CN117570064A - 一种引气系统的复合式减涡结构 - Google Patents
一种引气系统的复合式减涡结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117570064A CN117570064A CN202311339489.0A CN202311339489A CN117570064A CN 117570064 A CN117570064 A CN 117570064A CN 202311339489 A CN202311339489 A CN 202311339489A CN 117570064 A CN117570064 A CN 117570064A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- drum
- air
- rotating disc
- nozzle
- air entraining
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 14
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 3
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 17
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000009545 invasion Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N systemin Chemical compound NCCCC[C@H](N)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CCC(N)=O)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](CC(O)=O)C(=O)OC(=O)[C@@H]1CCCN1C(=O)[C@H]1N(C(=O)[C@H](CC(O)=O)NC(=O)[C@H](CCCN=C(N)N)NC(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@@H](NC(=O)[C@H](C)N)C(C)C)CCC1 HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N 0.000 description 1
- 108010050014 systemin Proteins 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 1
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
- F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/667—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by influencing the flow pattern, e.g. suppression of turbulence
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
本发明公开了一种引气系统的复合式减涡结构，包括对称设置的上级旋转盘和下级旋转盘以及固定连接于上级旋转盘和下级旋转盘之间的鼓筒，所述鼓筒上周向均匀开设若干反旋鼓筒孔，所述反旋鼓筒孔的中心线与鼓筒的径向之间存在夹角；鼓筒内圈设置若干引气喷嘴，所述引气喷嘴一端与反旋鼓筒孔连通，另一端向鼓筒内侧延伸，引气喷嘴的中心线与鼓筒的径向之间存在夹角。通过倾斜的引气喷嘴可以减小气流进入引气喷嘴时的入射角，使气流更加顺畅的通过引气喷嘴，降低过鼓筒损失。同时倾斜引气喷嘴可以为入射气流带来负切向的速度分量，进而有效的降低空气在高半径区域的旋转速度，最终减小空气在盘腔高半径区域因离心力、科氏力而造成的阻力损失。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机和燃气轮机内部空气系统，具体是涉及一种一种引气系统的复合式减涡结构。
背景技术
随着现代高性能航空发动机的快速发展，涡轮前燃气进口温度日益提高，涡轮等高温部件的工作环境随之日趋恶劣，这使得对承担着涡轮等高温部件冷却、腔室密封等作用的二次空气系统的要求也随之更加苛刻。航空发动机二次空气系统的冷却空气通常引自高压压气机级间输往高温部件进行冷却，在完成各项规定的功能后从确定的主流道若干部位排出与主流汇合，或直接泄漏到机体外部排入大气。该系统承担着高温部件的冷却、部件间的封严、轴承载荷的平衡等作用，其工作性能很大程度上决定了航空发动机的工作寿命，是发动机设计研究中需重点关注的对象之一。
