CN113123998A - 一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，包括导流板，导流板的两端在锥壁腔的入口和出口处分别与静子连接，转子与导流板形成锥壁腔内新的流体流动范围，导流板与转子壁面的间隙为10mm～20mm。通过本发明的导流板改变了锥壁腔内流体的流动结构，有效地抑制了腔内漩涡的形成，降低了风阻提高了腔内换气率，有效地降低了腔内气流温度和转子壁面温度。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，尤其涉及一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔。
背景技术
目前航空发动机压气机锥壁腔的温度达到了1100K左右，这给转子部件的正常工作带来了挑战，为了保证其长时间有效的工作，需要考虑如何降低锥壁腔温度。
在航空发动机压气机锥壁腔的径向内流引气方案中，气流在流经锥壁腔时会在腔内形成大范围的漩涡结构，使得大部分气流在漩涡内进行动量和能量交换，降低了锥壁腔的换气率，导致腔内温度升高。采用从锥壁腔静子件后部引气的方法，引入的气流具有一定的冲击破坏作用，在一定程度上可破坏漩涡结构，提高腔内换气率，降低腔温，但是此方法一般只对引气孔周围的漩涡具有破坏作用，其余位置仍然可能存在漩涡结构。目前，还没有一种能够有效抑制航空发动机压气机后轴颈锥壁腔漩涡结构的流路设计。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，改变压气机锥壁腔内部的流动结构，抑制腔内漩涡的形成以降低腔内风阻温升。本发明的具体技术方案如下：
一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，所述锥壁腔还包括导流板，所述导流板的两端在锥壁腔的入口和出口处分别与静子连接，转子与所述导流板形成锥壁腔内新的流体流动范围，流体在导流板的引导下进入下游篦齿流出锥壁腔。
进一步地，所述导流板为类转子板状结构。
进一步地，所述导流板与转子壁面的间隙为10mm～20mm。
进一步地，所述导流板为等流道间隙导流板、流道渐缩型导流板或流道渐扩型导流板；其中，所述等流道间隙导流板与转子壁面等间隔，间隙为10mm～20mm；所述流道渐缩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐缩小，最小间隙处为10mm；所述流道渐扩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐扩大，最小间隙处为10mm。
进一步地，所述导流板两端采用焊接或者铆钉连接的方式安装在锥壁腔的静子上。
进一步地，所述导流板采用精密铸造或者车削工艺加工。
本发明的有益效果在于：通过导流板改变了锥壁腔内流体的流动结构，有效地抑制了腔内漩涡的形成，降低了风阻提高了腔内换气率，有效地降低了腔内气流温度和转子壁面温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为常见的航空发动机压气机后轴颈锥壁腔结构；
图2为本发明的锥壁腔内用于抑制漩涡形成的导流板结构，从左到右依次为等流道间隙导流板、流道渐扩型导流板、流道渐缩型导流板；
图3为本发明实施例的未加导流板的压气机锥壁腔结构图；
图4为本发明实施例增加等流道间隙导流板的压气机锥壁腔结构图；
图5为本发明实施例的未加导流板的压气机锥壁腔结构与腔内流动的流线图；
图6为本发明实施例在锥壁腔内加入等流道间隙导流板的结构与腔内流动的流线图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1为常见的航空发动机压气机后轴颈锥壁腔结构，流体从左上方入口进入腔内，从右方篦齿流出腔外。由于转子件与静子件之间的间隙较大，流体容易在腔内形成漩涡，从而造成较大的风阻温升。
图2为本发明的锥壁腔内用于抑制漩涡形成的导流板，从左到右依次为等流道间隙导流板、流道渐扩型导流板、流道渐缩型导流板。导流板与转子之间的间隙显著降低，使得流道内的漩涡能得到有效的抑制。
如图2所示，一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，锥壁腔还包括导流板，导流板的两端在锥壁腔的入口和出口处分别与静子连接，转子与导流板形成锥壁腔内新的流体流动范围，流体在导流板的引导下进入下游篦齿流出锥壁腔。
导流板与转子壁面的间隙为10mm～20mm。
较佳地，导流板为等流道间隙导流板、流道渐缩型导流板或流道渐扩型导流板；其中，等流道间隙导流板与转子壁面等间隔，间隙为10mm～20mm；流道渐缩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐缩小，最小间隙处为10mm；流道渐扩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐扩大，最小间隙处为10mm。
