CN114961867B - 空气导管和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种空气导管和航空发动机。空气导管包括：内管，内部设有引气通道；外管，套设于内管外部；和隔热件，设置于内管和外管之间，并通过减小内管和外管之间的换热面积，来减少内管和外管之间的接触换热。基于此，可以降低涡轮超温风险。

Description

空气导管和航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种空气导管和航空发动机。

背景技术

在航空发动机中，压气机和涡轮之间一般设有空气导管，以从压气机端引入冷却气对涡轮进行冷却及封严。工作时，空气导管内部和外部均有气体流过，流经空气导管内部的气体温度低于流经空气导管外部的气体。

相关技术中，空气导管的内外壁之间换热较多，容易造成空气导管内部气体温度升高，影响对涡轮的冷却效果，增加涡轮超温风险。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：降低涡轮超温风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种空气导管，其包括：

内管，内部设有引气通道；

外管，套设于内管外部；和

隔热件，设置于内管和外管之间，并通过减小内管和外管之间的换热面积，来减少内管和外管之间的接触换热。

在一些实施例中，隔热件上设有开口，以减小内管和外管之间的换热面积；和/或，隔热件呈波纹状，以减小内管和外管之间的换热面积。

在一些实施例中，开口为孔或槽。

在一些实施例中，空气导管包括至少两个隔热件，至少两个隔热件层叠设置于内管和外管之间。

在一些实施例中，任意相邻两个隔热件上的开口错开分布。

在一些实施例中，内管为开口管，隔热件和内管在离心力作用下与外管进行摩擦减振。

在一些实施例中，隔热件为开口管。

在一些实施例中，外管上设有沿轴向间隔布置的两个安装槽，内管的轴向两端分别插入两个安装槽中；或者，外管与内管之间通过铆钉连接。

在一些实施例中，外管为非一体成型件，并包括沿着轴向依次连接的至少两个管段，沿轴向间隔设置于外管上的两个安装槽分别设置于至少两个管段中首尾两个管段上；或者，空气导管还包括铆钉套，铆钉套套设于连接外管和内管的铆钉的外部，内管和隔热件与铆钉套之间在内管的轴向上具有间隙。

本发明另外还提供一种航空发动机，其包括压气机转子和涡轮转子，并且还包括本发明任一实施例的空气导管，空气导管连接压气机转子和涡轮转子。

在本发明中，设置于内管和外管之间的隔热件，能够减小内管和外管之间的换热面积，从而可以减少空气导管内外壁之间的接触换热，降低涡轮超温风险。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中空气导管与压气机转子和涡轮转子的装配示意图。

图2为本发明第一实施例中空气导管的结构示意图。

图3为本发明第一实施例中隔热件与内管的装配示意图。

图4为本发明第二实施例中隔热件的结构示意图。

图5为本发明第三实施例中空气导管的结构示意图。

附图标记说明：

10、空气导管；20、压气机转子；30、涡轮转子；

1、内管；11、引气通道；12、缝；

2、隔热件；21、开口；22、孔；23、槽；

3、外管；3a、管段；31、第一管段；32、第二管段；33、第三管段；34、加强筋；35、安装槽；37、第一定位部；38、第二定位部；

4、铆钉；

5、铆钉套；

6、销。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展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。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

航空发动机的涡轮处于高温、高压及高转速的工作环境中。为了提高涡轮的工作可靠性，一种方案是在涡轮转子与压气机转子之间设置空气导管，利用空气导管将压气机转子与涡轮转子流体连通，引导压气机转子处温度较低的气体流向涡轮转子，对涡轮转子进行冷却和封严。在双转子航空发动机中，空气导管连接高压涡轮转子与高压压气机转子。

空气导管外部为压气机七级引气流路，引导吹扫压气机后几级盘心和出口篦齿盘后的气体对高压涡轮盘和二级工作叶片进行冷却。空气导管内部为高压压气机IGV引气流路，引导吹扫高压压气机前六级盘腔后的气体对高压涡轮后支点、低压涡轮后支点封严和低压涡轮后几级盘冷却。

发动机工作过程中，压气机七级引气温度高于压气机IGV引气温度，也就是说，流经空气导管外部的气体温度高于流经空气导管内部的气体的温度。这种情况下，流经空气导管内部的气体会吸收流经空气导管外部气体的热量，温度升高，影响对涡轮的冷却效果，增加涡轮(例如高压涡轮后支点)超温风险，影响涡轮及航空发动机的工作可靠性。

相关技术中，空气导管采用单层或双层结构。而无论是单层还是双层结构，空气导管的内外壁之间均存在换热较多的问题，导致流经空气导管内部的气体会较多地吸收流经空气导管外部气体的热量，增加涡轮超温风险。可以理解，在采用单层结构时，空气导管仅包括一个管体，空气导管的内外壁即是指管体侧壁的内外表面；在采用双层结构时，空气导管包括内管和外管两个管体，空气导管的内外壁分别是指内管的内表面和外管的外表面。

针对上述情况，本发明对空气导管的结构进行改进，以降低涡轮超温风险。

图1-图5示例性地示出了本发明空气导管的结构。

参见图1，一些实施例中，空气导管10连接于压气机转子20和涡轮转子30之间，用于引导压气机转子20中的气体流向涡轮转子30，对涡轮转子30进行冷却。具体地，一些实施例中，压气机转子20为高压压气机转子；涡轮转子30为高压涡轮转子。

在航空发动机工作过程中，空气导管10随涡轮转子30和压气机转子20一起旋转。

参见图2-5，一些实施例中，空气导管10包括外管3、隔热件2和内管1。外管3、隔热件2和内管1由外至内地设置，并均为金属件。

其中，参见图3，内管1为薄壁管状构件，其内部设有引气通道11。引气通道11连通压气机转子20和涡轮转子30，以引导压气机转子20中的气体流向涡轮转子30，对涡轮转子30进行冷却。内管1的内表面形成空气导管10的内壁。内管1的横截面呈圆形。

外管3为薄壁管状件，其套设于内管1外部，并与内管1之间具有径向间隙。外管3的横截面呈圆形。外管3的外表面形成空气导管10的外壁。外管3的轴向两端分别与压气机转子20和涡轮转子30连接，以实现空气导管10与压气机转子20和涡轮转子30的连接。具体地，一并参见图1和图2，外管3的前端与压气机转子20连接，二者之间可以设置封严结构进行封严。外管3的后端与涡轮转子30连接。外管3的后端可以设置第一定位部37和第二定位部38，分别用于实现外管3在涡轮转子30上的径向和轴向定位。可以理解，此处及下文中的“前”和“后”分别是指沿气流流经引气通道11的方向的上游和下游。

隔热件2设置于内管1和外管3之间，并通过减小内管1和外管3之间的换热面积，来减少内管1和外管3之间的接触换热。

由于外管3和内管1之间具有径向间隙，因此，在空气导管10随压气机转子20和涡轮转子30一起转动时，内管1会在离心力作用下产生朝外管3的径向运动。

若内管1和外管3之间未设置隔热件2，则内管1会在离心力作用下与外管3直接接触，此时二者接触面积较大，二者之间具有较大的换热面积，导致内外管之间换热较多，容易造成引气通道11内部气体的升温。

而在设有隔热件2的情况下，由于隔热件2可以减小内管1和外管3之间的换热面积，因此，可以减少内管1和外管3之间的接触换热，使得在流经外管3外部的气体温度高于流经引气通道11的气体温度时，流经引气通道11中的气体可以较少地吸收流经外管3外部气体的热量，减少流经引气通道11中气体的升温，使得能够实现对涡轮转子30更好地冷却，降低涡轮超温风险，提高涡轮及航空发动机的工作可靠性。

可见，通过在内管1和外管3之间设置能减小内管1和外管3之间换热面积的隔热件2，可以降低涡轮超温风险，提高涡轮及航空发动机的工作可靠性。

为了使隔热件2能够减小内管1和外管3之间的换热面积，参见图3-5，在一些实施例中，隔热件2上设有开口21。

在设有开口21的情况下，当内管1和隔热件2在离心力作用下与外管3接触时，内管1和外管3之间只能通过隔热件2的未设置开口21的部分进行接触换热，而无法在开口21处进行接触换热，也就是说，开口21可以将内管1和外管3隔开，使得内管1和外管3在开口21处不接触，无法在开口21处进行接触换热，因此，可以减小内管1和外管3之间的接触换热面积，减少内外管之间的接触换热。

其中，开口21的形状、数量、大小、位置和布局可以是任意的，具体可以根据实际需求来确定。

例如，参见图3，一些实施例中，开口21为孔22。孔22的横截面形状为圆孔。隔热件2上设有沿着内管1轴向依次间隔分布的多组孔22。每组孔22中设有沿着内管1周向均匀分布的多个孔22。

或者，参见图4，另一些实施例中，开口21为槽23。隔热件2上设有沿着内管1轴向依次间隔分布的多个槽23。沿轴向相邻的任意两个槽23之间在内管1的周向上错位布置。

其中，设有开口21的隔热件2，并不限于如图3和图4所示的薄壁管状部件，也可以为网状隔热件，形成网状隔热层。

当然，使隔热件2能够减小内管1和外管3之间换热面积的方式并不局限于设置开口21这一种。例如，作为变型，另一些实施例中，隔热件2呈波纹状。具体地，隔热件2包括沿内管1轴向依次交替连接的凸部和凹部，使得隔热件2的纵截面呈波纹状，隔热件2成为波纹管。此时，隔热件2形成波纹状隔热层，也可以减小内管1和外管3之间的换热面积。