当冷却空气由高压压气机级间引气时，气体首先通过鼓筒上开的引气孔进而沿径向穿过由压气机盘壁围成的旋转盘腔。在这一过程中，由于压气机盘腔等旋转部件处于高速旋转状态，使气流在腔内形成了复杂的流动结构，阻碍流体的径向流动。同时由于离心力、哥氏力的影响，也会使得气流在盘腔内径向运动非常困难，从而导致气流压力和引气量急剧下降。为了改善压气机径向引气效果，提出在压气机引气流路中应用减涡器，用来抑制旋转盘腔内的复杂涡系并引导冷却空气径向内流。目前比较常见的减涡器形式主要有管式、反旋喷嘴式和板式。
管式减涡器是安装在压气机盘间的一系列径向圆管，依靠圆管的狭小空间限制气流在盘腔内的旋转速度并径向引导气流的径向流动。这种形式的减涡器可以有效的降低高转速情况下压气机径向引气的损失，较好的提冷却空气品质，并且通过管式减涡器的气流流动状态稳定，容易掌握和控制。基于以上优点，管式减涡器目前比较广泛的被应用于世界上许多成熟的发动机型号，如通用电气航空发动机公司(GE)研制的GE90和普惠公司研制的PW4000等。Negulescu等人(Negulescu,D.,&Pfitzner,M.Secondary Air Systems inAeroengines Employing Vortex Reducers.ASME Turbo Expo:Power for Land,Sea,&Air,New Orleans,Louisiana,USA.2001-GT-0198.)针对管式减涡器的研究表明，当导流管较长时，会带来额外的重量与震动问题。而管子的长度则影响着管式减涡器的减阻性能。在垂直圆形鼓筒孔的传统结构下，往往需要较长的管子来确保足够的减阻能力(Chen,X.,Feng,Y.,&Wu,L.The Experimental Investigations of Centripetal Air Bleed withTubed Vortex Reducer for Secondary Air Systemin Gas Turbine.ASME Turbo Expo:Turbine Technical Conference&Exposition,Düsseldorf,Germany.GT2014-26959)。
反旋喷嘴式减涡器是安装于压气机盘间的一组与转盘转动方向相反的喷嘴，该减涡器使气流进入喷嘴后形成与原气流旋转方向相反的流动，显著降低气体在盘腔内的周向转动，抑制涡流的形成(Farthing,P.R.,Chew,J.W.,&Owen,J.M.1989.The use of deswirlnozzles to reduce the pressure drop in a rotating cavity with a radialinflow.Journal of Turbomachinery,113,106-114.)。虽然该形式的减涡器可以非常有效的降低盘腔内的损失，但是通过喷嘴式减涡器的冷却空气流动状态并不稳定。反旋喷嘴对下游流场的负切向引导效果对流量的变化十分敏感，这导致了引气流量随盘腔内压降的变化呈现出S型的变化曲线，也就是说针对某些特定的压降，会有三个差异较大的不同的引气流量与其匹配(Farthing,P.R.,&Owen,J.M.(1991).De-swirled radial inflow in arotating cavity.
International Journal of Heat&Fluid Flow,12,63-70)，这会导致在发动机特定工况下出现冷却空气供给的瞬时延迟效应，因此航空发动机空气系统的设计人员对使用此种形式的减涡器比较慎重。
板式减涡器是由一组安装在盘腔内的隔板组成，隔板将旋转盘腔分成若干沿周向隔离的腔室，进而限制气流切向速度在盘腔内的增长。研究表明板式减涡器确实可以有效的降低旋转盘腔内的流动损失，但其减阻效果与传统的管式减涡器类似，较大的额外重量问题也仍然存在(Luo,X.,Feng,A.,Quan,Y.,Zhou,Z.,&Liao,N.2016.Experimentalanalysis of varied vortex reducers in reducing the pressure drop in arotating cavity with radial inflow.Experimental Thermal and Fluid Science,77,159-166。
