CN116537895B - 一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，通过设置第一蜂窝环为浮动环式结构，使得第一蜂窝环变形自由、独立，规避了第一蜂窝受涡轮静子叶片、内支撑环变形的影响的问题；在内支撑环上开设第一冲击孔用于冲击冷却第一蜂窝环，可以降低第一蜂窝环的温度，减小第一蜂窝环的热膨胀量，使得封严篦齿的间隙受控；而且可以提高第一蜂窝环的温度响应速度，保持过渡态过程中热膨胀量的稳定，确保轮缘处的封严篦齿结构的间隙在不同的工况变化条件下都能保持稳定，从而规避了全工况情况下预旋喷嘴后流路流通能力变化导致的供气压力波动问题，提高了预旋供气系统供气压力鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统。
背景技术
随着航空发动机性能的不断提升，以及航空发动机对寿命、可靠性需求的不断增长，涡轮前进口温度越来越高，已大大超出了金属所能承受的温度能力。需要涡轮冷却系统设计得更加高效、可靠。在涡轮冷却系统中，采用预旋供气系统使气流经过预旋喷嘴膨胀后提高冷却气流切向速度，从而显著降低涡轮转子感受的气流总温，进而提高冷却效果。
但气流预旋膨胀的同时，其压力也迅速下降，大大恶化了涡轮转子叶片的冷却条件。同时由于预旋喷嘴后流路中存在多处封严篦齿，这些封严篦齿在不同工作状态下间隙变化范围较大，导致预旋喷嘴出口压力波动，特别是在发动机过渡态工作中。预旋喷嘴出口压力不稳定，降低了预旋供气系统的鲁棒性，不能满足涡轮转子叶片对冷气的压力需求。
在预旋系统设计验证方面，主要研究集中在预旋系统流阻及温降特性方面，侧重预旋系统内部的流动特点和降温机理，研究提高温降、降低流阻的预旋供气系统设计方法和性能预测。这些研究采用的预旋系统结构都是限定在发动机某一特定工况，如篦齿间隙保持恒定，无法考虑发动机全工况差异带来的影响，特别是预旋喷嘴后流路中封严篦齿在不同工况中间隙的变化等，导致预旋系统供气压力波动大，供气鲁棒性不足，不能很好的满足高性能发动机涡轮转子叶片对冷气压力的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，能够确保封严篦齿结构的间隙在不同的工况变化条件下都能保持稳定，从而规避了全工况情况下预旋喷嘴后流路流通能力变化导致的供气压力波动问题，提高了预旋供气系统供气压力鲁棒性。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，包括：
内支撑环，所述内支撑环用于固定安装静子组件；
轮缘篦齿组件，所述轮缘篦齿组件包括第一篦齿以及第一蜂窝环，所述第一篦齿固定于转子组件上，所述第一蜂窝环一端固定于内支撑环上，另一端为自由端且延伸至与第一篦齿配合的位置；
第一冲击孔，所述第一冲击孔设置于内支撑环上，所述第一冲击孔用于向第一蜂窝环导入冲击冷却气流。
进一步地，还包括：
转子篦齿组件，所述转子篦齿组件包括第二篦齿和第二蜂窝环，所述第二篦齿与转子组件固定连接，所述第二蜂窝环一端固定于内支撑环上，另一端为自由端且延伸至与第二篦齿配合的位置；
导流盆，所述导流盆固定于内支撑环上，且导流盆与内支撑内壁面合围形成第一容腔，所述第一容腔对应的内支撑环上开设有引气孔；
所述导流盆上开设第二冲击孔，所述第二冲击孔设置于导流盆上，所述第二冲击孔用于向第二蜂窝环导入冲击冷却气流。
进一步地，多个所述引气孔以及多个所述第二冲击孔均沿转子组件周向均匀分布，且引气孔的面积大于第二冲击孔的面积。
进一步地，所述第一篦齿以及所述第二篦齿均为台阶篦齿。
进一步地，所述第一篦齿通过篦齿盘固定于转子组件上，所述篦齿盘与涡轮盘合围形成第二容腔，篦齿盘上设置有可供预旋喷嘴出口气流流入第二容腔内的导流孔，所述第二容腔设置有第三冲击孔，所述第三冲击孔用于向第二篦齿导入冲击冷却气流。
进一步地，所述第二容腔对应的涡轮盘轴颈上开设有排气孔。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
1.本发明通过将第一蜂窝环一端设置为自由端，即第一蜂窝环为浮动环式结构，使得第一蜂窝环变形自由、独立，规避了第一蜂窝受涡轮静子叶片、内支撑环变形的影响的问题；而且可以提高第一蜂窝环的温度响应速度，保持过渡态过程中热膨胀量的稳定，确保轮缘处的封严篦齿结构的间隙在不同的工况变化条件下都能保持稳定，从而规避了全工况情况下预旋喷嘴后流路流通能力变化导致的供气压力波动问题，提高了预旋供气系统供气压力鲁棒性；
2.通过在内支撑环上开设第一冲击孔用于冲击冷却第一蜂窝环，可以降低第一蜂窝环的温度，减小第一蜂窝环的热膨胀量，使得封严篦齿的间隙受控。
附图说明
图1为实施例中带有篦齿间隙控制的预旋供气系统结构示意图；
图2为实施例中导流盆及第二冲击孔的结构示意图；
其中，1、内支撑环；2、第一篦齿；3、第一蜂窝环；4、第一冲击孔；5、第二篦齿；6、第二蜂窝环；7、导流盆；8、第一容腔；9、引气孔；10、第二冲击孔；11、篦齿盘；12、第二容腔；13、预旋喷嘴；14、导流孔；15、第三冲击孔；16、排气孔；17、转子叶片；18、静子叶片；19、涡轮盘。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
参见图1和图2，一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，包括：
内支撑环1，所述内支撑环1用于固定安装静子组件；
轮缘篦齿组件，所述轮缘篦齿组件包括第一篦齿2以及第一蜂窝环3，所述第一篦齿2固定于转子组件上，所述第一蜂窝环3一端固定于内支撑环1上，另一端为自由端且延伸至与第一篦齿2配合的位置；
第一冲击孔4，所述第一冲击孔4设置于内支撑环1上，所述第一冲击孔4用于向第一蜂窝环3导入冲击冷却气流。
在本实施例中，转子组件包括涡轮盘19、转子叶片17、涡轮后挡板，涡轮后挡板通过周向卡槽方式固定在涡轮盘19上，第一篦齿2固定在涡轮盘19上；静子组件包括均固定于内支撑环1上的静子叶片18、第一蜂窝环3；预旋喷嘴13设置于涡轮盘19的盘腔内，第一蜂窝环3一端固定于内支撑环1上，另一端设置为自由端，且与第一篦齿2配合形成轮缘处的封严篦齿结构。内支撑环1上开设预旋喷嘴13的通气孔，来自压气机出口的冷却气流经过通气孔、预旋喷嘴13后，膨胀加速流入涡轮的盘腔中，且保持气流周向速度与涡轮盘19的切向速度基本一致，形成预旋流路，以降低涡轮转子的气流总温。本实施例中，通过将第一蜂窝环3一端设置为自由端，即第一蜂窝环3为浮动环式结构，使得第一蜂窝环3变形自由、独立，规避了第一蜂窝受涡轮静子叶片18、内支撑环1变形的影响的问题，而且可以提高第一蜂窝环3的温度响应速度，保持过渡态过程中热膨胀量的稳定，进一步起到控制轮缘处封严篦齿结构间隙及过渡态响应的作用，确保轮缘处的封严篦齿结构的间隙在不同的工况变化条件下都能保持稳定，从而规避了全工况情况下预旋喷嘴13后流路流通能力变化导致的供气压力波动问题，提高了预旋供气系统供气压力鲁棒性，满足高效、可靠的转子叶片17冷却气流供气；此外内支撑环1上开设第一冲击孔4，来自压气机出口的部分冷却气流经过第一冲击孔4后，冲击冷却第一蜂窝环3，可以降低第一蜂窝环3的温度，减小第一蜂窝环3的热膨胀量，使得封严篦齿的间隙受控。
本实施例中的多个第一冲击孔4沿转子组件轴向分排布置，且沿转子组件周向均布。
本实施例中带有篦齿间隙控制的预旋供气系统还包括：
转子篦齿组件，所述转子篦齿组件包括第二篦齿5和第二蜂窝环6，所述第二篦齿5与转子组件固定连接，所述第二蜂窝环6一端固定于内支撑环1上，另一端为自由端且延伸至与第二篦齿5配合的位置；可以确保第二蜂窝环6保持自由变形，且其变形不受内支撑环1的影响及约束，从而提高第二蜂窝环6的温度响应速度，保持过渡态过程中热膨胀量的稳定，进而起到控制转子篦齿结构间隙及过渡态响应的作用。
导流盆7，所述导流盆7固定于内支撑环1上，且导流盆7与内支撑环1内壁面合围形成第一容腔8，所述第一容腔8对应的内支撑环1上开设有引气孔9；
所述导流盆7上开设第二冲击孔10，所述第二冲击孔10设置于导流盆7上，所述第二冲击孔10用于向第二蜂窝环6导入冲击冷却气流。
第二冲击孔10环向均匀布置在所述导流盆7上，并且需保证第二冲击孔10能够覆盖大部分第二蜂窝环6。一部分冷却气流通过引气孔9引入导流盆7与内支撑环1之间的腔体中，第二冲击孔10可以使引入的冷却气流冲击冷却第二蜂窝环6，从而降低第二蜂窝环6的温度，减小第二蜂窝环6热膨胀量。导流盆7则起到隔离的作用，规避引气孔9引入的气流影响预旋喷嘴13气流造成预旋系统供气压力波动大的问题。
本实施例中多个所述引气孔9以及多个所述第二冲击孔10均沿转子组件周向均匀分布，且引气孔9的面积大于第二冲击孔10的面积，确保第二冲击孔10出口的气流速度更高，以保证对第二蜂窝环6的冲击冷却效果。
本实施例中，第一篦齿2以及第二篦齿5均为台阶篦齿，以满足对预旋喷嘴13出口后流路的流通能力控制。
第一篦齿2通过篦齿盘11固定于转子组件上，所述篦齿盘11与涡轮盘19合围形成第二容腔12，篦齿盘11上设置有可供预旋喷嘴13出口气流流入第二容腔12内的导流孔14，所述第二容腔12设置有第三冲击孔15，所述第三冲击孔15用于向第二篦齿5导入冲击冷却气流。通过预旋喷嘴13进入第二容腔12内的冷却气流对涡轮转子进行冷却，冷却过程中一部分气流经过第三冲击孔15冲击第二篦齿5内表面与转子轴，如本实施中与压气机后轴形成转子篦齿组件的转子变形控制流路。本实施例中篦齿盘11通过螺栓紧固件固定在转子组件上，第三冲击孔15布置在相邻螺栓紧固件之间。
本实施例中第二容腔12对应的涡轮盘19轴颈上开设有排气孔16，来自第二容腔12内的冷却气流经过篦齿盘11盘心后，沿排气孔16排入涡轮盘19心，进一步形成转子变形控制流路。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，其特征在于，包括：
内支撑环(1)，所述内支撑环(1)用于固定安装静子组件；
轮缘篦齿组件，所述轮缘篦齿组件包括第一篦齿(2)以及第一蜂窝环(3)，所述第一篦齿(2)固定于转子组件上，所述第一蜂窝环(3)一端固定于内支撑环(1)上，另一端为自由端且延伸至与第一篦齿(2)配合的位置；
第一冲击孔(4)，所述第一冲击孔(4)设置于内支撑环(1)上，所述第一冲击孔(4)用于向第一蜂窝环(3)导入冲击冷却气流；
转子篦齿组件，所述转子篦齿组件包括第二篦齿(5)和第二蜂窝环(6)，所述第二篦齿(5)与转子组件固定连接，所述第二蜂窝环(6)一端固定于内支撑环(1)上，另一端为自由端且延伸至与第二篦齿(5)配合的位置；
导流盆(7)，所述导流盆(7)固定于内支撑环(1)上，且导流盆(7)与内支撑内壁面合围形成第一容腔(8)，所述第一容腔(8)对应的内支撑环(1)上开设有引气孔(9)；
所述导流盆(7)上开设第二冲击孔(10)，所述第二冲击孔(10)设置于导流盆(7)上，所述第二冲击孔(10)用于向第二蜂窝环(6)导入冲击冷却气流。
2.根据权利要求1所述的带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，其特征在于，多个所述引气孔(9)以及多个所述第二冲击孔(10)均沿转子组件周向均匀分布，且引气孔(9)的面积大于第二冲击孔(10)的面积。
3.根据权利要求1所述的带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，其特征在于，所述第一篦齿(2)以及所述第二篦齿(5)均为台阶篦齿。
4.根据权利要求1所述的带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，其特征在于，所述第一篦齿(2)通过篦齿盘(11)固定于转子组件上，所述篦齿盘(11)与涡轮盘(19)合围形成第二容腔(12)，篦齿盘(11)上设置有可供预旋喷嘴(13)出口气流流入第二容腔(12)内的导流孔(14)，所述第二容腔(12)设置有第三冲击孔(15)，所述第三冲击孔(15)用于向第二篦齿(5)导入冲击冷却气流。
5.根据权利要求4所述的带有篦齿间隙控制的预旋供气系统，其特征在于，所述第二容腔(12)对应的涡轮盘(19)轴颈上开设有排气孔(16)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |