CN117145592B - 一种基于异型节流通道的预旋系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于异型节流通道的预旋系统及其设计方法，在不改变预旋系统的内支撑环和其他部件结构的条件下，将常规的圆型节流孔调整为异型节流通道；且异型节流通道的结构根据预旋喷嘴的具体结构以及来流腔的平均中径和预选喷嘴的径向高度之间的相对值来确定；并根据冷气来流腔的径向高度、预旋喷嘴的径向高度、内支撑环靠近来流上游的端部到预旋喷嘴进口之间的轴向距离以及内支撑环与发动机轴向的夹角之间的关系，来确定异型节流通道中心线与内支撑环的夹角。能够在满足节流功能的前提下有效提升了冷气在流动过程中的效率，从而显著提升了预旋系统的效率，降低冷气总压损失，提升冷气对于工作叶片的覆盖效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于异型节流通道的预旋系统及其设计方法。
背景技术
随着现代燃气涡轮发动机的涡轮前温度不断提高，涡轮工作叶片的冷却越来越重要，冷气流路中的预旋系统在现代燃气涡轮发动机领域内已被广泛采用。用于冷却的预旋系统是为涡轮转子叶片提供适宜压力、流量和温度冷却气体的部件系统。预旋系统包含了节流孔、集气腔和预旋喷嘴。节流孔作为冷气进入集气腔的通道，其尺寸和结构特征对于集气腔冷气收集及下游预旋喷嘴的流动均匀性有重要影响。
现有的预旋系统主要聚焦在通过改变预旋喷嘴几何特征进而减小预旋系统的气动损失方面，以及通过对集气腔、喷嘴叶型、接受孔的改进创新进而提高预旋供气系统预旋效率。但这些方法无法低成本应用在现有燃气涡轮发动机中，且无法降低预旋喷嘴进气不均匀带来的气动损失。而且现有预旋系统中常采用的圆孔型节流孔也容易导致预旋喷嘴进口气流周向不均匀，进一步增大了气动损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于异型节流通道的预旋系统及其设计方法，能够在满足节流功能的前提下有效提升了冷气在流动过程中的效率，从而显著提升了预旋系统的效率，降低冷气总压损失，从而提升冷气对于工作叶片的覆盖效率。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种基于异型节流通道的预旋系统设计方法，所述预旋系统包括内支撑环和预旋喷嘴；所述内支撑环设置于火焰筒内机匣和燃烧室内机匣之间，用于固定安装静子组件；所述预旋喷嘴通过上安装环和下安装环设置于所述内支撑环和转子轮盘之间；所述内支撑环上开设有异型节流通道；所述预旋系统的设计方法包括：
根据预旋喷嘴类型，选择异型节流通道的结构，所述预旋喷嘴的类型包括孔式预旋喷嘴和叶型式预旋喷嘴，所述异型节流通道的结构包括正三角节流孔、倒三角节流孔、腰型节流孔以及缝型通道中的一种；
根据内支撑环与发动机轴向的夹角、内支撑环靠近来流上游的端部到预旋喷嘴进口之间的轴向距离/>、集气腔内壁面的径向高度/>以及集气腔外壁面的径向高度/>，分析获得异型节流通道在内支撑环上的径向高度/>，其中，所述集气腔由下安装环、上安装环以及内支撑环合围而成；
根据冷气来流腔的径向高度、预旋喷嘴的径向高度/>、内支撑环靠近来流上游的端部到预旋喷嘴进口之间的轴向距离/>、内支撑环与发动机轴向的夹角/>，分析获得异型节流通道中心线与内支撑环的夹角；
根据获得的异型节流通道的径向高度、异型节流通道中心线与内支撑环的夹角/>、选择的异型节流通道的类型以及异型节流通道的设计节流面积，在内支撑环上开设对应的异型节流通道。
进一步地，根据预旋喷嘴类型选择异型节流通道的结构的方法包括：当预旋喷嘴类型为孔式时，所述异型节流通道的结构选用正三角节流孔、倒三角节流孔、腰型节流孔中的一种；当预旋喷嘴类型为叶型式时，所述异型节流通道的结构选用缝型通道。
