CN113623072A - 一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构 - Google Patents

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卢新根
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Abstract

本发明公开了一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，属于航空发动机压气机技术领域，其关键在于通过引压气机出口处气流至一热交换器，通过热交换器将该股气流的温度降至冷却所需温度。再通过集气环腔、冷却管路和静子叶片上开的气流通道，将冷却气体引至静子根部容腔，进而达到冷却相邻转子盘缘的效果。该发明可直接应用于压气机出口气流温度较高的航空发动机，能够提高压气机总压比，提高发动机热效率，进而降低发动机油耗。

Description

一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机压气机技术领域，涉及一种轴流压气机冷却结构，尤其涉及一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，这种冷却结构通过引一股压气机出口处气体至热交换器，通过热交换器将该股气流温度降低至所需冷却用温度，再将此股冷却气流引至根部容腔，进而起到冷却相邻转子盘缘的作用。发明可直接应用于压气机出口气流温度较高的航空发动机，能够提高压气机总压比，提高发动机热效率，进而降低发动机油耗。
背景技术
随着航空发动机高性能的发展需求，压气机将向更高压比的方向发展，这也使得压气机出口气流温度越来越高，甚至可高达700-800℃。高的出口气流温度使得压气机后面级转子需采用盘片分离结构，叶片选用耐温较高的钛铝合金或高温合金。由于转子盘缘被主流道及根部容腔气体包围，盘缘部分温度接近主流道温度，盘缘处的高温使得转子轮盘的选材受到极大限制，进而也限制了压气机总压比。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提供了一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构。这种结构通过引用一股压气机出口气体至热交换器，通过热交换器将该股气流温度降低至所需冷却用温度。再将此股冷却气流引至根部容腔，进而起到冷却相邻转子榫槽的作用。根据叶盘榫槽降温所需冷气量，确定周向需开孔的静子叶片数以及开孔的形式和大小。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，所述压气机的后面级包括后面级压气机转子和后面级压气机静子，所述后面级压气机转子包括转子盘缘以及布置在所述转子盘缘上的转子叶片排，各转子叶片通过开设在所述转子盘缘上的转子榫槽固定设置在所述转子盘缘上，所述后面级压气机静子包括静子机匣以及沿轴向分布在所述静子机匣上的若干静子叶环，每一所述静子叶环均包括静子叶环外缘板、静子叶环内缘板以及沿周向设置在所述静子叶环外缘板与静子叶环内缘板之间的静子叶片排，所述静子叶环内缘板与转子盘缘之间设有静叶封严环，每一所述静叶封严环的左右两侧与转子榫槽之间分别形成静叶根部容腔，
其特征在于，
所述冷却结构还包括至少一引气管路、至少一热交换器、至少一集气环腔、多个冷却管路，其中，
所述引气管路的进口与所述压气机出口处的排气管路连通，所述引气管路的出口与所述热交换器的热侧进口连通，
所述热交换器的冷侧通入冷却流体，
所述热交换器的热侧出口与所述集气环腔的进口连通，
每一所述冷却管路的进口与所述集气环腔连通，
每一所述冷却管路依次穿过所述静子机匣、静子叶环外缘板、静子叶片排、静子叶环内缘板、静子封严环后与所述静叶根部容腔连通。
本发明优选的实例中，所述冷却管路包括形成在所述静子叶环上的气流通道，所述气流通道沿径向依次穿过所述静子叶环外缘板、静子叶片排、静子叶环内缘板。
本发明优选的实例中，所述引气管路的引气量根据所述转子榫槽所需冷却的温度进行计算得到。
本发明的另一个发明目的在于提供一种高压比轴流压气机，其特征在于，所述压气机包括上述用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构中，通过此种冷却结构，可以使得叶盘榫槽处的温度显著降低。比如，某型发动机末级叶盘榫槽处的温度高达700℃，这使得该叶盘不能选用较常用的镍基高温合金。采用该冷却结构将叶盘榫槽处的温度降低至650℃以下，则该叶盘选材可以采用应用较为广泛的GH4169。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构中，由于冷却气体的压力要足够高，所以选择从整个发动机气体最高压力处即压气机出口处进行引气，引气量根据榫槽所需冷却的温度进行计算得到。由于此股压力最高的气流此时温度也较高，不能直接用于冷却，需先引至一个热交换器。通过该热交换器，将该股气流的温度降至所需温度，保持气体压力不变。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构中，经过热交换器处理后的低温高压气体，可以用来冷却转子盘缘部分。通过引气管和在机匣、静子叶片上开的槽孔，将冷却气体引至静叶根部容腔部分，进而冷却容腔前、后的转子盘缘，将榫槽温度降至设计所需温度。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构中，这种冷却方式不仅降低了转子盘缘温度，静叶根部容腔处的鼓筒、容腔前后的静子叶片榫头部分的温度也都得到降低。这对减小鼓筒和榫头榫槽的热应力均有所帮助，进而提高了鼓筒和榫头榫槽处的工作安全系数。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构中，根据设计需要，可以选择压气机后面级转子排所需冷却的叶片排数。引气方式和路线与上述内容保持一致。这种冷却结构设计，能有效降低转子盘缘的工作温度，减小转子榫槽处应力，进而能提高压气机总压比，提高发动机热效率，降低发动机油耗。
附图说明
图1为本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构整体示意图。
图2为静子叶环左视图。
图3为开槽静子叶环俯视图。
图4为开槽静子叶环剖视图。
图5为开孔静子叶环俯视图。
图6为开孔静子叶环剖视图。
附图标记说明：
压气机出口气流1，引气管路2，热交换器3，集气环腔4，冷却管路5，静子机匣6，静子叶片排7，转子盘缘8，静叶封严环9，静叶根部容腔10，静子叶环外缘板11，静子叶环内缘板12，静子叶环外缘板上的槽13，静子叶片叶身上的槽14，静子叶环外缘板上的孔15，静子叶片叶身上的孔16。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
如图1所示，本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，压气机的后面级包括后面级压气机转子和后面级压气机静子，后面级压气机转子包括转子盘缘8以及布置在转子盘缘8上的转子叶片排，各转子叶片通过开设在转子盘缘上的转子榫槽固定设置在转子盘缘上，后面级压气机静子包括静子机匣6以及沿轴向分布在静子机匣6上的若干静子叶环，每一静子叶环均包括静子叶环外缘板11、静子叶环内缘板12以及沿周向设置在静子叶环外缘板11与静子叶环内缘板12之间的静子叶片排7，静子叶环内缘板12与转子盘缘8之间设有静叶封严环9，每一静叶封严环9的左右两侧与转子榫槽之间分别形成静叶根部容腔10。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，还包括至少一引气管路2、至少一热交换器3、至少一集气环腔4、多个冷却管路5，其中，引气管路2的进口与压气机出口处的排气管路连通，引气管路2的出口与热交换器3的热侧进口连通；热交换器3的冷侧通入冷却流体，热交换器3的热侧出口与集气环腔4的进口连通；每一冷却管路5的进口与集气环腔4连通；每一冷却管路5依次穿过静子机匣6、静子叶环外缘板11、静子叶片排7、静子叶环内缘板12、静子封严环9后与静叶根部容腔10连通。
本发明优选的实例中，冷却管路5包括形成在静子叶环上的气流通道，气流通道沿径向依次穿过静子叶环外缘板11、静子叶片排7、静子叶环内缘板12。
本发明的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，压气机出口气流1经由引气管路2引至热交换器3，经过热交换器3将气流温度降至所需温度，然后用集气环腔4将冷却气体收集起来，再通过冷却管路5穿过静子叶片排7和静子封严环9将气体引至根部容腔10，进而冷却转子盘缘8。
如图2至图6所示，展示了静子叶环上贯穿静子叶片的不同几何构型的气流通道，气流通道需从外缘板11穿过静子叶片贯穿至内缘板12。图3和图4展示了叶片上的槽型引气结构，图5和图6展示了叶片上的孔型引气结构。图3是俯视图显示的外缘板上的通气槽13，图4是剖视图显示的叶片叶身上的通气槽14。图5是俯视图显示的外缘板上的通气孔15，图6是剖视图显示的叶片叶身上的通气孔16。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，所述压气机的后面级包括后面级压气机转子和后面级压气机静子，所述后面级压气机转子包括转子盘缘以及布置在所述转子盘缘上的转子叶片排，各转子叶片通过开设在所述转子盘缘上的转子榫槽固定设置在所述转子盘缘上，所述后面级压气机静子包括静子机匣以及沿轴向分布在所述静子机匣上的若干静子叶环，每一所述静子叶环均包括静子叶环外缘板、静子叶环内缘板以及沿周向设置在所述静子叶环外缘板与静子叶环内缘板之间的静子叶片排，所述静子叶环内缘板与转子盘缘之间设有静叶封严环，每一所述静叶封严环的左右两侧与转子榫槽之间分别形成静叶根部容腔，
其特征在于，
所述冷却结构还包括至少一引气管路、至少一热交换器、至少一集气环腔、多个冷却管路，其中，
所述引气管路的进口与所述压气机出口处的排气管路连通，所述引气管路的出口与所述热交换器的热侧进口连通，
所述热交换器的冷侧通入冷却流体，
所述热交换器的热侧出口与所述集气环腔的进口连通，
每一所述冷却管路的进口与所述集气环腔连通，
每一所述冷却管路依次穿过所述静子机匣、静子叶环外缘板、静子叶片排、静子叶环内缘板、静子封严环后与所述静叶根部容腔连通。
2.根据上述权利要求所述的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，其特征在于，所述冷却管路包括形成在所述静子叶环上的气流通道，所述气流通道沿径向依次穿过所述静子叶环外缘板、静子叶片排、静子叶环内缘板。
3.根据上述权利要求所述的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构，其特征在于，所述引气管路的引气量根据所述转子榫槽所需冷却的温度进行计算得到。
4.一种高压比轴流压气机，其特征在于，所述压气机包括上述任意一项权利要求所述的用于高压比轴流压气机的后面级盘缘冷却结构。
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