CN114151197B - 一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，冷却引流结构设置在冷却通道的出口截面面积突变位置，包括导流板本体，导流板本体的流道型面与冷却通道的流道型面相匹配，且导流板本体经固定组件固定在隔热屏与薄壁高筋圆转方机匣之间。导流板本体上开设有至少3个导流槽，至少3个导流槽的冷却气的气流面积之和与冷却通道的流通面积相同，导流槽用于对冷却通道的冷却气进行整流、引导、二次分配后输出至薄壁高筋圆转方机匣的方形通道内。本发明设计的冷却引流结构能够有效的改善冷却气在冷却通道的出口截面面积突变位置出现驻流、分离、流动损失的情况，能够消除冷却流道出口处截面突变而导致的流场参数急剧变化的问题，确保冷却效果。

Description

一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构
技术领域
本发明属于航空发动机领域，涉及发动机尾喷管结构设计技术，具体为一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构。
背景技术
随着航空技术发展，发动机涡轮前温度越来越高，其对发动机热端部件高效复合冷却设计技术带来了新的挑战，特别是对于截面突变的异型流道结构（如圆转方机匣）的影响越来越大。
以圆转方机匣为例，在圆转方机匣冷却通道出口截面附近，冷却流道由圆形转变为矩形截面变化剧烈，且出口截面突然急剧收缩，在出口截面处冷却气的分布极度不均，存在大量的冷却气驻流、分离和流动损失的情况，使得该出口截面附近的冷却效率低，无法满足使用需求；同时大的流动损失使冷却气的静压降低，容易引发主流燃气向冷却通道倒灌，从而导致机匣、隔热屏等结构被燃气侵蚀，进而产生结构破坏的问题。
因此，亟需对截面突变的发动机异型流道的冷却通道进行优化。
发明内容
本发明为了解决圆转方机匣的冷却通道出口处由圆形出口转变为矩形出口，使得在出口截面面积突变位置的冷却气分布不均，出现冷却气驻流、分离、流动损失的情况，进而导致的冷却效率低下、主燃气向冷却通道内倒、流圆转方机匣的结构被破坏的问题，设计了一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其能够消除冷却流道出口处截面突变而导致的流场参数急剧变化的问题，确保冷却效果。
实现发明目的的技术方案如下：一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，冷却引流结构设置在薄壁高筋圆转方机匣与隔热屏之间形成的冷却通道的出口截面面积突变位置，冷却引流结构包括导流板本体，导流板本体的流道型面与冷却通道的流道型面相匹配，且导流板本体经固定组件固定在隔热屏与薄壁高筋圆转方机匣之间。
其中，导流板本体上开设有至少3个导流槽，至少3个导流槽的冷却气的气流面积之和与冷却通道的流通面积相同，导流槽用于对冷却通道的冷却气进行整流、引导、二次分配后输出至薄壁高筋圆转方机匣的方形通道内。
进一步的，上述导流槽包括第一导流槽、第二导流槽、第三导流槽。第一导流槽和所述第二导流槽的结构相同且分别设置在靠近导流板本体端部位置，且第一导流槽和第三导流槽的出气端均指向薄壁高筋圆转方机匣的方形通道的气流驻窝点位置。第二导流槽位于第一导流槽和第三导流槽之间，且第二导流槽至少有1个。
更进一步的，当第二导流槽有1个时，第一导流槽和第三导流槽的流通面积之和小于第二导流槽的流通面积；或当第二导流槽至少有2个时，第一导流槽和第三导流槽的流通面积之和小于至少2个第二导流槽的流通面积之和。
更进一步的，上述第二导流槽的出气端为长方形结构，且第二导流槽的长边与薄壁高筋圆转方机匣的方形通道的长边相平行。
在本发明的一个实施例中，上述导流槽内设有凸起结构，凸起结构用于抑制冷却气流动分离。优选的，上述凸起结构为波纹鱼鳞凸起结构。
进一步的，上述固定组件包括沉头定距套、螺栓，沉头定距套远离方形通道的侧面上设有与隔热屏内壁固定的焊接面。沉头定距套的上端与隔热屏内壁之间具有间隙，下端与导流板本体接触。
螺栓依次穿过沉头定距套安装孔、导流板本体安装孔、薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔后经自锁螺母固定在薄壁高筋圆转方机匣上。
进一步的，上述沉头定距套安装孔的中心与导流板本体安装孔及薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔的中心均不重合，且沉头定距套安装孔的孔径大于导流板本体安装孔及薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔的孔径，且沉头定距套安装孔的中心靠近冷却通道的进气端。
进一步的，上述冷却引流结构包括下部冷却引流结构，下部冷却引流结构位于薄壁高筋圆转方机匣的下部冷却通道的截面面积突变位置。
更进一步的，上述冷却引流结构在下部冷却引流结构的基础上，还包括上部冷却引流结构，上部冷却引流结构位于薄壁高筋圆转方机匣的上部冷却通道的截面面积突变位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的冷却引流结构可以通过3D打印技术制备，其能够有效降低有效降低导流板本体的结构设计限制。
2.本发明对导流板本体进行镂空设计，剔除多余材料，从而降低结构重量，提高材料利用率，达到结构轻质化设计。