进一步地，当预旋喷嘴类型为孔式时，根据冷气来流腔的径向高度与预旋喷嘴的径向高度之差，以及内支撑环靠近来流上游的端部到预旋喷嘴进口之间的轴向距离，确定异型节流通道的结构；其中当△R//>＞0.2时，采用正三角节流孔，当△R/＜-0.2时，采用倒三角节流孔；当-0.2≤△R//>≤0.2时，采用腰型节流孔。
进一步地，所述正三角节流孔以及所述倒三角节流孔均为等腰三角形，且等腰三角形的腰与底边之间的夹角为45°～70°。
进一步地，所述腰型节流孔的宽度为预旋喷嘴直径的1.5-2倍。
进一步地，所述缝型通道的宽度根据分析获得，其中，/>为缝型通道的宽度，/>为异型节流通道的设计节流面积，/>为圆周率，/>为缝型通道在内支撑环上的排数，/>为异型节流通道的径向高度。
进一步地，每排缝型通道的周向角度，相邻两排的缝型通道在内支撑环上错位分布；其中/>为每排异型节流通道上缝型通道的个数。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种基于异型节流通道的预旋系统，所述预旋系统由所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法获得。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明在不改变预旋系统的内支撑环和其他部件结构的条件下，通过改变内支撑环上节流孔的结构和个数，将常规的圆型节流孔调整为异型节流通道，可以应用在任意预旋系统中；且能够在满足节流功能的前提下有效提升了冷气在流动过程中的效率，从而显著提升了预旋系统的效率，降低冷气总压损失，从而提升冷气对于工作叶片的覆盖效率。
附图说明
图1为实施例中基于异型节流通道的预旋系统结构示意图；
图2为实施例中正三角节流孔的结构示意图；
图3为实施例中倒三角节流孔的结构示意图；
图4为实施例中腰型节流孔的结构示意图；
图5为实施例中缝型节流通道在内支撑环上的分布示意图；
图6为实施例中缝型节流通道的结构示意图；
其中，1、内支撑环；2、预旋喷嘴；3、火焰筒内机匣；4、燃烧室内机匣；5、静子组件；6、上安装环；7、下安装环；8、转子轮盘；9、异型节流通道；10、来流腔；11、集气腔；12、正三角节流孔；13、倒三角节流孔；14、腰型节流孔；15、缝型通道；16、转子组件中心轴。
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1，一种基于异型节流通道的预旋系统设计方法，所述预旋系统包括内支撑环1和预旋喷嘴2；所述内支撑环1设置于火焰筒内机匣3和燃烧室内机匣4之间，用于固定安装静子组件5；所述预旋喷嘴2通过上安装环6和下安装环7设置于所述内支撑环1和转子轮盘8之间；所述内支撑环1上开设有异型节流通道9，内支撑环1上的异型节流通道9可为环向多排式分布；所述预旋系统的设计方法包括：
步骤一、根据预旋喷嘴2类型，选择异型节流通道9的结构，所述预旋喷嘴2的类型包括孔式预旋喷嘴2和叶型式预旋喷嘴2，所述异型节流通道9的结构包括正三角节流孔12、倒三角节流孔13、腰型节流孔14以及缝型通道15中的一种；
开设在内支撑环1上的节流孔作为冷气进入集气腔11的通道，冷气在受到节流孔的压缩后会在集气腔11出现回流区，进而带来总压损失。所述集气腔11由下安装环7、上安装环6以及内支撑环1合围而成。本实施例中，当预旋喷嘴2类型为孔式时，根据冷气来流腔10的径向高度与预旋喷嘴2的径向高度之差，以及内支撑环1靠近来流上游的端部到预旋喷嘴2进口之间的轴向距离/>，确定异型节流通道9的结构；
其中当△R/＞0.2时，表示来流腔10的平均中径高于预选喷嘴的径向高度，此时集气腔11下方的冷气密度更大，因此选择如图2所示的正三角节流孔12以减小集气腔11中的回流区范围；