通过对以上几种传统的减涡器的当前研究结果分析，发现传统的减涡器通过限制旋转盘腔内空气的切向速度可以有效的降低阻力损失，但其仍然存在若干问题。第一，传统的减涡器并不能控制盘腔最高半径入口处的旋流数(空气绝对切向速度与旋转盘当地线速度的比值，是表征空气切向速度的无量纲参数)。这种入口边界条件下，受空气自由涡流动状态的影响，空气的切向速度在进入减涡器之前的区域往往已经有了较大的发展，这导致空气在进入减涡器(管式、反旋喷嘴式)时会和减涡器入口平面的轴线之间形成较大的夹角，这带来了额外的局部损失。第二，传统的反旋喷嘴式减涡器减阻特性不稳定，引气流量与压降之间其所呈现出的S形对应关系严重影响了反旋喷嘴式减涡器的工作可靠性，稳定压比下的流量突变很有可能造成发动机重要部件的高温燃气入侵，进而带来严重事故。第三，传统的管式减涡器与板式减涡器会带来额外的增重与震动问题。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种降低航空发动机内部引气系统中阻力损失的复合式减涡结构。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种引气系统的复合式减涡结构，包括对称设置的上级旋转盘和下级旋转盘以及固定连接于上级旋转盘和下级旋转盘之间的鼓筒，所述鼓筒上周向均匀开设若干反旋鼓筒孔，所述反旋鼓筒孔的中心线与鼓筒的径向之间存在夹角；鼓筒内圈设置若干引气喷嘴，所述引气喷嘴一端与反旋鼓筒孔连通，另一端向鼓筒内侧延伸，引气喷嘴的中心线与鼓筒的径向之间存在夹角。
进一步的，每个反旋鼓筒孔均连接有引气喷嘴。所述引气喷嘴与鼓筒径向之间的夹角与反旋鼓筒孔与鼓筒径向之间的夹角相同。所述引气喷嘴的中心线偏转方向与上级旋转盘和下级旋转盘的旋转方向相同，且引气喷嘴的中心线与鼓筒径向之间的夹角范围为20°～70°。所述引气喷嘴的当量直径d与喷嘴长度l的比值满足1≤l/d≤3。所述引气喷嘴的横截面形状包括圆形、方形、腰型、椭圆形。
进一步的，所述上级旋转盘和下级旋转盘之间还固定连接有导流管安装环，导流管安装环位于鼓筒内圈，导流管安装环周向均匀设置若干安装通孔，导流管安装环上安装有若干低半径导流短管组件，低半径导流短管组件包括导流短管和固定套设于导流短管外侧的支撑板，所述支撑板形状与导流管安装环外圈适配，并固定安装于导流管安装环外圈，所述导流短管穿过导流管安装环的安装通孔。
进一步的，所述导流短管出口处旋转半径ro小于或等于下级旋转盘内半径ra；所述导流短管入口处旋转半径ri大于下级旋转盘内半径ra，小于下级旋转盘外半径rb，且满足要求：所述导流短管的横截面形状包括圆形、椭圆形、方形、多边形。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过倾斜的引气喷嘴可以减小气流进入引气喷嘴时的入射角，使气流更加顺畅的通过引气喷嘴，降低过鼓筒损失。同时倾斜引气喷嘴可以为入射气流带来负切向的速度分量，进而有效的降低空气在高半径区域的旋转速度，最终减小空气在盘腔高半径区域因离心力、科氏力而造成的阻力损失。
附图说明
图1为本发明复合式减涡结构的整体结构示意图。
图2为本发明复合式减涡结构的周向-径向截面示意图。
图3为本发明复合式减涡结构的轴向-径向截面示意图。
图4为本发明低半径导流短管组件的整体结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的一种引气系统的复合式减涡结构，包括上级旋转盘1、鼓筒4、下级旋转盘5、导流管安装环2、低半径导流短管组件6和旋转轴3。上级旋转盘1、鼓筒4、下级旋转盘5、导流管安装环2和旋转轴3同轴，且鼓筒4、低半径导流短管组件6、导流管安装环2由外至内安装于上级旋转盘1和下级旋转盘5之间。鼓筒4与上、下级旋转盘的内壁面通过螺栓的方式相固连，其也可以与上级旋转盘1设计为一体成型结构。
鼓筒4上沿周向均匀布置有若干具有倾斜角度的反旋鼓筒孔41，反旋鼓筒孔41入口处边缘做倒/圆角处理，反旋鼓筒孔连接有引气喷嘴42，引气喷嘴与反旋鼓筒孔41的倾斜角度相同，引气喷嘴42出口不做倒角以降低气流通过鼓筒引气喷嘴时的局部损失。反旋喷嘴式鼓筒中引气喷嘴的横截面形状可以为圆形、方形、腰型、椭圆形中的任意一种。在反旋鼓筒孔41与上级旋转盘之间布置有若干道篦齿封严环，保证气流可以顺利进入反旋鼓筒孔41中而不是从鼓筒孔上方的静止叶片根部与旋转轮盘的间隙泄漏。导流管安装环2固定于上、下级旋转盘之间。若干低半径导流短管组件通过螺栓连接安装于导流管安装环上，且低半径导流短管组件数量与引气喷嘴一一对应。
如图2所示，由上、下级旋转盘与鼓筒所围成的旋转盘腔绕假想的X轴旋转。鼓筒的引气喷嘴的轴线与鼓筒径向法线之间具有预设的夹角θ，引气喷嘴轴线偏转方向与旋转方向相同。受旋转的影响，进入引气喷嘴之前的气流与旋转鼓筒之间存在较大的相对切向速度，而倾斜的引气喷嘴可以减小气流进入引气喷嘴时的入射角，使气流更加顺畅的通过引气喷嘴，降低过鼓筒损失。同时倾斜引气喷嘴可以为入射气流带来负切向的速度分量，进而有效的降低空气在高半径区域的旋转速度，最终减小空气在盘腔高半径区域因离心力、科氏力而造成的阻力损失。本发明中，引气喷嘴偏转角度θ变化范围为20°～70°，引气喷嘴当量直径d与喷嘴长度l的比值满足1≤l/d≤3。