3.本发明通过对导流槽进行设计，通过在导流板本体两端设置第一导流槽、第三导流槽，同时在第一导流槽和第三导流槽之间设置至少1个第二导流槽，实现对冷却气进行整流、引导和二次分配，使冷却气通道始终保持光顺，并填补了圆转方机匣出口截面前的三角回流区，显著改善冷却气周向分布均匀性，避免在出口截面附近产生驻流和分离，从根本上解决了圆转方机匣冷却气流动分布不均、压力损失大以及燃气倒灌从而导致隔热屏烧蚀的问题。
4.通过在导流槽内设置凸起结构，能够有效改善冷却气流动状态，从而提高下游冷却气冷却效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发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，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为具体实施方式中冷却引流结构与薄壁高筋圆转方机匣及隔热屏的位置示意图；
图2为具体实施方式中冷却引流结构的导流板本体主视图；
图3为图1中处放大图，即冷却引流结构的截面示意图；
其中，1.薄壁高筋圆转方机匣；2.隔热屏；3.导流板本体；4.导流槽；41.第一导流槽；42.第二导流槽；43.第三导流槽；5.固定组件；51.沉头定距套；52.焊接面；53.螺栓；54.自锁螺母；6.沉头定距套安装孔；7.导流板本体安装孔；8.薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，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创造和简化描述，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创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式提供了一种冷却引流结构，请参图1所示，冷却引流结构设置在薄壁高筋圆转方机匣1与隔热屏2之间形成的冷却通道的出口截面面积突变位置。薄壁高筋圆转方机匣1是作为圆形通道与方形通道之间的转接结构，气流通道由圆形转变为方形，因此薄壁高筋圆转方机匣1外壁与隔热屏2之间形成的冷却通道的形状也随之发生了变化，薄壁高筋圆转方机匣1上在冷却通道的出口位置，冷却通道由圆形转变为方形，出现了出口截面面积突变的情况。本实施例的冷却引流结构就是设置在这个位置，用以对冷却通道的冷却气进行整流、引导、二次分配后输出至薄壁高筋圆转方机匣的方形通道内。
如图2至图3所示，图2为冷却引流结构的主视图，图3为图1中A处放大图，即冷却引流结构的截面图，冷却引流结构包括导流板本体3，导流板本体3上开设有至少3个导流槽4，至少3个导流槽4的冷却气的气流面积之和与冷却通道的流通面积相同，导流槽4用于对冷却通道的冷却气进行整流、引导、二次分配后输出至薄壁高筋圆转方机匣1的方形通道内。作为对导流板本体3的改进，在导流板本体3上进行镂空设计，以剔除多余材料，从而降低结构重量，提高材料利用率，达到结构轻质化设计。
在导流板本体3的一种结构中，如图2所示，上述导流槽4包括第一导流槽41、第二导流槽42、第三导流槽43。
具体的，第一导流槽41和第二导流槽43的结构相同且分别设置在靠近导流板本体3端部位置，且第一导流槽41和第三导流槽43的出气端均指向薄壁高筋圆转方机匣1的方形通道的气流驻窝点位置。需要说明的是，图2中由于导流板本体3的视角原因，在图示上看到的第一导流槽41和第三导流槽43不同，但是其结构实际上是相同的。
具体的，第二导流槽42位于第一导流槽41和第三导流槽43之间，且第二导流槽42至少有1个，例如图2中，第二导流槽42有2个，2个第二导流槽42与第一导流槽41和第三导流槽之间均具有间距，且两个第二导流槽42之间也具有一定的间距。在本实施例中，当第二导流槽42有1个时，第一导流槽41和第三导流槽43的流通面积之和小于第二导流槽42的流通面积；或当第二导流槽42至少有2个时，第一导流槽41和第三导流槽43的流通面积之和小于至少2个第二导流槽42的流通面积之和。
在第二导流槽42的一种结构中，第二导流槽42的出气端为长方形结构，其能够降低冷却气第二导流槽42的出口排出的速度、提高冷却气从第二导流槽42的出口排出时与方形通道的接触面积，便于冷却气的扩散。第二导流槽42的长边与薄壁高筋圆转方机匣1的方形通道的长边相平行。
在第二导流槽42的另一种结构中，第二导流槽42的出气端也可以为长方形结构，且在长方形结构四周边缘具有弧形边（附图未画出），弧形边的设置有利于冷却气从第二导流槽42的长方形结构排出后的向四周扩散的速度。
作为对导流槽4的一种改进，本具体实施方式的导流槽4内设有凸起结构，凸起结构用于抑制冷却气流动分离。优选的，如图2所示上述凸起结构为波纹鱼鳞凸起结构。
在本具体实施方式中，冷却引流结构的导流板本体3经固定组件5固定在隔热屏2与薄壁高筋圆转方机匣1之间，且导流板本体3的流道型面与冷却通道的流道型面相匹配，使导流板本体3的流道型面与冷却通道的流道型面相匹配，能够确保导流板本体3与薄壁高筋圆转方机匣1和隔热屏2接触，使冷却气全部从导流槽4输出至方形通道内。
具体的，如图3所示，上述固定组件5包括沉头定距套51和螺栓53，沉头定距套51远离方形通道的侧面上设有与隔热屏2内壁固定的焊接面52，沉头定距套51的上端与隔热屏内壁之间具有间隙，下端与导流板本体3接触。
螺栓53依次穿过沉头定距套安装孔6、导流板本体安装孔7、薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔8后经自锁螺母54固定在薄壁高筋圆转方机匣1上。
在上述沉头定距套51的一种结构中，沉头定距套安装孔6的中心与导流板本体安装孔7及薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔8的中心均不重合，且沉头定距套安装孔6的孔径大于导流板本体安装孔7及薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔8的孔径，且沉头定距套安装孔6的中心靠近冷却通道的进气端。上述沉头定距套安装孔6的设计，能够在为沉头定距套51提供一定的变形位移。
本具体实施方式的冷却引流结构设置在薄壁高筋圆转方机匣1与隔热屏2之间形成的冷却通道的出口截面面积突变位置。在冷却引流结构的一种结构种，冷却引流结构包括下部冷却引流结构，下部冷却引流结构位于薄壁高筋圆转方机匣1的下部冷却通道的截面面积突变位置。在冷却引流结构的另一种结构种，上述冷却引流结构在下部冷却引流结构的基础上，还包括上部冷却引流结构，上部冷却引流结构位于薄壁高筋圆转方机匣的上部冷却通道的截面面积突变位置，其中，上不冷却结构与下部冷却结构的导流板本体3结构相同，导流槽4的设置可以相同，也可以不同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：冷却引流结构设置在薄壁高筋圆转方机匣与隔热屏之间形成的冷却通道的出口截面面积突变位置，所述冷却引流结构包括导流板本体，所述导流板本体的流道型面与所述冷却通道的流道型面相匹配，且所述导流板本体经固定组件固定在所述隔热屏与所述薄壁高筋圆转方机匣之间；
所述导流板本体上开设有至少3个导流槽，至少3个所述导流槽的冷却气的气流面积之和与所述冷却通道的流通面积相同，所述导流槽用于对述冷却通道的冷却气进行整流、引导、二次分配后输出至薄壁高筋圆转方机匣的方形通道内。
2.根据权利要求1所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述导流槽包括第一导流槽、第二导流槽、第三导流槽；
所述第一导流槽和所述第三导流槽的结构相同且分别设置在靠近所述导流板本体端部位置，且所述第一导流槽和所述第三导流槽的出气端均指向所述薄壁高筋圆转方机匣的方形通道的气流驻窝点位置；
所述第二导流槽位于所述第一导流槽和所述第三导流槽之间，且所述第二导流槽至少有1个。
3.根据权利要求2所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：当所述第二导流槽有1个时，所述第一导流槽和所述第三导流槽的流通面积之和小于所述第二导流槽的流通面积；
或当所述第二导流槽有至少2个时，所述第一导流槽和所述第三导流槽的流通面积之和小于至少2个所述第二导流槽的流通面积之和。
4.根据权利要求2所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述第二导流槽的出气端为长方形结构，且所述第二导流槽的长边与所述薄壁高筋圆转方机匣的方形通道的长边相平行。
5.根据权利要求1至4任一项所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述导流槽内设有凸起结构，所述凸起结构用于抑制冷却气流动分离。
6.根据权利要求5所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述凸起结构为波纹鱼鳞凸起结构。
7.根据权利要求1所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述固定组件包括沉头定距套、螺栓，所述沉头定距套远离方形通道的侧面上设有与所述隔热屏内壁固定的焊接面；所述沉头定距套的上端与所述隔热屏内壁之间具有间隙，下端与所述导流板本体接触；
螺栓依次穿过沉头定距套安装孔、导流板本体安装孔、薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔后经自锁螺母固定在薄壁高筋圆转方机匣上。
8.根据权利要求7所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述沉头定距套安装孔的中心与所述导流板本体安装孔及所述薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔的中心均不重合，且所述沉头定距套安装孔的孔径大于所述导流板本体安装孔及所述薄壁高筋圆转方机匣上机匣安装孔的孔径，且所述沉头定距套安装孔靠近所述冷却通道的进气端。
9.根据权利要求1所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述冷却引流结构包括下部冷却引流结构，所述下部冷却引流结构位于所述薄壁高筋圆转方机匣的下部冷却通道的截面面积突变位置。
10.根据权利要求9所述的薄壁高筋圆转方机匣的冷却引流结构，其特征在于：所述冷却引流结构还包括上部冷却引流结构，所述上部冷却引流结构位于所述薄壁高筋圆转方机匣的上部冷却通道的截面面积突变位置。
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