CN116292430A - 一种用于压气机的楔形管式减涡系统 - Google Patents

一种用于压气机的楔形管式减涡系统 Download PDF

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张馨丹
王锁芳
沈文杰
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Abstract

本发明提出了一种用于压气机的楔形管式减涡系统，涉及航空发动机二次空气系统中压气机引气段的减涡技术领域。通过设计反旋的鼓筒孔，有效破坏了盘腔内自由涡结构的发展，从而降低了压损。通过设计楔形的减涡直管，有效改善了减涡管入口的流动分离现象，减小了流体进入减涡管时的压力损失，同时也减轻了减涡管的质量，具有较大的工程应用价值。所述楔形管式减涡系统包括对称布置的两个压气机盘以及固定连接在二者之间的环形卡盘、鼓筒；所述压气机盘、环形卡盘、鼓筒同轴心；在所述鼓筒上均匀的开设有若干反旋鼓筒孔；在所述环形卡盘上均匀的固定连接若干沿内部腔体径向延伸的楔形减涡管。本发明采用反旋鼓筒孔和楔形减涡管，总压损失系数可减小15％～32％。

Description

一种用于压气机的楔形管式减涡系统
技术领域
本发明涉及航空发动机二次空气系统中压气机引气段的减涡技术领域，尤其涉及一种用于航空发动机的楔形管式减涡系统。
背景技术
随着现代航空技术的不断进步，高性能发动机需要更高的推重比和更低的涵道比，这就需要高的涡轮前温度和高的压气机增压比，然而这会导致材料的耐受性不足，因此这就需要采取更先进的冷却技术，提高冷却气流的品质。航空发动机需要二次空气系统来冷却关键部件和其他相关部件，包括压气机盘、涡轮盘和叶片等。二次空气系统有四个主要功能，第一是在温度可能高于材料熔点的环境中，在安全操作条件下维持主要热气流中的组件。其次，抽气可以防止高温燃气倒流，这会导致盘、叶片和机匣出现变形从而减小部件的使用寿命。第三，二次空气系统可以对轴承腔加压，以避免漏油发生，从而防止产生异味和发生火灾危险。最后一个功能是可以控制轴承载荷，以减少因压气机和涡轮气流载荷所产生的高轴向合力而导致的过度应力风险。总体来说，这四个目标影响着发动机冷端和热端的设计。由于从压气机抽取的空气占核心气流的20％左右，会影响发动机的推力，因此设计的目的应尽量在提高冷气质量上。此外，从鼓筒孔引入的气流径向引入轴向流出后，在到达涡轮等热端部件的途径中，因阻力的作用，气流的温度和压力不断上升，因此需要合理的设计来减小阻力从而降低压力损失。因此，冷气用量及压损便是压气机二次空气系统设计需要优先考虑的问题。
目前航空发动机中多采用在压气机盘间鼓筒处开孔的办法将冷却气流径向引入从而轴向引出对热端部件进行冷却。在气流径向内流的过程中，由于压气机旋转盘腔的哥氏力效应，气流进入鼓筒孔后会产生大范围的自由涡结构，因此会产生较大的压力损失。最有效的解决方法就是在盘腔中加入减涡器，通过设计合理的减涡器结构，会抑制盘腔内高速旋涡的发展，起到减阻的效果。
现阶段鼓筒孔均为在垂直围屏某一沿周向切线方向上开孔，没有将鼓筒孔进行反旋，且现代航空发动机中管式减涡器应用最为广泛。如CN103867235A公开的一种带有入口弯曲式减涡管的引气系统，通过在减涡直管上增加弯头，通过使减涡管入口迎向来流方向来降低减涡管入口处的局部损失。但这会大大加重减涡管振动的问题，增加减涡管的重量及加工难度，在实际航空发动机应用中具有很大的局限性。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种用于压气机的楔形管式减涡系统，以克服上述问题或至少部分解决或减轻上述问题。通过设计反旋的鼓筒孔，使得气流进入盘腔时的切向速度被抑制，有效破坏了盘腔内自由涡结构的发展，从而降低了压损。通过设计楔形的减涡直管，有效改善了减涡管入口的流动分离现象，减小了流体进入减涡管时的压力损失，同时也减轻了减涡管的质量，具有较大的工程应用价值。
本发明的技术方案为：所述楔形管式减涡系统均匀布置在航空发动机二次空气系统压气机的径向内流过程中，所述楔形管式减涡系统包括对称布置的两个压气机盘1以及固定连接在二者之间的环形卡盘4、鼓筒5，所述鼓筒5处在环形卡盘4的外侧；所述压气机盘1、环形卡盘4、鼓筒5同轴心，并且在两个压气机盘1和鼓筒5之间形成内部腔体；
在所述鼓筒5上均匀的开设有若干反旋鼓筒孔2，每一反旋鼓筒孔的结构相同，所述反旋鼓筒孔2的中心线与鼓筒5的径向之间留有夹角，以抑制气流的周向运动；
在所述环形卡盘4上均匀的固定连接若干沿内部腔体径向延伸的楔形减涡管3，所述楔形减涡管3朝向来流气流方向的楔形减涡管入口31为斜口，其所在的平面与所述楔形减涡管3中轴线之间也留有夹角，每根楔形减涡管的结构相同，每根楔形减涡管的安装高度相同，每根楔形减涡管具有楔形减涡管入口31和楔形减涡管出口32，且进出口等直径，每一楔形减涡管入口31迎向来流方向，以降低减涡管入口因产生流动分离涡而造成的压力损失。
在所述压气机的正常工作状态下，所述若干个反旋鼓筒孔和所述若干个楔形减涡管与所述的压气机两侧盘同向、同速、共轴旋转，流体经所述若干个反旋鼓筒孔进入所述压气机腔体内，经由所述若干个楔形减涡管径向引入所述压气机轴向通道。
进一步的，所述反旋鼓筒孔2的中心线与鼓筒5的径向成夹角α，所述夹角α为20°～80°。
进一步的，所述楔形减涡管入口31所在的平面与所述楔形减涡管3中轴线形成夹角β，所述夹角β为40°～90°。楔形减涡管3垂直于环形卡盘4布置时，楔形减涡管3中轴线沿环形卡盘4的径向布置。
进一步的，沿所述环形卡盘4径向上，所述楔形减涡管3内壁各处的截面积相等。
进一步的，若干所述楔形减涡管处在同一圆周上，该圆周与所述环形卡盘同轴。
进一步的，每一反旋鼓筒孔2截面均为长圆形。
每一鼓筒孔配置成可以提高气体在鼓筒孔鼓筒孔处的流通能力。
本发明的用于压气机的楔形管式减涡系统，包括环形卡盘、若干个反旋鼓筒孔和若干根楔形减涡管。每一反旋鼓筒孔沿周向均匀布置在盘腔外侧，每一楔形减涡管安装在所述环形卡盘上沿周向均匀布置并与两级压气机盘同轴共同转动，每一反旋鼓筒孔、每一楔形减涡管的结构相同，对应的安装半径相同，每一鼓筒孔反旋，以抑制气流的周向运动，防止自由涡结构生成，减小流动阻力，每一楔形减涡管具有楔形入口和直段出口且进出口等直径，每一楔形减涡管入口迎向来流方向，以进一步降低减涡管入口因产生流动分离涡而造成的压力损失。故本发明的楔形管式减涡系统，充分考虑了盘腔内的流场结构和气动特性，防止盘腔内自由涡的发展，抑制了减涡管入口流动分离涡的生成，减小了减涡管入口的局部损失，从而降低了系统的总压损失，采用反旋鼓筒孔和楔形减涡直管，总压损失系数可减小15％～32％。
进一步来说，本发明通过使用反旋的鼓筒孔，抑制了气流进入盘腔时的切向发展。本发明所使用的鼓筒孔采用沿所述盘腔外侧鼓筒处沿周向拉伸的长圆形截面，有效提升了气流进入盘腔的流通能力。
附图说明
图1是本发明部分盘腔的径向剖视图；
图2是本发明部分盘腔的轴测图；
图3是本发明整体盘腔的剖面图；
图4是根据本发明一个实施例的用于压气机的楔形管式减涡系统的示意图立体图；
图5是图4所示楔形管式减涡系统的示意主视图；
图6是图5所示楔形管式减涡系统的A处的示意性局部放大图；
图中各标号表示含义如下：
1是压气机盘，2是反旋鼓筒孔，21是反旋鼓筒孔入口，22是反旋鼓筒孔出口；3是楔形减涡管，31是楔形减涡管入口，32是楔形减涡管出口；4是环形卡盘，5是鼓筒。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
本案通过设计反旋的鼓筒孔，使得气流进入盘腔时的切向速度被抑制，有效破坏了盘腔内自由涡结构的发展，从而降低了压损。通过设计楔形的减涡直管，有效改善了减涡管入口的流动分离现象，减小了流体进入减涡管时的压力损失，同时也减轻了减涡管的质量，具有较大的工程应用价值。
