CN113530888B - 一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，包括匣体，匣体上设置有：进气腔；第一引气腔，与进气腔连通；掺混腔，掺混腔第一端与第一引气腔连通；第二引气腔，与掺混腔第二端连通；导叶安装台，靠近第二引气腔一侧开设有引气孔，导叶安装台通过引气孔与第二引气腔连通。本发明优化了防冰引气腔内布局，在机匣内形成了多腔室的回流式的引气路径，增强周向空间的扩散，提高混合效果，可有效改善防冰引气出口的均匀性。本发明结构后续加工工序较少，且铸件毛坯成本低，提高了使用经济性。

Description

一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构。

背景技术

通常涡轴发动机压气机进口级导叶需要调节角度，部分燃气涡轮发动机进口部件为静止件且设置有进气可调导向叶片。在特定的工作状态下，可调导叶与发动机进口气流之间有一定的角度，这样如果飞机遭遇结冰条件，则会在可调导叶的表面形成积冰。积冰会影响发动机的性能，脱落的冰也对下游零组件造成损伤。若不采取有效的防、除冰措施，将给飞机的飞行安全带来严重威胁。

随着航空发动机技术的进步，对发动机的要求越来越高，为了在高原高寒地带防止冷端部件结冰，保证发动机工作安全，提高发动机的环境适应能力，发动机需从热端引气，高温高压气流通过外部管路进入冷端部件。目前，通用的解决办法是在压气机的轴流级出口引一股高温高压的气流，通过外部管路引入至压气机进口级导叶机匣内，再通过导叶机匣内的引气腔室将气流输入进口导叶内部，从而完成防冰，能使进口级导叶在高原高寒条件下实现防冰和调节功能。

目前，现有的带高温高压的气流功能的导叶机匣的实现方案主要是内机匣、盖板、密封件通过螺栓或其他方式连接而成的单腔室结构导叶机匣。内机匣的主要作用是安装导叶、形成流道和构造前后法兰，盖板的主要作用是与内机匣组合形成一引气空腔，盖板上有进气孔，同时盖板与内机匣之间需要有密封设计，确保引气空腔的密封性。

现有的技术的缺点主要有：

1.组成零件较多，装配较复杂，同时为保证密封性，对部分配合型面加工要求较高，工艺难度加大。

2.引气腔的密封性主要依靠密封件(比如O形密封圈或者金属密封圈)，O形密封圈属于易损件，密封性易失效，而金属密封圈所需要的压缩量较大，易引起机匣法兰边端面变形。

3.单腔室设计的高温高压的气流直接从盖板上的进气孔进入引气腔和导叶引气孔，整个引气通道未进行整流，导致冷端部件引气周向不均匀，影响发动机的防冰效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，实现防冰功能和零件集成，提高机匣零件的可靠性。同时引气腔进行多腔室设计，优化防冰效果，确保发动机在高原高寒地带安全工作。

