CN114483313B - 一种可调温度径向分布进气段的设计方法 - Google Patents

一种可调温度径向分布进气段的设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于涡轮试验进气段设计领域，特别涉及一种可调温度径向分布进气段的设计方法。包括：步骤一、确定进气段的组成部分以及各个组成部分之间的连接关系，进气段主要包括外环、内环、支板以及冷气管；步骤二、确定进气段各个组成部分的尺寸以及数量；步骤三、确定进气段各个组成部分的分布规律；步骤四、根据步骤一、二、三进行进气段的详细结构设计。本申请的可调温度径向分布进气段的设计方法，实现了可调温度径向分布进气段的设计，可调温度径向分布进气段在实现传递气流的基础上，具有可以调节涡轮进口温度径向分布的功能，本申请能够将可调温度径向分布进气段转化为产品，结构简单、便于拆装。

Description

一种可调温度径向分布进气段的设计方法
技术领域
本申请属于涡轮试验进气段设计领域，特别涉及一种可调温度径向分布进气段的设计方法。
背景技术
在航空发动机和燃气轮机整机环境下，涡轮进口温度沿径向呈现明显的不均匀性，而在不带燃烧室的涡轮试验中，涡轮进口为均匀来流条件，没有考虑整机环境下涡轮进口温度径向不均匀分布，忽略了涡轮流场中温度径向不均匀分布对叶片气流角的影响，进而不能准确得到与下游部件流动的匹配关系，导致试验评估的涡轮性能与整机环境下涡轮性能存在一定差异。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种可调温度径向分布进气段的设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种可调温度径向分布进气段的设计方法，包括：
步骤一、确定进气段的组成部分以及各个组成部分之间的连接关系，所述进气段包括：外环、内环、支板以及冷气管，其中，
所述外环外壁面上设置有外环环形腔，与所述外环环形腔相对的所述外环外壁面上开设有外环射流孔，所述外环环形腔上设置有外环冷气嘴；
所述内环嵌套在所述外环内部，所述内环与所述外环之间形成进气流道，所述内环的内壁面上设置有内环环形腔，与所述内环环形腔相对的所述内环外壁面上开设有内环射流孔，所述内环环形腔上设置有内环冷气嘴；
所述支板设置在所述内环与所述外环之间的进气流道中，且所述支板上设置有贯穿所述外环、所述进气流道以及所述内环的通孔；
所述冷气管中流通有冷气，所述冷气管包括外环冷气管以及内环冷气管，所述外环冷气管与所述外环冷气嘴连接，所述内环冷气管穿过所述支板上通孔与所述内环冷气嘴连接；
步骤二、确定进气段各个组成部分的尺寸以及数量，包括：
S201、获取总冷气量W1以及冷气嘴总数量m1，其中，冷气嘴总数量为内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量之和，且内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量相同；
计算每个冷气嘴的冷气量Wm：
Wm＝W1/m1
获取冷气嘴来流温度Tc以及冷气嘴来流压力Pc，确定冷气嘴来流密度：
ρc＝Pc/RgTc
其中，Rg为气体常数；
根据每个冷气嘴的冷气量Wm、来流密度ρc以及来流速度Vc，确定冷气嘴的直径D1：
Figure BDA0003493018070000021
S202、
确定射流孔数量m2以及射流孔直径D2；
确定环形腔长度L1为2倍的冷气嘴直径D1，环形腔高度H1为0.8～1.2倍的冷气嘴直径D1；
确定支板数量m3为冷气嘴总数量m1的一半，支板的壁厚为8mm，支板最大厚度Cmax为1.1倍冷气嘴直径D1加上双侧壁厚16mm，支板弦长Cz为3倍最大厚度Cmax；
步骤三、确定进气段各个组成部分的分布规律，包括：
冷气嘴、射流孔以及支板均沿周向均匀分布，冷气嘴、射流孔与支板尾缘最小距离Lm1不小于2倍支板弦长Cz；
冷气嘴、射流孔与进气段出口最小距离Lm2为不小于2.5倍涡轮导叶弦长Ct；
步骤四、根据步骤一、二、三进行进气段的详细结构设计。
在本申请的至少一个实施例中，S202中，确定射流孔数量m2为冷气嘴总数量m1的1.5倍。