如图1至图6所示，本实施例提供了一种用于压气机的楔形管式减涡系统，布置在航空发动机压气机径向引气段。所述压气机包括：在两侧对应布置的压气机盘1，沿盘腔外周侧垂直延伸所形成的鼓筒5，两级压气机盘与鼓筒形成了内部腔体。所述鼓筒5处沿周向均匀布置有若干个反旋鼓筒孔2。若干反旋鼓筒孔分布于鼓筒5上。反旋鼓筒孔2数量为N，N是大于1的自然数。每一反旋鼓筒孔用于引入空气和抑制气流的周向运动。所述楔形管式减涡系统包括：若干个楔形减涡管3及环形卡盘4。本发明在压气机径向引气过程中设置反旋鼓筒孔2和楔形减涡管3，以达到降低盘腔内压损的目的。
若干个反旋鼓筒孔形成在鼓筒上。鼓筒位于两侧压气机盘腔外周侧延伸处，若干个反旋鼓筒孔沿所述两侧压气机盘的360°周向均匀分布。每一反旋鼓筒孔2与所述两侧压气机盘1同轴，每一反旋鼓筒孔2的结构相同，几何结构相同，安装半径相同。每一反旋鼓筒孔2贯穿所述鼓筒外壁和内壁。每一反旋鼓筒孔2具有反旋鼓筒孔入口21和反旋鼓筒孔出口22。每一反旋鼓筒孔2用于抑制气流的周向运动。
若干个楔形减涡管3固定安装在所述卡盘4上且位于所述若干个反旋鼓筒孔2的下游，并沿所述卡盘4的360°周向均匀分布和径向延伸，且随腔体共同旋转，楔形减涡直管3入口迎向来流方向，以减小气流在楔形减涡管3入口因流动分离而产生的压力损失。每一楔形减涡管3与所述两侧压气机盘同轴。如图4所示，每一楔形减涡管3的结构相同，几何结构相同，楔形减涡管3在径向上为等直径。每一楔形减涡管3的安装半径相同。若干个楔形减涡管3的数量为m，m是大于1的自然数。如图5及图6所示，每一楔形减涡管3具有楔形减涡管入口31和直段的出口32。其中，在所述压气机的正常工作状态下，所述若干个反旋鼓筒孔2和所述若干个楔形减涡管3与所述压气机两侧盘同向、同速、共轴旋转，流体经所述若干个反旋鼓筒孔2进入所述压气机腔体内，经由所述若干个楔形减涡管3径向引入所述压气机轴向通道中。采用反旋鼓筒孔2与楔形减涡管3组合的减涡系统，与目前的垂直鼓筒孔与同长度的减涡直管作比较，总压损失降低了15％～32％。
更具体地，如图6所示，更清晰的描述反旋鼓筒孔2和楔形减涡管3的结构尺寸，对图5进行了局部放大。在本实施例中，所述反旋鼓筒孔2的轴线与所述反旋鼓筒孔入口21圆心所在旋转半径成α，所述夹角α为20°～80°。
更具体地，在本实施例中，所述楔形减涡管入口31表面与所述楔形减涡管入口31中心所在旋转半径成β，所述夹角β为40°～90°。
更具体地，如图3所示，每一反旋鼓筒孔3在中心点切线方向上的截面均为长圆形。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于压气机的楔形管式减涡系统，所述楔形管式减涡系统包括对称布置的两个压气机盘(1)以及固定连接在二者之间的环形卡盘(4)、鼓筒(5)，所述鼓筒(5)处在环形卡盘(4)的外侧；所述压气机盘(1)、环形卡盘(4)、鼓筒(5)同轴心，并且在两个压气机盘(1)和鼓筒(5)之间形成内部腔体；其特征在于，
在所述鼓筒(5)上均匀的开设有若干反旋鼓筒孔(2)，所述反旋鼓筒孔(2)的中心线与鼓筒(5)的径向之间留有夹角；
在所述环形卡盘(4)上均匀的固定连接若干沿内部腔体径向延伸的楔形减涡管(3)，所述楔形减涡管(3)朝向鼓筒(5)的楔形减涡管入口(31)为斜口，其所在的平面与所述楔形减涡管(3)中轴线之间也留有夹角。
2.根据权利要求1所述的一种用于压气机的楔形管式减涡系统，其特征在于，所述反旋鼓筒孔(2)的中心线与鼓筒(5)的径向成夹角α，所述夹角α为20°～80°。
3.根据权利要求1所述的一种用于压气机的楔形管式减涡系统，其特征在于，所述楔形减涡管入口(31)所在的平面与所述楔形减涡管(3)中轴线形成夹角β，所述夹角β为40°～90°。
4.根据权利要求1所述的一种用于压气机的楔形管式减涡系统，其特征在于，沿所述环形卡盘(4)径向上，所述楔形减涡管(3)内壁各处的截面积相等。
5.根据权利要求1所述的一种用于压气机的楔形管式减涡系统，其特征在于，若干所述楔形减涡管处在同一圆周上，该圆周与所述环形卡盘同轴。
6.根据权利要求1所述的一种用于压气机的楔形管式减涡系统，其特征在于，每一反旋鼓筒孔(2)截面均为长圆形。
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