一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，包括匣体，匣体上设置有：

进气腔；

第一引气腔，与进气腔连通；

掺混腔，掺混腔第一端与第一引气腔连通；

第二引气腔，与掺混腔第二端连通；

导叶安装台，靠近第二引气腔一侧开设有引气孔，导叶安装台通过引气孔与第二引气腔连通。

进一步的，匣体包括第一法兰部、第一引气区、第二引气区和第二法兰部；

其中，进气腔设置在第一法兰部左侧；

第一引气区设置于第一法兰部右侧，第一引气腔设置于第一引气区内部；

第二引气区，设置于第一引气区、第二法兰部之间，掺混腔和导叶安装台设置在第二引气区；

第二引气腔设置在第二法兰部内部。

进一步的，匣体为环形，匣体内侧轮廓横截面为锥形，匣体内径从左至右逐渐减小。

进一步的，进气腔横截面为矩形、扇形或椭圆型。

进一步的，第一引气腔和第二引气腔为环形腔，第一引气腔周向设置于第一引气区内部，第二引气腔周向设置于第二法兰部内部。

进一步的，第一引气腔和第二引气腔横截面为矩形、扇形或椭圆型。

进一步的，掺混腔设置多个，周向均布于第二引气区。

进一步的，掺混腔为轴向贯穿第二引气区的通孔。

进一步的，导叶安装台与掺混腔对应设置多个，每个掺混腔两侧均设置有导叶安装台。

进一步的，导叶安装台还包括凸台和安装孔，凸台横截面为矩形，凸台中间开设有安装孔，安装孔从凸台上端贯穿至第二引气区的内端面，安装孔与引气孔连通。

进一步的，导叶安装台与掺混腔上端面高度低于第一引气区的外端面，第二法兰部与第一引气区的外径相同，第一法兰部的外径大于第一引气区。

进一步的，第二法兰部的右侧边设置有工艺孔，工艺孔与掺混腔对应设置多个，工艺孔从第二法兰部的右侧边贯穿至第二引气腔。

进一步的，工艺孔内设置有内螺纹。

本发明的有益效果：

1.本发明实现了机匣零件的高度集成，可同时满足机匣包容和串接、导叶安装、形成流道、防冰等功能要求并集成为一体，并可通过铸造而成，有效消除了零件连接失效的风险，安装方便。

2.本发明优化了防冰引气腔内布局，在机匣内形成了多腔室的回流式的引气路径，增强周向空间的扩散，提高混合效果，可有效改善防冰引气出口的均匀性。

3.本发明结构后续加工工序较少，且铸件毛坯成本低，提高了使用经济性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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示出了根据本发明实施例的一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的进气腔与第一引气腔局部结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的第二引气区局部结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的第二引气腔局部结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的导叶安装台的局部结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构的出口引气流量模拟分析示意图。

图中：1、匣体；11、第一法兰部；12、第一引气区；13、第二引气区；14、第二法兰部；111、进气腔；121、第一引气腔；131、导叶安装台；132、掺混腔；1311、引气孔；1312、凸台；1313、安装孔；141、第二引气腔；142、工艺孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例使用的方位词如“上、下、左、右”通常是针对附图所示的方向而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的。

本发明提供一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，在满足航空发动机导叶安装的前提下，实现防冰功能和零件集成，提高机匣零件的可靠性。同时引气腔进行多腔室设计，优化防冰效果，确保发动机在高原高寒地带安全工作。

请参阅图1，图1示出了根据本发明实施例的一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构的结构示意图。

一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，包括匣体1，匣体1设置有第一法兰部11、第一引气区12、第二引气区13和第二法兰部14。

需要说明的是，本发明的匣体1为整体铸造成型，再进行后续加工成型。将匣体1分为第一法兰部11、第一引气区12、第二引气区13和第二法兰部14，是为了便于描述。

请参阅图2，图2示出了根据本发明实施例的进气腔与第一引气腔局部结构示意图。

其中，第一法兰部11左侧设置有进气腔111，第一引气区12设置于第一法兰部11右侧，第一引气区12内部设置有第一引气腔121。

如图1所示，第二引气区13设置于第一引气区12、第二法兰部14之间。

请参阅图3，图3示出了根据本发明实施例的第二引气区局部结构示意图。

第二引气区13设置有掺混腔132和导叶安装台131，第二法兰部14内部设置有第二引气腔141。

第一引气腔121与进气腔111连通，掺混腔132第一端与第一引气腔121连通，第二引气腔141与掺混腔132第二端连通。

请参阅图4，图4示出了根据本发明实施例的第二引气腔局部结构示意图。

导叶安装台131靠近第二引气腔141一侧开设有引气孔1311，导叶安装台131通过引气孔1311与第二引气腔141连通。

本实施例的匣体1采用多腔室结构，多腔室结构决定了进气腔111可仅设计一处就能保证导叶安装台处131的引气均匀，简化了外部管路设计、密封设计和发动机高温高压的气流结构布局。

具体的，匣体1为环形，匣体1内侧轮廓横截面为锥形，如图4所示，匣体1内径从左至右逐渐减小。匣体1内侧是导叶机匣的流道面，为压气机进气流道。

进一步的，导叶安装台131与掺混腔132上端面高度低于第一引气区12的外端面，第二法兰部14与第一引气区12外径相同，第一法兰部11的外径大于第一引气区12。

基于此，可以在机械加工过程中，先对第二引气区13、第二法兰部14、第一引气区12在同一工序进行内外圆加工，再对第二引气区13的导叶安装台131与掺混腔132进行加工，减少加工工序，提高生产效率。

第一法兰部11、第二法兰部14用于导叶机匣与其他部件串接，实现导叶机匣的包容和串接功能。

示例的，第一法兰部11可设螺栓通孔，用于连接前机匣，引气从前机匣进入进气腔111；第二法兰部14可设螺纹孔，用于安装后机匣，后机匣的螺栓直接拧入第二法兰部14；第二法兰部14的外圆提供精密圆柱面，可作为导叶调节机构的联动环的定位面。