综上可知，隔热件2形成位于内外管之间的隔热层，使得空气导管10不再是单层或双层结构，而是多层结构。

其中，内外管之间可以仅设置一个隔热件2，使得空气导管10仅具有一层隔热层，空气导管10成为三层结构；或者，为了进一步改善隔热效果，内外管之间也可以设置至少两个隔热件2，这至少两个隔热件2层叠设置于内管1和外管3之间，使得空气导管10具有至少两层隔热层，空气导管10成为四层或更多层结构。

在空气导管10包括至少两个隔热件2，且隔热件2上设有开口21的情况下，任意相邻两个隔热件2上的开口21可以错开分布，以使所有隔热件2层叠到一起后与内外管之间的接触换热面积最小，从而更有效地减少内管1与外管3之间的传热面积，更有效地降低涡轮超温风险。

外管3与内管1之间可以采用多种连接方式。图2和图5示例性地示出了其中的两种。

其中，参见图2，一些实施例中，外管3和内管1之间采用开槽形式装配。具体地，如图2所示，外管3上设有沿轴向间隔布置的两个安装槽35，内管1的轴向两端分别插入两个安装槽35中，以限制内管1的轴向位移。这两个安装槽35沿气流流经引气通道11的方向依次可以依次称为第一安装槽和第二安装槽，以便于区分。另外，如图2所示，内管1和外管3之间的周向相对位移可以通过设置销6来限制，即，利用销6来实现内外管之间的周向定位。

在外管3和内管1之间采用开槽形式装配时，为了方便装配，继续参见图2，一些实施例中，外管3被构造为非一体成型件，并包括沿着轴向依次连接的至少两个管段3a，且沿轴向间隔设置于外管3上的两个安装槽35分别设置于这至少两个管段3a中首尾两个管段3a上，也就是说，第一安装槽设置于最上游的一个管段3a上，第二安装槽设置于最下游的一个管段3a上。基于此，可以在外管3的各管段3a未被连接在一起时，先将内管1和隔热件2装入(例如，隔热件2直接套设于内管1外部，与内管1之间无刚性连接，或者，隔热件2也可以采用滚焊方式连接至内管1上)，之后再对各管段3a采用焊接等方式连接在一起，由于该过程中，内管1和隔热件2可以方便地装入到位，因此，有利于降低装配难度。

例如，由图2可知，一些实施例中，外管3包括第一管段31、第二管段32和第三管段33。第一管段31、第二管段32和第三管段33沿着气流流经引气通道11的方向依次连接。第一安装槽和第二安装槽分别设置于第一管段31和第三管段33上。此时，第一管段31的前端和第三管段33的后端分别构成外管3的前端和后端，前文提及的外管3与压气机转子20之间的封严结构以及连接外管3和涡轮转子30的第一定位部37和第二定位部38具体可以分别设置于第一管段31的前端和第三管段33的后端。并且，第二管段32上设有加强筋34，以提高外管3的强度。

装配过程中，可以先将第一管段31(或第三管段33)与第二管段32连接在一起，之后将内管1和隔热件2的前端(或后端)插入第一安装槽(或第二安装槽)中，待内管1和隔热件2装入到位后，再将第三管段33(或第一管段31)连接至第二管段32，完成空气导管10的组装。由于该过程中，内管1和隔热件2装入时无需受到第三管段33(或第一管段31)的限制，因此，装配更加方便。其中，在将内管1和隔热件2的前端(或后端)插入第一安装槽(或第二安装槽)中时，可以将内管1和隔热件2的前端(或后端)尽量朝前(或朝后)推，以便于后续内管1和隔热件2的前端(或后端)顺利插入第二安装槽(或第一安装槽)中。

可见，通过将外管3构造为两段或多段管体连接的非一体成型件，可以使得外管3和内管1之间能够更方便地实现开槽装配方式。

除了可以采用开槽装配方式，外管3和内管1之间还可以采用铆接方式连接，此时，隔热件2与内管1之间也为铆接连接。

图5示出了外管3与内管1之间采用铆接方式连接的实施例。

如图5所示，该实施例中，外管3与内管1之间通过铆钉4连接。铆钉4穿过外管3、隔热件2和内管1，实现外管3、隔热件2和内管1之间的铆接。此时，外管3可以为一体成型件。

继续参见图5，在该实施例中，空气导管10还包括铆钉套5。铆钉套5套设于铆钉4的外部。

设置铆钉套5，有利于进一步提高铆接可靠性，并且，便于内管1和隔热件2在离心力作用下产生相对于外管3的径向位移。

例如，由图5可知，在该实施例中，内管1和隔热件2与铆钉套5之间在内管1的轴向上具有间隙。此时，铆钉套5的外壁不与内管1和隔热件2接触，不会在内管1和隔热件2进行离心运动时对内管1和隔热件2之间施加摩擦力，因此，内管1和隔热件2可以更方便地进行离心运动。而内管1和隔热件2进行离心运动，可以压紧于外管3的内表面上，通过与外管3摩擦，来消耗振动能量，达到减振效果。由于空气导管10属于薄壁类零件，工作转速高，振动问题突出，因此，利用隔热件2和内管1离心力作用下与外管3之间的摩擦阻尼进行减振，对于提高空气导管10的结构可靠性，延长空气导管10的使用寿命，具有重要意义。

在前述各实施例中，参见图3，内管1可以采用开口管结构，即，内管1的侧壁上设有缝12，缝12由内管1的轴向一端延伸至轴向另一端，使得内管1的侧壁为非封闭结构，具有位于缝12两侧的两个自由端。

内管1采用开口设计的好处在于，不仅方便安装，并且还使得装配状态下内管1能够处于弹性状态，以便内管1和隔热件2在离心力作用下更好地与外管3进行摩擦减振，实现更好的减振效果。

在内管1采用开口设计的情况下，如图3所示，隔热件2也可以采用开口设计，换句话说，隔热件2也为具有缝12的开口管，这样，工作过程中，隔热件2和内管1能一起处于弹性状态，与外管3进行摩擦减振。

可见，本发明实施例所提供的空气导管10，其不仅具有良好的内外壁隔热性能，同时还具有良好的抗振性能，可以在实现更好引气冷却效果的同时，实现更好的减振降噪效果。

本发明实施例所提供的空气导管10，除了可以应用于航空发动机中，也可以应用于其他也对空气导管10存在内外壁隔热需求的机械设备中。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，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。

Claims (9)

1.一种空气导管(10)，其特征在于，包括：

内管(1)，内部设有引气通道(11)；

外管(3)，套设于所述内管(1)外部；和

隔热件(2)，设置于所述内管(1)和所述外管(3)之间，并通过减小所述内管(1)和所述外管(3)之间的换热面积，来减少所述内管(1)和所述外管(3)之间的接触换热；

所述内管(1)为开口管，所述隔热件(2)和所述内管(1)在离心力作用下与所述外管(3)进行摩擦减振。

2.根据权利要求1所述的空气导管(10)，其特征在于，所述隔热件(2)上设有开口(21)，以减小所述内管(1)和所述外管(3)之间的换热面积；和/或，所述隔热件(2)呈波纹状，以减小所述内管(1)和所述外管(3)之间的换热面积。

3.根据权利要求2所述的空气导管(10)，其特征在于，所述开口(21)为孔(22)或槽(23)。

4.根据权利要求2所述的空气导管(10)，其特征在于，所述空气导管(10)包括至少两个所述隔热件(2)，所述至少两个隔热件(2)层叠设置于所述内管(1)和所述外管(3)之间。

5.根据权利要求4所述的空气导管(10)，其特征在于，任意相邻两个所述隔热件(2)上的开口(21)错开分布。

6.根据权利要求1-5任一所述的空气导管(10)，其特征在于，所述隔热件(2)为开口管。

7.根据权利要求1-5任一所述的空气导管(10)，其特征在于，

所述外管(3)上设有沿轴向间隔布置的两个安装槽(35)，所述内管(1)的轴向两端分别插入所述两个安装槽(35)中；或者，

所述外管(3)与所述内管(1)之间通过铆钉(4)连接。

8.根据权利要求7所述的空气导管(10)，其特征在于，

所述外管(3)为非一体成型件，并包括沿着轴向依次连接的至少两个管段(3a)，沿轴向间隔设置于所述外管(3)上的两个安装槽(35)分别设置于所述至少两个管段(3a)中首尾两个管段(3a)上；或者，

所述空气导管(10)还包括铆钉套(5)，所述铆钉套(5)套设于连接所述外管(3)和所述内管(1)的铆钉(4)的外部，所述内管(1)和所述隔热件(2)与所述铆钉套(5)之间在所述内管(1)的轴向上具有间隙。

9.一种航空发动机，包括压气机转子(20)和涡轮转子(30)，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一所述的空气导管(10)，所述空气导管(10)连接所述压气机转子(20)和所述涡轮转子(30)。