当△R/＜-0.2时，表示来流腔10的平均中径低于预选喷嘴的径向高度，此时集气腔11上方的冷气密度更大，因此选择如图3所示的倒三角节流孔13以减小集气腔11中的回流区范围；
当-0.2≤△R/≤0.2时，来流腔10的平均中径与预选喷嘴的径向高度接近，此时集气腔11内的冷气密度分布较均匀，因此选择如图4所示的腰型节流孔14以保证冷气流动的顺畅。
需要说明的是，本实施例中的径向高度均表示对应结构或位置相对于转子组件中心轴16的距离；对于正三角节流孔12和倒三角节流孔13的几何特征，建议选用等腰三角形，且等腰三角形的腰与底边之间的夹角为45°～70°为宜，正三角节流孔12和倒三角节流孔13的高度根据具体空间布局和异型节流通道9的设计节流面积进行调整。对于腰型节流孔14，其开设宽度为预旋喷嘴2直径的1.5-2倍。
此外，当预旋喷嘴2类型为叶型式时，所述异型节流通道9的结构选用如图6所示的缝型通道15；缝型通道15的宽度根据分析获得，其中如图5所示，/>为缝型通道15的宽度，/>为异型节流通道9的设计节流面积，/>为圆周率，/>为缝型通道15在内支撑环1上的排数，/>为异型节流通道9的径向高度；每排缝型通道15的周向角度/>，相邻两排的缝型通道15在内支撑环1上错位分布；其中/>为每排异型节流通道9上缝型通道15的个数。
步骤二、根据内支撑环1与发动机轴向的夹角、内支撑环1靠近来流上游的端部到预旋喷嘴2进口之间的轴向距离/>、集气腔11内壁面的径向高度/>以及集气腔11外壁面的径向高度/>，分析获得异型节流通道9在内支撑环1上的径向高度。
步骤三、根据冷气来流腔10的径向高度、预旋喷嘴2的径向高度/>、内支撑环1靠近来流上游的端部到预旋喷嘴2进口之间的轴向距离/>、内支撑环1与发动机轴向的夹角，分析获得异型节流通道9中心线与内支撑环1的夹角。
步骤四、根据获得的节流通道的径向高度、异型节流通道9中心线与内支撑环1的夹角/>、选择的异型节流通道9的类型以及异型节流通道9的设计节流面积，在内支撑环1上开设对应的异型节流通道9。
本实施例可以在不改变预旋系统的内支撑环1和其他部件结构的条件下，通过改变内支撑环1上节流孔的结构和个数，将常规的圆型节流孔调整为异型节流通道9，可以应用在任意预旋系统中；且异型节流通道9的结构根据预旋喷嘴2的具体结构以及来流腔10的平均中径和预选喷嘴的径向高度之间的相对值来确定；并根据冷气来流腔10的径向高度、预旋喷嘴2的径向高度、内支撑环1靠近来流上游的端部到预旋喷嘴2进口之间的轴向距离以及内支撑环1与发动机轴向的夹角之间的关系，来确定异型节流通道9中心线与内支撑环1的夹角。能够在满足节流功能的前提下有效提升了冷气在流动过程中的效率，从而显著提升了预旋系统的效率，降低冷气总压损失，从而提升冷气对于工作叶片的覆盖效率。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种基于异型节流通道的预旋系统，所述预旋系统由基于异型节流通道的预旋系统设计方法获得。
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 (8)
1.一种基于异型节流通道的预旋系统设计方法，所述预旋系统包括内支撑环（1）和预旋喷嘴（2）；所述内支撑环（1）设置于火焰筒内机匣（3）和燃烧室内机匣（4）之间，用于固定安装静子组件（5）；所述预旋喷嘴（2）通过上安装环（6）和下安装环（7）设置于所述内支撑环（1）和转子轮盘（8）之间；所述内支撑环（1）上开设有异型节流通道（9）；其特征在于，所述预旋系统的设计方法包括：
根据预旋喷嘴（2）类型，选择异型节流通道（9）的结构，所述预旋喷嘴（2）的类型包括孔式预旋喷嘴（2）和叶型式预旋喷嘴（2），所述异型节流通道（9）的结构包括正三角节流孔（12）、倒三角节流孔（13）、腰型节流孔（14）以及缝型通道（15）中的一种；
