的位置和R5的值可在所述点P3的位置预设后得知，Ls和Lo的值通过结合所述点P3、所述点P5的位置和夹角α可得知，将此时的R5、Ls和Lo的值代入求出θ的公式，如果结果不在4°至18°范围内，重新设定点P3的位置，重复上述步骤求R5值，当求出的θ满足范围条件时，则所述点P3的位置可取，x取值范围为所述点P2的位置在函数图像上对应的横坐标到所述点P3的位置在函数图像上对应的横坐标，a、b、c的值可通过所述点P2的位置在函数图像上对应的坐标、所述点P3的位置在函数图像上对应的坐标及所述点P2处的斜率解得，其中所述点P2处的斜率因保持连续，因此在所述第二型线上的所述点P2处的斜率仍为所述第一型线上的所述点P2处的斜率，从而得到函数y＝ax2+bx+c的对应的函数图像曲线。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述A为2.5，所述弯角为40°。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，所述当量扩张角θ为12°。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，Lt＝0.408Li。
本发明提供的压气机引气结构的有益效果为：将引气槽的上游壁面靠近所述流通室的一侧设置为第一弧形曲面结构，将传统的转角结构的上游壁面改为弧形曲面，避免了引气槽的输入端折转角度较大所产生的流动分离，降低了气体压力损失，提升了静压升系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的对比例提供的一种压气机引气结构的结构示意图；
图2是本发明的第一实施例提供的一种压气机引气结构的结构示意图；
图3是本发明的第二实施例提供的一种压气机引气结构的结构示意图；
图4是本发明的第三至第十一实施例提供的一种压气机引气结构的结构示意图；
图5是本发明的第三至第十一实施例提供的引气槽的结构示意图；
图6是对比例和第一至十一实施例的测试结构；
附图标记说明：
1、输气组件；11、上游静子；12、下游转子；2、流通室；3、引气槽；31、上游壁面；311、第一弧形曲面结构；3111、第一型线；312、第二弧形曲面结构；3121、第二型线；313、第四型线；32、下游壁面；321、第三型线；4、集气腔；5、轮毂；6、机闸。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“第一方面实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图6描述本发明提供的压气机引气结构。
如图1所示，本发明的对比例提供了一种压气机引气结构，包括输气组件1、流通室2和引气槽3，输气组件1包括对应设置的上游静子11和下游转子12；流通室2位于上游静子11和下游转子12之间并与上游静子11和下游转子12均连通；引气槽3的输出端连通集气腔4，输入端连通流通室2，内壁包括靠近上游静子11一侧的上游壁面31和靠近下游转子12一侧的下游壁面32，上游壁面31为平面结构313。
具体地，上游静子11和下游转子12可以为压气机叶片，流通室2为压气机流道中的位于上游静子11和下游转子12之间的腔室。
如图2所示，本发明的第一实施例提供一种压气机引气结构，包括输气组件1、流通室2和引气槽3，输气组件1包括对应设置的上游静子11和下游转子12；流通室2连通于上游静子11和下游转子12；引气槽3的输出端连通集气腔4，输入端连通流通室2，内壁包括靠近上游静子11一侧的上游壁面31和靠近下游转子12一侧的下游壁面32，上游壁面31靠近流通室2的一侧设有第一弧形曲面结构311，第一弧形曲面结构311的凸面朝向引气槽3的内部。
根据本实施例，第一弧形曲面结构311连接于集气腔4。将上游壁面31整体都设置为第一弧形曲面结构311，与第一弧形曲面结构311和部分不规则结构组成的上游壁面31比较，如此设置能进一步降低总压损失系数。
引气槽3向远离所述上游静子的一侧倾斜设置，即倾斜方向向主流流向方向倾斜。通过将引气槽3倾斜设置，即将上游壁面31和下游壁面32一同倾斜设置，相对于将引气槽3竖直设置，能减少了引气槽3整体与水平面之间所形成的夹角角度，使气体流动的转折角度减小，可进一步降低总压损失系数，提高静压升系数。
如图3所示，本发明的第二实施例提供一种压气机引气结构，在引气槽3的子午截面上，第一弧形曲面结构311包括第一型线3111，上游壁面31靠近集气腔4的一侧的面包括第四型线313，第四型线313为直线，第四型线313的一端连接于第一型线3111，另一端连接于集气腔4。如此设置，相较于第一弧形曲面结构311和部分不规则结构组成的上游壁面31，能进一步降低总压损失系数，且其相较于将上游壁面31整体都设为第一弧形曲面结构311的上游壁面31虽然产生了更高的总压损失系数，但却能产生更高的静压升系数，这是本领域技术人员预想不到的。
如图4-图5所示，本发明的第三实施例提供一种压气机引气结构，上游壁面31靠近集气腔4的一侧设有第二弧形曲面结构312，第二弧形曲面结构312的凸面朝向引气槽3的内部，第二弧形曲面结构312的一端连接于第一弧形曲面结构311，另一端连接于集气腔4，在引气槽3的子午截面上，第一弧形曲面结构311包括第一型线3111，第一型线3111为归一化弯角分布是三次函数的函数所对应的函数图像曲线，第二弧形曲面结构312包括第二型线3121，第二型线3121为二次函数图像曲线。如此设置，能进一步降低总压损失系数，提高静压升系数。
根据本发明提供的根据的一种压气机引气结构，引气槽3向远离上游静子11的一侧倾斜设置，在引气槽3的子午截面上，第一型线3111的一端和第二型线3121的一端连接并相交于点P2，点P2处斜率连续，第二型线3121的另一端连接于集气腔4并相交于点P3，第一型线3111的另一端连接于流通室2的顶部并相交于点P1，下游壁面32包括第三型线；第三型线的一端连接于集气腔4并相交于点P6，第三型线的另一端连接于流通室2的顶部并相交于点P4，第三型线设有点P5，点P5与点P3的连接线垂直于第三型线，点P5与点P3的距离为Lo，点P2与点P4的连接线垂直于第三型线，且点P2与点P4的距离为Lt，P4与P5的距离为Ls，点P1与点P4的距离为Li，点P1和点P4等高，点P6和点P3等高，点P1和点P4的连接线与点P6和点P3的连接线平行，点P1与点P4的距离为Li，点P6到点P4的竖直距离为Lh，第三型线与流通室2的顶部的夹角为α，上述参数中，点P1、点P4和点P6的位置结合实际需求并依据现有技术得出，因此Li、Lh和α也是结合实际需求并依据现有技术得出，即点P1、点P4及点P6的位置和Li、Lh及α的值是在制定第一型线3111和第二型线3121的结构前已知的值，其他参数满足：
Lt＝(0.385～0.431)Li，结合Lt值、α值和点P4的位置从而得知点P2的位置；
所述第一型线3111为归一化弯角分布是F(x)＝Ax+Bx2+(1-A-B)x3的函数所对应的函数图像曲线，其中，所述x为归一化轴向长度且取值范围为[0，1]，所述A为所述点P1处在所述归一化弯角分布曲线上的斜率，取值范围为[1，3]，所述第一型线3111的弯角的取值范围为32°至42°，则结合所述第一型线3111的弯角的取值范围、所述A的值和所述点P2的位置在函数图像上对应的坐标值计算可得B值，从而得知归一化弯角分布F(x)＝Ax+Bx2+(1-A-B)x3，进而得知该归一化弯角分布所对应的函数及该函数所对应的函数图像曲线；
所述第二型线3121为函数y＝ax2+bx+c对应的函数图像曲线，其中，函数y的当量扩张角θ的取值范围为4°至18°，
Figure BDA0002981148440000101
其中R2、R3、R4和R5分别为所述点P2、所述点P3、所述点P4和所述点P5相对于压气机轴的径向高度，因所述点P2的位置已知，所述点P3和所述点P6等高，因此R2、R3和R4的值在制定所述第二型线3121前都为已知值，在制定所述第二型线3121前，给所述点P3的一个预设位置，所述所述点P5与所述点P3的连接线垂直于所述第三型线，则所述点P5的位置和R5的值可在所述点P3的位置预设后得知，Ls和Lo的值通过结合所述点P3、所述点P5的位置和夹角α可得知，将此时的R5、Ls和Lo的值代入求出θ的公式，如果结果不在4°至18°范围内，重新设定点P3的位置，重复上述步骤求R5值，当求出的θ满足范围条件时，则所述点P3的位置可取，x取值范围为所述点P2的位置在函数图像上对应的横坐标到所述点P3的位置在函数图像上对应的横坐标，a、b、c的值可通过所述点P2的位置在函数图像上对应的坐标、所述点P3的位置在函数图像上对应的坐标及所述点P2处的斜率解得，其中所述点P2处的斜率因保持连续，因此在所述第二型线3121上的所述点P2处的斜率仍为所述第一型线3111上的所述点P2处的斜率，从而得到函数y＝ax2+bx+c的对应的函数图像曲线。
根据本实施例，A为2.5，弯角为40°。将A和弯角分别选择为具体数值2.5和40°，总压损失系数能降到一个非常低的值，静压升系数能提升到一个非常高的值，这是本领域技术人员预想不到的。
根据本实施例，当量扩张角θ为12°。将当量扩张角θ选择为具体数值12°，总压损失系数能降到一个非常低的值，静压升系数能提升到一个非常高的值，这是本领域技术人员预想不到的。
根据本实施例，Lt＝0.408Li。将Lt/Li选择为具体数值0.408，总压损失系数能降到一个非常低的值，静压升系数能提升到一个非常高的值，这是本领域技术人员预想不到的。
本发明的第四实施例提供一种压气机引气结构，A值取2.5，弯角取40°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取14°，则可得B＝-4.2。
本发明的第五实施例提供一种压气机引气结构，A值取2.5，弯角取40°，取Lt/Li＝0.431，当量扩张角取14°，则可得B＝-3.31。
本发明的第六实施例提供一种压气机引气结构，A值取1，弯角取36°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取14°，则可得B＝-0.91。
本发明的第七实施例提供一种压气机引气结构，A值取3，弯角取36°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取14°，则可得B＝-4.93。
本发明的第八实施例提供一种压气机引气结构，A值取2，弯角取36°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取4°，则可得B＝-2。
本发明的第九实施例提供一种压气机引气结构，A值取1，弯角取36°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取18°，则可得B＝-2。
本发明的第十实施例提供一种压气机引气结构，A值取1，弯角取32°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取14°，则可得B＝-1.09。
本发明的第十一实施例提供一种压气机引气结构，A值取1，弯角取42°，取Lt/Li＝0.385，当量扩张角取14°，则可得B＝-3.05。
除上述所提及的参数外，第一至第十一实施例及对比例的引气槽3结构的其他技术特征都一致，都为环型结构，所在压气机级间引气流量为进口主流流量的5％，轮毂5到机闸4的径向高度为H，引气槽3进口轴向长度为0.17H，引气槽3径向高度为0.11H，引气槽3的下游壁面32均为相同的平面结构，并向主流流向方向倾斜，点P1、点P4及点P6的位置和Li、Lh的值都一致，夹角均α均为36°，将上述第一至第十一实施例及对比例中的总压损失系数和静压升系数进行测试，得出表1和图6，并由此可知，上述对比例和各实施例所对应产生的技术效果属实。
表1：
总压损失系数 静压升系数
第一实施例 0.07342 0.17891
第二实施例 0.09367 0.21114
第三实施例 0.06329 0.31499
第四实施例 0.06156 0.29784
第五实施例 0.07051 0.29951
第六实施例 0.06161 0.27568
第七实施例 0.06275 0.29311
第八实施例 0.06145 0.24707
第九实施例 0.06201 0.28312
第十实施例 0.0623 0.27691
第十一实施例 0.0613 0.29305
对比例 0.11715 0.16032
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种压气机引气结构，其特征在于，包括：
输气组件，包括对应设置的上游静子和下游转子；
流通室，位于所述上游静子和所述下游转子之间并与所述上游静子和所述下游转子均连通；
引气槽，其输出端连通集气腔，其输入端连通所述流通室，其内壁包括靠近所述上游静子一侧的上游壁面和靠近所述下游转子一侧的下游壁面，所述上游壁面靠近所述流通室的一侧设有第一弧形曲面结构，所述第一弧形曲面结构的凸面朝向所述引气槽的内部。
2.根据权利要求1所述的压气机引气结构，其特征在于，所述第一弧形曲面结构连接于所述集气腔。
3.根据权利要求1所述的压气机引气结构，其特征在于，在所述引气槽的子午截面上，所述第一弧形曲面结构包括第一型线，所述上游壁面靠近所述集气腔的一侧的面包括第四型线，所述第四型线连接于所述第一型线。
4.根据权利要求1所述的压气机引气结构，其特征在于，所述上游壁面靠近所述集气腔的一侧设有第二弧形曲面结构，所述第二弧形曲面结构的凸面朝向所述引气槽的内部，所述第二弧形曲面结构连接于所述第一弧形曲面结构，在所述引气槽的子午截面上，所述第一弧形曲面结构包括第一型线，所述第一型线为归一化弯角分布是三次函数的函数所对应的函数图像曲线，所述第二弧形曲面结构包括第二型线，所述第二型线为二次函数图像曲线。
5.根据权利要求1-4任一项所述的压气机引气结构，其特征在于，所述引气槽向远离所述上游静子的一侧倾斜设置。
6.根据权利要求4所述的压气机引气结构，其特征在于，所述引气槽向远离所述上游静子的一侧倾斜设置，在所述引气槽的子午截面上，所述第一型线的一端和所述第二型线连接并相交于点P2，所述第一型线的另一端连接于所述流通室并相交于点P1，所述下游壁面包括第三型线，所述第三型线连接于所述流通室并相交于点P4，所述第三型线设有点P5，所述点P5与所述点P3的连接线垂直于所述第三型线，所述点P2与所述点P4的连接线垂直于所述第三型线，且所述点P2与所述点P4的距离为Lt，所述点P1与所述点P4的距离为Li，所述点P1和所述点P4等高，所述点P6和所述点P3等高，所述点P1和所述点P4的连接线与所述点P6和所述点P3的连接线平行，相关参数满足：
Lt＝(0.385～0.431)Li；
所述第一型线为归一化弯角分布是F(x)＝Ax+Bx2+(1-A-B)x3的函数所对应的函数图像曲线，其中，所述x为归一化轴向长度且取值范围为[0，1]，所述A为所述点P1处在归一化弯角分布曲线上的斜率，取值范围为[1，3]，所述第一型线的弯角的取值范围为32°至42°；
所述第二型线为函数y＝ax2+bx+c对应的函数图像曲线，其中，函数y的当量扩张角θ的取值范围为4°至18°。
7.根据权利要求6所述的压气机引气结构，其特征在于，所述A的斜率为2.5，所述弯角为40°。
8.根据权利要求6所述的压气机引气结构，其特征在于，所述当量扩张角θ为12°。
9.根据权利要求6所述的压气机引气结构，其特征在于，Lt＝0.408Li。
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