CN113217193B - 一种涡轮机轮盘喷水冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮机轮盘喷水冷却结构，属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种涡轮机轮盘喷水冷却结构，包括喷水口，喷雾口，前/后端盖，机壳，涡轮盘，出口段，旋转轴。端盖、机壳和涡轮盘之形成冷却腔，冷却腔与出口段相连用于排出冷却工质和做功工质。前端盖和后端盖上开设有喷水口以降低涡轮盘前后面的温度，机壳上开设有喷雾口以降低涡轮盘顶部的温度。本发明可以有效降低水下涡轮机的轮盘温度，增强涡轮机运行的可靠性。

Description

一种涡轮机轮盘喷水冷却结构
技术领域
本发明属于燃气轮机降温技术领域，具体涉及一种涡轮机轮盘喷水冷却结构。
背景技术
在水下航行器高航速和航程的需求下，涡轮机需要具有更高的输出功率和效率，为提高涡轮机效率则需要进一步增加涡轮机的工作温度，此时工作温度将在1000K以上，材料在高温高压高转速下将超过应力极限，开发适用于水下航行器的高效冷却结构将保证涡轮机的运行安全。
一般地，传统涡轮机冷却多为空气冷却，一般为混入更多的空气以对进入喷管前的气体进行冷却，或直接对轮盘进行冲击冷却，有的在叶片钻孔以实现气膜冷却。然而针对水下航行器应用环境而言，其周围都是液态水，难以保证冷却空气的进入，使用液态水进行冷却是最为可行的方案。除此之外水下涡轮机尺寸小难以加工复杂的内部流道，直接将液态水喷入涡轮室是一种简单易行的策略。
另外，液态水相变过程可吸收大量潜热，使用液态水的冷却效果将优于空气冷却，可以实现涡轮机在高温运行状态下的高效冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡轮机轮盘喷水冷却结构，通过将水下航行器的外部液态水引入涡轮室，能够实现涡轮机的轮盘冷却，在保证安全运行的情况下，进一步提高涡轮机入口燃气温度。
本发明所采用的技术方案是，一种基于喷水冷却的涡轮结构，包括机壳，机壳一端固定连接后端盖，另一端固定连接前端盖，后端盖中部通过轴承连接旋转轴，旋转轴位于机壳内一端连接涡轮盘，前端盖中部开设前表面进水口，后端盖上位于旋转轴附近开设多个后表面喷水口，后端盖连接出水管，出水管与机壳内腔体连通。
本发明的特点还在于：
机壳内通过支撑结构连接机壳内壳体，机壳、机壳内壳体、前端盖共同形成机壳液态水腔，机壳内壳体上开设喷雾口，前端盖上位于机壳液态水腔处开设端部出水口、端部入水口。
前端盖与涡轮盘形成前表面冷却腔，后端盖、旋转轴、涡轮盘形成后表面冷却腔，涡轮盘上方与机壳内壳体形成叶片冷却腔，前表面冷却腔、叶片冷却腔与后表面冷却腔相连通。
还包括穿过前端盖的喷管，喷管出口正对叶片冷却腔，且与叶片冷却腔相通。
喷雾口至机壳内壳体中心连线与出水管中心线之间的角度为157.5°。
出水管连通至机壳内腔体边缘。
本发明的有益效果是：
本发明一种涡轮机轮盘喷水冷却结构，液态水喷入涡轮盘可在涡轮盘表面形成液膜，除此之外液态水在接触高温燃气后会发生相变，相变过程可吸收大量潜热变为水蒸气附着在涡轮盘表面，通过水膜与气膜形成隔热层，防止涡轮盘温度超过许用温度，保障涡轮机安全运行。燃气与冷却工质共用同一流动区域和出口，不需要额外对冷却通道进行过多加工，克服了微型涡轮机难以设置复杂冷却结构的难题。
附图说明
图1为本发明一种涡轮机轮盘喷水冷却结构的立体图；
图2为本发明一种涡轮机轮盘喷水冷却结构的剖视图；
图3为涡轮机轮盘后表面冷却结构的立体图。
图中，1.出水管，2.后端盖，3.涡轮盘，4.后表面喷水口，5.旋转轴，6.前表面进水口，7.前端盖，8.喷管，9.机壳，10.前表面冷却腔，11.后表面冷却腔，12.机壳液态水腔，13.机壳内壳体，14.喷雾口，15.叶片冷却腔，16.端部出水口，17.端部进水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于喷水冷却的涡轮结构，如图1、图2及图3所示，包括机壳9，机壳9一端固定连接后端盖2，另一端固定连接前端盖7，后端盖2中部通过轴承连接旋转轴5，旋转轴5位于机壳9内一端连接涡轮盘3，前端盖7与涡轮盘3形成前表面冷却腔10，后端盖2、旋转轴5、涡轮盘3形成后表面冷却腔11，涡轮盘3上方与机壳内壳体13形成叶片冷却腔15，前表面冷却腔10、叶片冷却腔15与后表面冷却腔11相连通，前表面冷却腔10和后表面冷却腔11中的液态水能够沿着涡轮盘3向边缘流动，直到跟喷管喷出的高速气流掺混后进入叶片冷却腔15，前端盖7中部开设前表面进水口6，后端盖2上位于旋转轴5附近开设多个后表面喷水口4，后表面喷水口4能够用于冷却涡轮盘3，后端盖2连接出水管1，出水管1与机壳9内腔体连通。
机壳9内通过支撑结构连接机壳内壳体13，机壳9、机壳内壳体13、前端盖7共同形成机壳液态水腔12，机壳内壳体13上开设喷雾口14，前端盖7上位于机壳液态水腔12处开设端部进水口17，通过端部进水口17向机壳液态水腔12内通入液态水，通过喷雾口14将该液态水雾化后，排入叶片冷却腔15，喷水口14尺寸很小难以将水全部喷出，多余液体将从位于机壳液态水腔12处的端部出水口16排出。
机壳内壳体13上的喷雾口14，由于涡轮盘3上方围带的存在使得从中心处流向围带上方的冷却工质较少，且涡轮盘3具有离中心处越远温度越高的现象，需要进行额外的冷却工质补充以加强冷却效果，其雾化原理为，喷雾口14直径很小，且压差较大，液体在喷雾口内加速，又由于涡轮盘3旋转速度较大，在液体表面张力、粘性及空气阻力相互作用下，液体由滴落、平滑流、波状流向喷雾流逐渐转变。
还包括穿过前端盖7的喷管8，喷管8能够将由燃烧室燃烧产生的燃气穿入至涡轮盘3，喷管8出口正对叶片冷却腔15，且与叶片冷却腔15相通，喷管8中通入高温燃气，喷管8中喷出的高温燃气只能在叶片冷却腔15与冷却工质接触，防止了高温燃气对涡轮盘3前后表面的接触，在叶片冷却腔15中液态水将发生相变，吸收大量热从而降低高温燃气对涡轮盘3中叶片的影响，同时推动涡轮机做功。
由于非进气位置没有喷管8，没有高速气体进入涡轮叶片，但是涡轮叶片附近还是充满滞留气体的，气体流速很低，当涡轮盘3旋转时，涡轮盘3两侧会与这些气体摩擦，涡轮盘3会携带滞留气体在涡轮叶片流道中不断旋转，由于粘性产生更多的热量，喷管8对面设置的喷雾口14能够对涡轮盘3上方围带及叶片进行降温，出水管1与喷雾口14在机壳内壳体13上呈157.5°，在涡轮盘3旋转时，还能够带动液态水滴转动，不会被喷管8中高速气流过早吹走，进一步降低涡轮盘3的温度，出水管1与喷雾口14在机壳内壳体13上如果不呈157.5°，过早喷入涡轮盘3中，涡轮盘3将带动更多滞留工质，增加非进气位置的鼓风损失，太晚喷入涡轮盘3中则换热不充分难以达到冷却效果。
出水管1连通至机壳9内腔体边缘，用于排出高温燃气与冷却工质。
本发明一种基于喷水冷却的涡轮结构的工作过程为：
涡轮机工作时带动海水泵将航行器外部液态水引入航行器内部，通过管路连接到前表面进水口6，后表面冷却口4以及端部进水口17，前表面进水口6通过前表面冷却腔10流入叶片冷却腔15，后表面进水口4通过后表面冷却腔11流入叶片冷却腔15，端部进水口17通过机壳液态水腔12并从喷雾口14流入叶片冷却腔15，在叶片冷却腔15中冷却水与高温工质掺混，并从出水管1流出。
通过上述方式，本发明一种涡轮机轮盘喷水冷却结构，液态水喷入涡轮盘可在涡轮盘表面形成液膜，除此之外液态水在接触高温燃气后会发生相变，相变过程可吸收大量潜热变为水蒸气附着在涡轮盘表面，通过水膜与气膜形成隔热层，防止涡轮盘温度超过许用温度，保障涡轮机安全运行。

Claims (4)

1.一种水下航行器的涡轮机轮盘喷水冷却结构，其特征在于，包括机壳（9），所述机壳（9）一端固定连接后端盖（2），另一端固定连接前端盖（7），所述后端盖（2）中部通过轴承连接旋转轴（5），所述旋转轴（5）位于机壳（9）内一端连接涡轮盘（3），所述前端盖（7）中部开设前表面进水口（6），所述后端盖（2）上位于旋转轴（5）附近开设多个后表面喷水口（4），所述后端盖（2）连接出水管（1），所述出水管（1）与机壳（9）内腔体连通；
所述机壳（9）内通过支撑结构连接机壳内壳体（13），所述机壳（9）、机壳内壳体（13）、前端盖（7）共同形成机壳液态水腔（12），所述机壳内壳体（13）上开设喷雾口（14），所述前端盖（7）上位于机壳液态水腔（12）处开设端部出水口（16）、端部入水口（17）；
所述前端盖（7）与涡轮盘（3）形成前表面冷却腔（10），所述后端盖（2）、旋转轴（5）、涡轮盘（3）形成后表面冷却腔（11），所述涡轮盘（3）上方与机壳内壳体（13）形成叶片冷却腔（15），所述前表面冷却腔（10）、叶片冷却腔（15）与后表面冷却腔（11）相连通。
2.根据权利要求1所述一种水下航行器的涡轮机轮盘喷水冷却结构，其特征在于，还包括穿过前端盖（7）的喷管（8），所述喷管（8）出口正对叶片冷却腔（15），且与叶片冷却腔（15）相通。
3.根据权利要求1所述一种水下航行器的涡轮机轮盘喷水冷却结构，其特征在于，所述喷雾口（14）至机壳内壳体（13）中心连线与出水管（1）中心线之间的角度为157.5°。
4.根据权利要求1所述一种水下航行器的涡轮机轮盘喷水冷却结构，其特征在于，所述出水管（1）连通至机壳（9）内腔体边缘。
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