根据内支撑环（1）与发动机轴向的夹角、内支撑环（1）靠近来流上游的端部到预旋喷嘴（2）进口之间的轴向距离/>、集气腔（11）内壁面的径向高度/>以及集气腔（11）外壁面的径向高度/>，分析获得异型节流通道（9）在内支撑环（1）上的径向高度，其中，所述集气腔（11）由下安装环（7）、上安装环（6）以及内支撑环（1）合围而成；
根据冷气来流腔（10）的径向高度、预旋喷嘴（2）的径向高度/>、内支撑环（1）靠近来流上游的端部到预旋喷嘴（2）进口之间的轴向距离/>、内支撑环（1）与发动机轴向的夹角，分析获得异型节流通道（9）中心线与内支撑环（1）的夹角；
根据获得的异型节流通道（9）的径向高度、异型节流通道（9）中心线与内支撑环（1）的夹角/>、选择的异型节流通道（9）的类型以及异型节流通道（9）的设计节流面积，在内支撑环（1）上开设对应的异型节流通道（9）。
2.根据权利要求1所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，根据预旋喷嘴（2）类型选择异型节流通道（9）的结构的方法包括：当预旋喷嘴（2）类型为孔式时，所述异型节流通道（9）的结构选用正三角节流孔（12）、倒三角节流孔（13）、腰型节流孔（14）中的一种；当预旋喷嘴（2）类型为叶型式时，所述异型节流通道（9）的结构选用缝型通道（15）。
3.根据权利要求2所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，当预旋喷嘴（2）类型为孔式时，根据冷气来流腔（10）的径向高度与预旋喷嘴（2）的径向高度之差，以及内支撑环（1）靠近来流上游的端部到预旋喷嘴（2）进口之间的轴向距离，确定异型节流通道（9）的结构；其中当△R//>＞0.2时，采用正三角节流孔（12），当△R//>＜-0.2时，采用倒三角节流孔（13）；当-0.2≤△R//>≤0.2时，采用腰型节流孔（14）。
4.根据权利要求3所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，所述正三角节流孔（12）以及所述倒三角节流孔（13）均为等腰三角形，且等腰三角形的腰与底边之间的夹角为45°～70°。
5.根据权利要求3所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，所述腰型节流孔（14）的宽度为预旋喷嘴（2）直径的1.5-2倍。
6.根据权利要求2所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，所述缝型通道（15）的宽度根据分析获得，其中，/>为缝型通道（15）的宽度，/>为异型节流通道（9）的设计节流面积，/>为圆周率，/>为缝型通道（15）在内支撑环（1）上的排数，/>为异型节流通道（9）的径向高度。
7.根据权利要求6所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法，其特征在于，每排缝型通道（15）的周向角度，相邻两排的缝型通道（15）在内支撑环（1）上错位分布；其中/>为每排异型节流通道（9）上缝型通道（15）的个数。
8.一种基于异型节流通道的预旋系统，其特征在于，所述预旋系统由权利要求1-7中任意一项所述的基于异型节流通道的预旋系统设计方法获得。
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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 | ||
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