较佳地，导流板两端采用焊接或者铆钉连接的方式安装在锥壁腔的静子上。
较佳地，导流板采用精密铸造或者车削工艺加工。
本发明提出的导流板结构将锥壁腔内的空间切割，并与转子部件形成新的流通区域。根据导流板与转子之间的流道间隙变化情况，将本发明的导流板结构细分为等流道间隙导流板、流道渐扩型导流板和流道渐缩型导流板三种形式。其中，对于等流道间隙导流板，其形状与转子壁面相似，这种形式的导流板对消除漩涡和降低风阻温升的效果最好，间隙越小，抑制漩涡形成的效果越好。一般来说，由于结构和装配等因素的限制，导流板与转子壁面的最小间隙为10mm左右，在与其他结构不干涉的前提下，尽可能减小导流板与转子壁面的间隙至10mm左右，能获得最好的抑制漩涡和降温效果。如果存在其他结构的干涉，可以选择使用流道渐缩型导流板和流道渐扩型导流板，在相应的位置避开干涉部件。
在航空发动机压气机后轴颈锥壁腔内加入靠近转子壁面的导流板，改变了锥壁腔内流体的流动结构，有效地抑制了腔内漩涡的形成。流体在导流板的引导下更顺利的进入下游篦齿，减少了在锥壁腔内停留的时间，使得腔内温度得到有效地控制。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
图3为本实施例的未加导流板的压气机锥壁腔结构图，图中，篦齿盘旋转半径200mm，压气机盘旋转半径300mm，转子壁面与静子壁面距离45mm；边界条件为转子转速10000rpm，进口总压700kPa，进口总温700K，出口静压550kPa。
图4为本实施例增加等流道间隙导流板的压气机锥壁腔结构图，图中增加了等流道间隙导流板，篦齿盘旋转半径200mm，压气机盘旋转半径300mm，转子壁面与导流板壁面距离10mm；边界条件为转子转速10000rpm，进口总压700kPa，进口总温700K，出口静压550kPa。
计算结果如图5和图6所示，从图5中可以看出，由于气流从锥壁腔入口进入腔内是一个流动面积突扩的过程，且下游出口为篦齿节流元件，导致气流在大腔内速度下降从而形成大范围的漩涡，这一过程导致了腔内温度升高，尤其是小流量工况下腔内温度升高显著，结果表明，未加导流板的转子壁面平均温度为808K，篦齿出口气流温度为823K。从图6中可以看出，使用等流道间隙导流板后，锥壁腔内的漩涡得到了有效的抑制，流体在导流板的引导下更顺利的流向下游，同时锥壁腔内的温度也有很明显的下降，其中小转静间隙的等流道间隙导流板抑制漩涡形成和降低温度的效果最好，结果表明，加等流道间隙导流板后转子壁面平均温度为797K，下降11K；篦齿出口气流温度为817K，下降6K。
转子高速旋转带动气流旋转，将旋转轴的机械能转化为气流的动能和内能，从而使得气流温度和壁面温度的上升。较大的转子和静子之间的间隙会降低腔内换气率，在锥壁腔内形成大漩涡，使得风阻温升效应更加明显，会导致转子壁面的温度水平恶化。加入本发明的导流板后，等效于降低了转子和静子之间间隙，使得漩涡难以形成，提高了锥壁腔内的换气率，减少了气流在腔内的粘性耗散作用，使得转子壁面平均温度下降11K，篦齿出口气流温度下降6K。
实验表明，与转子形状相似的小间距(10mm～20mm)导流板能有效抑制锥壁腔内漩涡的形成，降低转子壁面温度与气流温度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述锥壁腔还包括导流板，所述导流板的两端在锥壁腔的入口和出口处分别与静子连接，转子与所述导流板形成锥壁腔内新的流体流动范围，流体在导流板的引导下进入下游篦齿流出锥壁腔。
2.根据权利要求1所述的一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述导流板为类转子板状结构。
3.根据权利要求1所述的一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述导流板与转子壁面的间隙为10mm～20mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述导流板为等流道间隙导流板、流道渐缩型导流板或流道渐扩型导流板；其中，所述等流道间隙导流板与转子壁面等间隔，间隙为10mm～20mm；所述流道渐缩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐缩小，最小间隙处为10mm；所述流道渐扩型导流板与转子壁面的间隔从入口处至出口处逐渐扩大，最小间隙处为10mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述导流板两端采用焊接或者铆钉连接的方式安装在锥壁腔的静子上。
6.根据权利要求1或2所述的一种抑制漩涡形成的压气机锥壁腔，其特征在于，所述导流板采用精密铸造或者车削工艺加工。
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