具体的，进气腔111横截面为矩形、扇形或椭圆形，进气腔111面积决定了高温高压的气流量。

第一引气腔121为环形腔体，周向设置于第一引气区12内部，所需的引气流量决定了进气腔截面积大小，第一引气腔121截面积大于第二引气腔141截面积。

示例的，第一引气腔121的环形腔体横截面为矩形、扇形或椭圆形。

高温高压的气流从进气腔111进入第一引气腔121，气流在第一引气腔121中扩散后进入掺混腔132，气流通过掺混腔132孔射入第二引气腔141。

第二引气腔141为环形腔体，周向设置于第二法兰部14内部。

示例的，第二引气腔141的环形腔体横截面为矩形、扇形或椭圆形。

具体的，掺混腔132设置多个，周向均布于第二引气区13。

示例的，掺混腔132为轴向贯穿第二引气区13的通孔，通孔两端分别连通第一引气腔121和第二引气腔141。

具体的，导叶安装台131与掺混腔132对应设置多个，如图3所示，每个掺混腔132两侧均设置有导叶安装台131。

请参阅图5，图5示出了根据本发明实施例的导叶安装台的局部结构示意图。

具体的，导叶安装台131还包括凸台1312和安装孔1313，凸台1312横截面为矩形，凸台1312中间开设有安装孔1313，安装孔1313从凸台1312上端贯穿至第二引气区13的内端面，安装孔1313与引气孔1311连通。

安装孔1313用于固定导叶，引气孔1311与安装孔1313连通，防冰气流通过引气孔1311进入安装孔1313，最终对安装于安装孔1313的压气机进口级导叶起防冰作用。

具体实施时，高温高压的气流从进气腔111进入第一引气腔121，高温高压的气流在第一引气腔121内充分扩散，扩散后的高温高压的气流进入周向均布的多个掺混腔132，高温高压的气流通过多个掺混腔132进入第二引气腔141，高温高压的气流在第二引气腔141内扩散整流，导叶安装台131设置在掺混腔132的两侧，最后高温高压的气流通过引气孔1311均匀进入各个导叶安装台131。

通过铸造实现环腔的加工，最终防冰气流通过各个导叶安装台131的引气孔1311从第二引气腔141进入导叶。导叶机匣设计成“第一引气腔121-掺混腔132-第二引气腔141”的多腔室布局结构，而非从第一引气腔121直接进入导叶安装台131的单腔室结构，主要是对高温高压的气流形成“进气腔111-第一引气腔121-掺混腔132-第二引气腔141-引气孔1311-导叶安装台131”回流式的气流路径，保证第一引气腔121中的气体由掺混腔132孔射入第二引气腔141，能够起一定的整流作用，延长气流在引气腔内扩散时间，强化第二引气腔141中气体的掺混能力，最终使进入各个导叶安装台131中的气体均匀一致，从而到达周向充分防冰的效果。

本实施例中，第一引气腔121与第二引气腔141未直接相通，第二引气腔141与导叶安装台131未直接相通，掺混腔132为周向均匀多处的通孔设计，掺混腔132可对第一引气腔121中气体进行整流，并延长第一引气腔121和第二引气腔141的掺混时间，使得进入第二引气腔141的气体充分混合。

进一步的，第二法兰部14的右侧边设置有工艺孔142，工艺孔142与掺混腔132对应设置多个，工艺孔142从第二法兰部14的右侧边贯穿至第二引气腔141。

通过在第二法兰部14的外侧边设置工艺孔142，简化了掺混腔132的加工，提高加工效率，降低生产成本。

进一步的，工艺孔142内设置有内螺纹，用于安装螺纹堵头。工艺孔142用螺纹堵头封堵，加工简单、方便。

本发明实现了导叶机匣零件的高度集成，可同时满足导叶机匣包容和串接、导叶安装、形成流道、防冰等功能要求并集成为一体，并可通过铸造而成，有效消除了零件连接失效的风险，安装方便。

本发明优化了高温高压的气流腔内布局，在机匣内形成了多腔室的回流式的引气路径，增强周向空间的扩散，提高混合效果，可有效改善高温高压的气流出口的均匀性。

本发明结构后续加工工序较少，且铸件毛坯成本低，提高了使用经济性。

本发明的导叶机匣进行模拟分析，请参阅图6，图6示出了根据本发明实施例的一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构的出口引气流量模拟分析示意图。

图6中，scheme1表示单腔室结构的导叶机匣，scheme2表示本发明实施例的导叶机匣，图中横坐标表示各个出口编号，纵坐标表示各个出口对应的引气流量出口百分比。

通过图6可看出，多腔室结构的多个出口的引气流量出口百分比在理想分布(ideal distribution)小范围波动，多腔室结构的多个出口的引气流量出口百分比范围在5.4％-7.6％内波动，与理想分布每个出口引气流量出口百分6.2％接近，每个出口的防冰气流分布均匀。

通过模拟多腔室结构的导叶机匣多个出口的引气流量出口百分比范围在2％-12％内波动，波动较大，可以看出每个出口的防冰气流分布均匀差异较大。

通过模拟分析可知，本发明多腔室结构的导叶机匣相比于单腔室结构，可大幅改善防冰气流分布均匀性。

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 (13)

1.一种带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，包括匣体（1），所述匣体（1）上设置有：

进气腔（111）；

第一引气腔（121），与所述进气腔（111）连通，所述第一引气腔（121）为环形腔；

掺混腔（132），所述掺混腔（132）第一端与所述第一引气腔（121）连通，所述掺混腔（132）设置多个；

第二引气腔（141），与所述掺混腔（132）第二端连通；

导叶安装台（131），靠近所述第二引气腔（141）一侧开设有引气孔（1311），所述导叶安装台（131）通过所述引气孔（1311）与所述第二引气腔（141）连通，所述导叶安装台（131）与所述掺混腔（132）对应设置多个；

高温高压的气流从进气腔（111）进入所述第一引气腔（121），所述高温高压的气流在所述第一引气腔（121）内充分扩散，扩散后的高温高压的气流进入多个所述掺混腔（132），再通过多个所述掺混腔（132）进入所述第二引气腔（141），高温高压的气流在所述第二引气腔（141）内扩散整流，最后高温高压的气流通过所述引气孔（1311）均匀进入各个所述导叶安装台（131）。

2.根据权利要求1所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述匣体（1）包括第一法兰部（11）、第一引气区（12）、第二引气区（13）和第二法兰部（14）；

其中，所述进气腔（111）设置在第一法兰部（11）左侧；

所述第一引气区（12）设置于所述第一法兰部（11）右侧，所述第一引气腔（121）设置于所述第一引气区（12）内部；

第二引气区（13），设置于所述第一引气区（12）、第二法兰部（14）之间，所述掺混腔（132）和所述导叶安装台（131）设置在所述第二引气区（13）；

所述第二引气腔（141）设置在所述第二法兰部（14）内部。

3.根据权利要求2所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述匣体（1）为环形，所述匣体（1）内侧轮廓横截面为锥形，所述匣体（1）内径从左至右逐渐减小。

4.根据权利要求2所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述进气腔（111）横截面为矩形、扇形或椭圆型。

5.根据权利要求3所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述第二引气腔（141）为环形腔，所述第一引气腔（121）周向设置于所述第一引气区（12）内部，所述第二引气腔（141）周向设置于所述第二法兰部（14）内部。

6.根据权利要求4所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述第一引气腔（121）和所述第二引气腔（141）横截面为矩形、扇形或椭圆型。

7.根据权利要求6所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述掺混腔（132）周向均布于所述第二引气区（13）。

8.根据权利要求7所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述掺混腔（132）为轴向贯穿所述第二引气区（13）的通孔。

9.根据权利要求8所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，每个所述掺混腔（132）两侧均设置有所述导叶安装台（131）。

10.根据权利要求9所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述导叶安装台（131）还包括凸台（1312）和安装孔（1313），所述凸台（1312）横截面为矩形，所述凸台（1312）中间开设有所述安装孔（1313），所述安装孔（1313）从所述凸台（1312）上端贯穿至所述第二引气区（13）的内端面，所述安装孔（1313）与所述引气孔（1311）连通。

11.根据权利要求3-10任一所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述导叶安装台（131）与所述掺混腔（132）上端面高度低于所述第一引气区（12）的外端面，所述第二法兰部（14）与所述第一引气区（12）的外径相同，所述第一法兰部（11）的外径大于所述第一引气区（12）的外径。

12.根据权利要求2-10任一所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述第二法兰部（14）的右侧边设置有工艺孔（142），所述工艺孔（142）与所述掺混腔（132）对应设置多个，所述工艺孔（142）从所述第二法兰部（14）的右侧边贯穿至所述第二引气腔（141）。

13.根据权利要求12所述的带防冰功能的多腔室集成化导叶机匣结构，其特征在于，所述工艺孔（142）内设置有内螺纹。

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