CN115680781B - 一种带冷却功能的叶轮排气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带冷却功能的叶轮排气装置，包括套设在主喷管外部的冷却套筒组件，冷却套筒组件包括冷却套筒前段、冷却套筒后段，冷却套筒前段设有管接头；冷却套筒前段前端的冷却套筒安装边与主喷管连接，冷却套筒前段与冷却套筒后段连接，冷却套筒前段的直径大于冷却套筒后段的直径，冷却套筒后段的直径大于主喷管直径；冷却套筒前段与主喷管之间围成第一冷却腔，冷却套筒后段与主喷管之间围成第二冷却腔；第一冷却腔内设有与主喷管同轴的第一冷却挡板、第二冷却挡板，第一冷却挡板和第二冷却挡板均均匀设有冷却孔，第一冷却挡板的直径大于第二冷却挡板的直径。带冷却功能的叶轮排气装置有高效冷却、低成本、轻重量、出口面积可调的优点。
Description
技术领域
本发明属于燃气机叶轮机械排气设计领域，具体涉及一种带冷却功能的叶轮排气装置。
背景技术
燃气机叶轮的高温燃气通过排气装置排出，其中轴对称收敛形尾喷管的结构简单、重量轻，适用于亚声速排放，由于燃气温度高，需要引冷却气对主喷管壁面进行冷却，但是当燃气温度分布不均或冷却不均时，会带来很高的热应力并引起主喷管壁面变形等问题。
发明内容
本发明的目的在于设计一种高效冷却、低成本、轻重量的带冷却功能的叶轮排气装置，通过高效利用冷却气实现均匀冷却降温，以减小主喷管变形问题，同时在尾端设可拆卸面积调整块，低成本、快速实现出口面积可调。
实现发明目的的技术方案如下：一种带冷却功能的叶轮排气装置，包括主喷管，所述主喷管的外部套设有冷却套筒组件，所述冷却套筒组件包括冷却套筒前段、冷却套筒后段，所述冷却套筒前段的周向均匀设有管接头；
所述冷却套筒前段与所述冷却套筒后段连接，所述冷却套筒前段前端的冷却套筒安装边与所述主喷管连接，所述冷却套筒前段的直径大于所述冷却套筒后段的直径，所述冷却套筒后段的直径大于所述主喷管直径；
所述冷却套筒前段与所述主喷管之间围成第一冷却腔，所述冷却套筒后段与所述主喷管之间围成第二冷却腔；
所述第一冷却腔内设有与所述主喷管同轴的第一冷却挡板、第二冷却挡板，所述第一冷却挡板和所述第二冷却挡板上均匀设有冷却孔，且所述第一冷却挡板的直径大于所述第二冷却挡板的直径。
进一步的，所述冷却套筒组件选用不锈钢材料制成。
进一步的，所述冷却套筒后段的末端外壁上有冷却套筒加强筋和周向分布的定距螺栓。
更进一步的，所述第一冷却挡板和所述第二冷却挡板上的所述冷却孔均有若干排；
所述第一冷却挡板的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；
所述第二冷却挡板上的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；
所述第一冷却挡板与所述第二冷却挡板的冷却孔在轴向上和周向上交叉排列。
进一步的，所述主喷管包括筒体，所述筒体的前端设有主喷管安装边，且主喷管安装边与冷却套筒安装边可拆卸连接。
更进一步的，所述主喷管安装边、冷却套筒安装边上均设有径向腰型螺栓孔。
更进一步的，所述筒体中段位置的外周壁上设有筒体加强筋，所述筒体尾段位置的外周壁上设有尾部加强筋。
为适应燃气机性能调试需要，常需要喷管出口面积可调，常用的可调装置带有作动机构，结构复杂、重量大且成本高，需要简单可靠易于实现的面积可调方案，在一个改进实施例中，叶轮排气装置包括面积调整块，多个所述面积调整块沿所述主喷管末端周向均匀分布。所述面积调整块经螺栓固定在所述主喷管末端内壁上。
更进一步的，所述面积调整块包括第一面，所述第一面的后端连接有第二面，所述第一面与所述筒体之间具有角度，所述第二面与所述主喷管筒体平行，且所述第一平与所述第二面之间设有过渡平面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的带冷却功能的叶轮排气装置，能够解决因主喷管燃气温度高且周向分布不均的问题，通过在主喷管外侧加装冷却套筒组件，通过引入冷却气对主喷管进行冷却，双层冷却挡板(第一冷却挡板和第二冷却挡板)提高集气腔内冷却气均匀性，能够以更低的冷气量对主喷管进行充分冷却，出口同时设计定距螺栓保证冷却通道均匀性，可以有效保证壁温分布均匀性，减小主喷管变形，提高排气装置可靠性。
同时，在主喷管筒体中段、尾端焊接周向筒体加强筋、尾部加强筋，能够抑制周向温差过大带来的变形，出口换装面积调整块以调整喷管出口面积，结构简单可靠，成本低、重量轻、制造难度低且换装简便。排气装置已在某型发动机试验中成果应用，满足了性能调试需要，低成本地解决了研制、试验周期紧、主喷管高温且温度分布不均带来的变形等难题。
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为具体实施方式中带冷却功能的叶轮排气装置的结构示意图；
图2为具体实施方式中第一冷却挡板或第二冷却挡板的冷却孔的分布示意图；
其中，1.主喷管安装边；2.筒体；3.筒体加强筋；4.面积调整块；41.第一面；42.第二面；5.沉头螺栓；6.尾部加强筋；7.冷却套筒安装边；8.冷却套筒前段；9.管接头；10.第一冷却挡板；11.第二冷却挡板；12.冷却套筒后段；13.冷却套筒加强筋；14.定距螺栓；100.第一冷却腔；200.第二冷却腔。
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带冷却功能的叶轮排气装置，如图1所示包括主喷管，所述主喷管的外部套设有冷却套筒组件，所述冷却套筒组件包括冷却套筒前段8、冷却套筒后段12，所述冷却套筒前段8的周向均匀设有管接头9，在本实施例中，根据主喷管的结构尺寸，管接头9的数量可以任意设置，例如可以设置30个。
如图1所示，所述冷却套筒前段8与所述冷却套筒后段12连接，所述冷却套筒前段8前端的冷却套筒安装边7与所述主喷管连接。所述冷却套筒前段8的直径大于所述冷却套筒后段12的直径，所述冷却套筒后段12的直径大于所述主喷管直径，冷气经管接头9进入冷却套筒前段内，经冷却套筒后段12对主喷管进行降温后，从冷却套筒后段12末端与主喷管之间的间隙中流出。
所述冷却套筒前段8与所述主喷管之间围成第一冷却腔100，所述冷却套筒后段12与所述主喷管之间围成第二冷却腔200。
如图1所示，所述第一冷却腔100内设有与所述主喷管同轴的第一冷却挡板10、第二冷却挡板11，所述第一冷却挡板10和所述第二冷却挡板11上均均匀设有冷却孔，且所述第一冷却挡板10的直径大于所述第二冷却挡板11的直径。经管接头9进入第一冷却腔100的冷气，先通过第一冷却挡板10的冷却孔，然后经过第二冷却挡板11上的冷却孔后对筒体2壁进行冲击冷却，并沿筒体2外壁与冷却套筒后段12形成的第二冷却腔200向外排出
在一个实施例中，所述冷却套筒组件选用不锈钢材料制成。
在一个实施例中，如图1所示，所述冷却套筒后段12的末端外壁上分布有冷却套筒加强筋13。
在一个改进实施例中，如图1所示，为了保证第二冷却腔200的冷却通道出口的均匀性，在设置冷却套筒加强筋13的位置装配有定距螺栓14(即定距螺栓14在冷却套筒后段12的末端外壁上周向均匀分布)。
在一个实施例中，所述第一冷却挡板10和所述第二冷却挡板11上的所述冷却孔均有若干排。如图2所示，所述第一冷却挡板10的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；所述第二冷却挡板11上的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；所述第一冷却挡板10与所述第二冷却挡板11的冷却孔在轴向上和周向上交叉排列。
其中，如图1所示，所述主喷管包括筒体2，所述筒体2的前端设有主喷管安装边1，且主喷管安装边1与冷却套筒安装边7可拆卸连接。筒体2与主喷管安装边1在加工时一体成型制成，或经氩弧焊焊接而成，主喷管安装边1上加工有多个螺栓孔(如在主喷管安装边1上均匀分布30个)，用以与冷却套筒组件连接。
在一个实施例中，考虑安装边材料不同，径向热膨胀不一致，上述主喷管安装边1、冷却套筒安装边7上均设有径向腰型螺栓孔。
在一个实施例中，如图1所示，为抑制周向温度分布不均带来的变形，所述筒体2中段位置的外周壁上设有筒体加强筋3。为抑制出口变形及加强出口段强度，所述筒体2尾段位置的外周壁上设有尾部加强筋6。
为适应燃气机叶轮性能调试需要，常需要喷管出口面积可调，常用的可调装置带有作动机构，结构复杂、重量大且成本高，需要简单可靠易于实现的面积可调方案，在一个改进实施例中，为了实现主喷管面积可调，如图1所示，叶轮排气装置包括面积调整块4，多个所述面积调整块4沿所述主喷管末端周向均匀分布。具体的，所述面积调整块4经沉头螺栓5固定在所述主喷管末端内壁上。具体的，主喷管上面安装面积调整块4的位置设置在设有尾部加强筋6的位置。
在本实施例中，主喷管末端可以均匀分布8个大小相同或不相同的面积调整块4，且相邻面积调整块4之间留有装配间隙，以避免热变形影响。
在一个实施例中，如图1所示，为减小燃气对面积调整块4的冲击影响，所述面积调整块4包括第一面41，所述第一面41的后端连接有第二面42，所述第一面41与所述筒体2之间具有角度，所述第二面42与所述筒体2平行。
在一个附图未显示的实施例中，为了使燃气在面积调整块4上平滑的过渡，减小燃气对面积调整块4的冲击影响，避免燃气出现扰流混乱等情况，在所述第一面41与所述第二面42之间设有过渡平面。
本发明设计的带冷却功能的叶轮排气装置，能够解决因主喷管燃气温度高且周向分布不均的问题，通过在主喷管外侧加装冷却套筒组件，通过引入冷却气对主喷管进行冷却，双层冷却挡板(第一冷却挡板和第二冷却挡板)提高集气腔内冷却气均匀性，能够以更低的冷气量对主喷管进行充分冷却，出口同时设计定距螺栓保证冷却通道均匀性，可以有效保证壁温分布均匀性，减小主喷管变形，提高排气装置可靠性。
同时，在主喷管筒体中段、尾端焊接周向的筒体加强筋、尾部加强筋，能够抑制周向温差过大带来的变形，出口换装面积调整块以调整喷管出口面积，结构简单可靠，成本低、重量轻、制造难度低且换装简便。排气装置已在某型发动机试验中成果应用，满足了性能调试需要，低成本地解决了研制、试验周期紧、主喷管高温且温度分布不均带来的变形等难题。
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)
1.一种带冷却功能的叶轮排气装置，包括主喷管，其特征在于：所述主喷管的外部套设有冷却套筒组件，所述冷却套筒组件包括冷却套筒前段(8)、冷却套筒后段(12)，所述冷却套筒前段(8)的周向均匀设有管接头(9)；
所述冷却套筒前段(8)与所述冷却套筒后段(12)连接，所述冷却套筒前段(8)前端的冷却套筒安装边(7)与所述主喷管连接，且所述冷却套筒前段(8)的直径大于所述冷却套筒后段(12)的直径，所述冷却套筒后段(12)的直径大于所述主喷管直径；
所述冷却套筒前段(8)与所述主喷管之间围成第一冷却腔(100)，所述冷却套筒后段(12)与所述主喷管之间围成第二冷却腔(200)；
所述第一冷却腔(100)内设有与所述主喷管同轴的第一冷却挡板(10)、第二冷却挡板(11)，所述第一冷却挡板(10)和所述第二冷却挡板(11)上均均匀设有冷却孔，且所述第一冷却挡板(10)的直径大于所述第二冷却挡板(11)的直径。
2.根据权利要求1所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述冷却套筒组件选用不锈钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述冷却套筒后段(12)的末端外壁上有冷却套筒加强筋(13)和周向分布的定距螺栓(14)。
4.根据权利要求1～3任一项所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述第一冷却挡板(10)和所述第二冷却挡板(11)上的所述冷却孔均有若干排；
所述第一冷却挡板(10)的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；
所述第二冷却挡板(11)上的若干排所述冷却孔在轴向上和周向上交叉排列；
所述第一冷却挡板(10)与所述第二冷却挡板(11)的冷却孔在轴向上和周向上交叉排列。
5.根据权利要求1所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述主喷管包括筒体(2)，所述筒体(2)的前端设有主喷管安装边(1)，且所述主喷管安装边(1)与所述冷却套筒安装边(7)可拆卸连接。
6.根据权利要求5所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述主喷管安装边(1)、冷却套筒安装边(7)上均设有径向腰型螺栓孔。
7.根据权利要求5所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述筒体(2)中段位置的外周壁上设有筒体加强筋(3)，所述筒体(2)尾段位置的外周壁上设有尾部加强筋(6)。
8.根据权利要求5所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：叶轮排气装置包括面积调整块(4)，多个所述面积调整块(4)沿所述主喷管末端周向均匀分布。
9.根据权利要求8所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：所述面积调整块(4)包括第一面(41)，所述第一面的后端连接有第二面(42)，所述第一面(41)与所述筒体(2)之间具有角度，所述第二面与所述筒体(2)平行，且所述第一面与所述第二面之间设有过渡平面。
10.根据权利要求8或9所述的带冷却功能的叶轮排气装置，其特征在于：面积调整块经沉头螺栓可拆卸固定在主喷管尾部内壁上。
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| Numerical Study on the Effect of Thermocouple Mounting Coating on Temperature Measurement of Nozzle Guide Vane;Guan Peng等;Journal of Northwestern Polytechnical University;20200512;第95-103页 * |
| 涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比;施小娟;吉洪湖;斯仁;廖华琳;;航空动力学报;20130802(第08期);第1702-1710页 * |
| 高速热喷流条件下二元收扩喷管扩张段壁面冷却的初步试验研究;额日其太, 王志杰, 吴寿生;航空动力学报;20020131(第01期);第40-44页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115680781A (zh) | 2023-02-03 |
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