如图3所示为本发明复合式减涡结构的另一个截面图，该截面通过旋转轴与其中一根导流管的轴线，气流的流通路径如图所示。低半径导流短管组件6包括导流短管61和固定套设于导流短管61外侧的支撑板61，导流短管61的轴线与引气喷嘴42的轴线位于同一个平面上，导流短管61整体位于旋转盘腔的低半径区域。低半径导流管入口处旋转半径ri大于下级旋转盘内半径ra，小于下级旋转盘外半径rb，且取值范围为
该低半径导流短管组件可以有效的控制空气在盘腔低半径区域的切向速度发展，并引导气流沿径向内流，同时可以稳定旋转盘腔内整体的流动结构，最终起到降低盘腔内压降，提高引气流量随压降变化的单调性，增强复合式减涡结构整体的工作稳定性与可靠性。
如图4所示为低半径导流短管组件示意图。低半径导流管组件由导流短管61与支撑板62构成，二者通过焊接的方式连接，也可以通过3D打印的方式一体成型加工而成。支撑板62底部为弧形，安装时可以与导流管安装环2贴合，其上留有螺孔，用于固定支撑板与导流管安装环，降低旋转带来的震动。相关安装方式仅为举例，导流短管61可以多种形式安装于旋转盘腔内，而本发明的关键点是低半径导流短管的长度范围也就是其进出口所在的旋转半径的取值范围。导流管入口处做倒/圆角处理，以进一步降低气流在进入管时的损失。
Claims (10)
1.一种引气系统的复合式减涡结构，包括对称设置的上级旋转盘(1)和下级旋转盘(5)以及固定连接于上级旋转盘(1)和下级旋转盘(5)之间的鼓筒(4)，其特征在于，所述鼓筒(4)上周向均匀开设若干反旋鼓筒孔(41)，所述反旋鼓筒孔(41)的中心线与鼓筒(4)的径向之间存在夹角；鼓筒内圈设置若干引气喷嘴(42)，所述引气喷嘴(42)一端与反旋鼓筒孔(41)连通，另一端向鼓筒(4)内侧延伸，引气喷嘴(42)的中心线与鼓筒(4)的径向之间存在夹角。
2.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，每个反旋鼓筒孔(41)均连接有引气喷嘴(42)。
3.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述引气喷嘴(42)与鼓筒(4)径向之间的夹角与反旋鼓筒孔(41)与鼓筒(4)径向之间的夹角相同。
4.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述引气喷嘴(42)的中心线偏转方向与上级旋转盘(1)和下级旋转盘(5)的旋转方向相同，且引气喷嘴(42)的中心线与鼓筒(4)径向之间的夹角范围为20°～70°。
5.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述引气喷嘴(42)的当量直径d与喷嘴长度l的比值满足1≤l/d≤3。
6.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述引气喷嘴(42)的横截面形状包括圆形、方形、腰型、椭圆形。
7.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述反旋鼓筒孔(41)入口处边缘为倒/圆角。
8.根据权利要求1所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述上级旋转盘(1)和下级旋转盘(5)之间还固定连接有导流管安装环(2)，导流管安装环(2)位于鼓筒(4)内圈，导流管安装环(2)周向均匀设置若干安装通孔，导流管安装环(2)上安装有若干低半径导流短管组件(6)，低半径导流短管组件包括导流短管(61)和固定套设于导流短管(61)外侧的支撑板(62)，所述支撑板形状与导流管安装环(2)外圈适配，并固定安装于导流管安装环(2)外圈，所述导流短管(61)穿过导流管安装环(2)的安装通孔。
9.根据权利要求8所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述导流短管(61)出口处旋转半径ro小于或等于下级旋转盘(5)内半径ra；所述导流短管(61)入口处旋转半径ri大于下级旋转盘(5)内半径ra，小于下级旋转盘(5)外半径rb，且满足要求：