在本申请的至少一个实施例中，S202中，射流孔直径D2为5mm。
在本申请的至少一个实施例中，所述进气段材料为钢材。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的可调温度径向分布进气段的设计方法，能够实现可调温度径向分布进气段的设计，结构简单、便于拆装。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的可调温度径向分布进气段结构示意图；
图2是本申请一个实施方式的可调温度径向分布进气段结构局部放大图；
图3是本申请一个实施方式的支板横截面示意图；
图4是本申请一个实施方式的轴向相对位置示意图。
其中：
相关公式中符号含义见下表：
Figure BDA0003493018070000031
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种可调温度径向分布进气段的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、确定进气段的组成部分以及各个组成部分之间的连接关系；
根据可调温度径向分布进气段的功能和结构特点，确定进气段的组成部分以及各个组成部分之间的连接关系。具体的，进气段包括：外环、内环、支板以及冷气管，其中，外环外壁面上设置有外环环形腔，与外环环形腔相对的外环外壁面上开设有外环射流孔，外环环形腔上设置有外环冷气嘴；内环嵌套在外环内部，内环与外环之间形成进气流道，内环的内壁面上设置有内环环形腔，与内环环形腔相对的内环外壁面上开设有内环射流孔，内环环形腔上设置有内环冷气嘴；支板设置在内环与外环之间的进气流道中，且支板上设置有贯穿外环、进气流道以及内环的通孔；冷气管中流通有冷气，冷气管包括外环冷气管以及内环冷气管，外环冷气管与外环冷气嘴连接，内环冷气管穿过支板上通孔与内环冷气嘴连接；
步骤二、确定进气段各个组成部分的尺寸以及数量，包括：
S201、获取总冷气量W1以及冷气嘴总数量m1，其中，冷气嘴总数量为内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量之和，且内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量相同；
计算每个冷气嘴的冷气量Wm：
Wm＝W1/m1
获取冷气嘴来流温度Tc以及冷气嘴来流压力Pc，确定冷气嘴来流密度：
ρc＝Pc/RgTc
其中，Rg为气体常数；
根据每个冷气嘴的冷气量Wm、来流密度ρc以及来流速度Vc，确定冷气嘴的直径D1：
Figure BDA0003493018070000051
S202、
确定射流孔数量m2以及射流孔直径D2；本实施例中，优选确定射流孔数量m2为冷气嘴总数量m1的1.5倍，射流孔直径D2为5mm；
确定环形腔长度L1为2倍的冷气嘴直径D1，环形腔高度H1为0.8～1.2倍的冷气嘴直径D1；
确定支板数量m3为冷气嘴总数量m1的一半，支板的壁厚为8mm，支板最大厚度Cmax为1.1倍冷气嘴直径D1加上双侧壁厚16mm，支板弦长Cz为3倍最大厚度Cmax；
步骤三、确定进气段各个组成部分的分布规律，包括：
确定冷气嘴、射流孔、环行腔以及支板周向与轴向的相对位置分布，具体为：
冷气嘴、射流孔以及支板均沿周向均匀分布，冷气嘴、射流孔与支板尾缘最小距离Lm1不小于2倍支板弦长Cz；
冷气嘴、射流孔与进气段出口最小距离Lm2为不小于2.5倍涡轮导叶弦长Ct；
步骤四、根据步骤一、二、三进行进气段的详细结构设计。
最后，根据确定的主要结构尺寸、数量和分布规律，进行进气段结构的详细设计，包括进气段完整尺寸确定和材料选择，本实施例中，优选进气段材料为钢材。
本申请的可调温度径向分布进气段的设计方法，首先，根据可调温度径向分布进气段的功能和结构特点，确定进气段主要由外环、内环、支板以及冷气管组成，其中，外环与内环分别设有冷气嘴、环形腔以及射流孔结构，支板与外环、内环导圆角连接，冷气嘴、射流孔分别与环形腔贯通，参见图1。
然后，根据步骤一中确定的组成部分，在本步骤中主要确定各主要结构(冷气嘴、环形腔、射流孔和支板)尺寸及数量，在本申请的一个实施方式中，本步骤中的参数见下表：
参数 单位 数值
总冷气量W<sub>1</sub> kg/s 0.4
冷气嘴总数量m<sub>1</sub> 个 24
冷气嘴来流温度T<sub>c</sub> K 300
冷气嘴来流压力P<sub>c</sub> Pa 400000
冷气嘴来流速度V<sub>c</sub> m/s 5
涡轮导叶弦长C<sub>t</sub> mm 30
公式可知，冷气嘴直径D1为30mm，射流孔数量m2为36，环形腔长度L1为60mm，环形腔高度H1为24mm，支板数量m3为12，支板最大厚度等于49mm，支板弦长等于147mm。
进一步，确定冷气嘴、射流孔、环行腔以及支板周向与轴向的相对位置分布：冷气嘴、射流孔以及支板在周向均匀分布，冷气嘴与射流孔与支板尾缘最小距离Lm1为294mm，冷气嘴与射流孔位于进气段出口最小距离Lm2为75mm。
最后，进行详细结构设计，根据上述步骤确定的主要结构尺寸、数量和分布规律，详细设计内容，完善进气段完整尺寸，并形成加工图纸。
本申请的可调温度径向分布进气段的设计方法，实现了可调温度径向分布进气段的设计，可调温度径向分布进气段在实现传递气流的基础上，具有可以调节涡轮进口温度径向分布的功能，本申请能够将可调温度径向分布进气段转化为产品，结构简单、便于拆装。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种可调温度径向分布进气段的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、确定进气段的组成部分以及各个组成部分之间的连接关系，所述进气段包括：外环、内环、支板以及冷气管，其中，
所述外环外壁面上设置有外环环形腔，与所述外环环形腔相对的所述外环外壁面上开设有外环射流孔，所述外环环形腔上设置有外环冷气嘴；
所述内环嵌套在所述外环内部，所述内环与所述外环之间形成进气流道，所述内环的内壁面上设置有内环环形腔，与所述内环环形腔相对的所述内环外壁面上开设有内环射流孔，所述内环环形腔上设置有内环冷气嘴；
所述支板设置在所述内环与所述外环之间的进气流道中，且所述支板上设置有贯穿所述外环、所述进气流道以及所述内环的通孔；
所述冷气管中流通有冷气，所述冷气管包括外环冷气管以及内环冷气管，所述外环冷气管与所述外环冷气嘴连接，所述内环冷气管穿过所述支板上通孔与所述内环冷气嘴连接；
步骤二、确定进气段各个组成部分的尺寸以及数量，包括：
S201、获取总冷气量W1以及冷气嘴总数量m1，其中，冷气嘴总数量为内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量之和，且内环冷气嘴与外环冷气嘴的数量相同；
计算每个冷气嘴的冷气量Wm：
Wm＝W1/m1
获取冷气嘴来流温度Tc以及冷气嘴来流压力Pc，确定冷气嘴来流密度：
ρc＝Pc/RgTc
其中，Rg为气体常数；
根据每个冷气嘴的冷气量Wm、来流密度ρc以及来流速度Vc，确定冷气嘴的直径D1：
Figure FDA0003493018060000011
S202、
确定射流孔数量m2以及射流孔直径D2；
确定环形腔长度L1为2倍的冷气嘴直径D1，环形腔高度H1为0.8～1.2倍的冷气嘴直径D1；
确定支板数量m3为冷气嘴总数量m1的一半，支板的壁厚为8mm，支板最大厚度Cmax为1.1倍冷气嘴直径D1加上双侧壁厚16mm，支板弦长Cz为3倍最大厚度Cmax；
步骤三、确定进气段各个组成部分的分布规律，包括：
冷气嘴、射流孔以及支板均沿周向均匀分布，冷气嘴、射流孔与支板尾缘最小距离Lm1不小于2倍支板弦长Cz；
冷气嘴、射流孔与进气段出口最小距离Lm2为不小于2.5倍涡轮导叶弦长Ct；
步骤四、根据步骤一、二、三进行进气段的详细结构设计。
2.根据权利要求1所述的可调温度径向分布进气段的设计方法，其特征在于，S202中，确定射流孔数量m2为冷气嘴总数量m1的1.5倍。
3.根据权利要求2所述的可调温度径向分布进气段的设计方法，其特征在于，S202中，射流孔直径D2为5mm。
4.根据权利要求1所述的可调温度径向分布进气段的设计方法，其特征在于，所述进气段材料为钢材。
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