10.根据权利要求8所述的复合式减涡结构，其特征在于，所述导流短管(61)的横截面形状包括圆形、椭圆形、方形、多边形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311339489.0A CN117570064A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种引气系统的复合式减涡结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311339489.0A CN117570064A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种引气系统的复合式减涡结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117570064A true CN117570064A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89887003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311339489.0A Pending CN117570064A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种引气系统的复合式减涡结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117570064A (zh) |
-
2023
- 2023-10-17 CN CN202311339489.0A patent/CN117570064A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20100226767A1 (en) | Diffuser arrangement | |
| CN108425708B (zh) | 一种复合式减涡器结构 | |
| US5791136A (en) | Combined-cycle power generation plant, including a gas turbine, an annual exhaust gas channel having swirl suppression vanes, and a heat recovery boiler | |
| JP2017129117A (ja) | タービンエンジン用入口粒子分離装置 | |
| JP2009047411A (ja) | ターボ機械ディフューザ | |
| EP2589753B1 (en) | Turbine disk with impellers for cooling the turbine blades attached to the said disk, and corresponding cooling method of turbine blades. | |
| US9435206B2 (en) | Flow inducer for a gas turbine system | |
| KR20100080427A (ko) | 터빈 엔진용 인듀서와 관련된 방법, 시스템 및/또는 장치 | |
| US11131205B2 (en) | Inter-turbine ducts with flow control mechanisms | |
| CN110454436B (zh) | 一种应用于航空发动机压气机高位引气的短弯曲型减涡板 | |
| EP3708804A1 (en) | Impeller tip cavity | |
| CN111622985A (zh) | 一种扩压及整流一体化扩压器 | |
| US3378229A (en) | Radial flow turbine | |
| CN112334665A (zh) | 用于制冷系统的混流式压缩机构造 | |
| CN203614465U (zh) | 一种压气机的隔板式减涡装置及压气机 | |
| US10294821B2 (en) | Interturbine frame for gas turbine engine | |
| WO2010002294A1 (en) | A vane for a gas turbine component, a gas turbine component and a gas turbine engine | |
| JP2017008756A (ja) | 軸流タービン | |
| CN117570064A (zh) | 一种引气系统的复合式减涡结构 | |
| CN110552788A (zh) | 用于预旋供气系统的带有径向跑道斜孔式接受孔的盖板盘 | |
| US11674396B2 (en) | Cooling air delivery assembly | |
| CN111059083B (zh) | 一种压气机减涡器引气系统 | |
| CN214146013U (zh) | 高压压气机转子、减涡装置 | |
| CN113090593A (zh) | 适用于涡轴发动机的反旋叶片式减涡引气结构 | |
| CN117365683A (zh) | 一种空气系统的组合式减涡结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |