一種航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴的製作方法
2023-06-13 17:00:46
本發明涉及航空發動機渦輪葉片冷卻技術領域，具體是一種航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴。
背景技術：
隨著航空發動機性能的提升，渦輪前燃氣溫度也隨之不斷提高，這使得發動機部件承受著嚴酷的熱負荷和機械負荷，因此需要對高溫部件進行冷卻。目前對渦輪轉子葉片的冷卻普遍使用預旋進氣方式。通過預旋噴嘴使氣體膨脹，噴嘴出口處產生較大的周向速度分量，降低氣流與轉盤之間的相對速度，從而達到降低相對總溫的目的。近年來，國內外學者對預旋系統進行了一系列富有成效的研究。El-Oun和Owen12對直導式預旋系統進行了研究，運用雷諾相似原理，發現了氣流相對總溫和旋流比之間的關係。Popp3運用CFD軟體對蓋板預旋系統進行了研究，發現接受孔和預旋孔的面積比對預旋溫降效果起著關鍵作用。Karabay等4通過理論分析和試驗，對預旋系統的預旋性能進行了進一步分析。國內學者也對預旋系統進行了大量研究。劉高文5對預旋系統進行了簡化，研究了靜止條件下預旋噴嘴對盤腔內流動特性的影響。朱曉華6對蓋板預旋系統的溫降和壓力損失進行了數值研究，發現了預旋系統中影響溫降的因素。王鎖芳7對渦輪盤腔進行簡化，對直導式預旋系統進行了數值模擬和試驗研究。
已有研究對預旋噴嘴的結構進行了較大的優化，研究表明對於一定的盤腔結構，存在一最優的預旋角度使盤面最大溫度及平均溫度水平降低。目前的預旋噴嘴設計主要從預旋噴嘴面積、預旋噴嘴角度、預旋噴嘴的軸向長度和噴嘴徑向位置方面優化，也可以達到降低盤面最高溫度及平均溫度水平的目的。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提出航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴，優化了的旋轉渦輪盤腔預旋噴嘴角度的視角，可以進一步優化冷氣的品質和盤腔內流動結構以達到增加葉片流量、降低盤面平均溫度水平。
本發明航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴，改變預旋噴嘴出流徑向速度分量為徑向向下，使預旋噴嘴的預旋角度不僅具有預旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉軸與噴嘴軸線處的切向方向形成的平面上的投影與渦輪盤轉軸間的夾角；還具有預旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉軸與噴嘴軸線處的徑向方向形成的平面上的投影與渦輪盤轉軸間的夾角。進而可使葉片進口流量增加，優化葉片冷卻；使頂部出口流量略微減小，但仍可滿足密封流量的最小流量；使盤面平均溫度降低；對於底部出口流量影響不大。
本發明的優點在於：
1、本發明航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴，可降低旋轉盤面平均溫度水平；提高流入葉片流量，優化葉片冷卻；略微降低頂部封嚴篦齒流量；增加流入盤腔的總流量；對其他流熱方面的影響較小；
2、本發明航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴，在設計時無需改動其他相關聯的結構。
附圖說明
圖1為噴嘴型預旋進氣噴嘴示意圖；
圖2為圖1中噴嘴型預旋進氣噴嘴的A-A剖視圖；
圖3為圖2中噴嘴型預旋進氣噴嘴的B-B剖視圖；
圖4為葉柵型預旋進氣噴嘴示意圖；
圖5為圖4中葉柵型預旋進氣噴嘴C-C剖視圖；
圖6為圖5中葉柵型預旋進氣噴嘴的D-D剖視圖；
圖7為本發明預旋噴嘴計算模型示意圖；
圖8為不同組合預旋角度下渦輪盤盤面平均溫度雲圖；
圖9為不同組合預旋角度下葉片進口流量雲圖；
圖10為不同組合預旋角度下渦輪盤腔總流量雲圖；
圖11為不同組合預旋角度下頂部出口流量雲圖；
圖12為底部出口流量雲圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
傳統噴嘴型與葉柵型預旋噴嘴的預旋角度，定義沿徑向從盤心指向盤緣為正方向，僅設計預旋噴嘴具有切向夾角θ，即預旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉軸與噴嘴軸線處的切向方向形成的平面上的投影與渦輪盤轉軸間的夾角；其中，傳統噴嘴型預旋噴嘴預旋角度如圖1、圖3所示；傳統葉柵型預旋噴嘴預旋角度如圖4、圖6所示。
本發明航空燃氣渦輪發動機高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預旋進氣噴嘴，對噴嘴型與葉柵型預旋噴嘴的預旋角度進行優化設計，定義沿徑向從盤心指向盤緣為正方向，設計預旋噴嘴具有上述切向夾角θ的同時，還具有軸向夾角α，即預旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉軸與噴嘴軸線處的徑向方向形成的平面上的投影與渦輪盤轉軸間的夾角；其中傳統噴嘴型預旋噴嘴預旋角度，如圖2所示；傳統葉柵型預旋噴嘴預旋角度，如圖5所示。
下面在具體複雜盤腔構型下，分析本發明中優化後的預旋角度對盤腔流動特性的影響。由於換熱對渦輪葉片冷氣供應影響較小，所以給幾類熱邊界並不妨礙對問題的討論，本次計算流固交界面(中右側邊)給恆定二類熱邊界，其餘壁面均絕熱處理，進、出口均給壓力邊界。如圖7所示，為計算模型，為一進三出系統。進口預旋噴嘴採用本發明優化後的預旋角度形式。
通過試驗校正過的計算模型分析本發明設計的預旋角度對盤腔流動的影響。圖8為預旋角度α，θ在不同的組合下渦輪盤盤面平均溫度雲圖，圖中縱坐標表示預旋噴嘴出流氣體徑向速度分量相對於軸向速度分量的相對值，代表α角的大小及方向，值的絕對值越大說明α越大，正值表示入流方向為沿徑向從盤心指向盤緣，負值表示入流方向為沿徑向從盤緣指向盤心；橫坐標為預旋噴嘴出流氣體切向速度分量相對於軸向速度分量的相對值，代表θ角的大小，絕對值越大說明θ越大，都是正值，說明入流方向都是與盤的轉向一致。從圖8中可以看出徑向速度分量一定時，切向速度分量越大，盤面平均溫度越低；徑向分量對盤面平均溫度影響不大，也就是說流體進入到盤腔後徑向向上或徑向向下流動對盤面平均溫度影響不大。
圖9為預旋角度α，θ在不同的組合下葉片進口流量雲圖。從圖9中可以看出切向速度分量越小，葉片進口流量越大，這有利於葉片的冷卻；徑向速度分量是負值，而且其絕對值越大時，葉片進口流量越大，也即的徑向速度向下且越大，流入葉片的流量越大，越有利於葉片的冷卻。
圖10為預旋角度α，θ在不同的組合下渦輪盤腔總流量雲圖。預旋角度對盤腔總流量的影響規律與對葉片進口流量的影響規律差不多。切向速度分量越小，盤腔總流量越大；徑向速度分量是負值，而且其絕對值越大時，盤腔總流量越大，也即預旋噴嘴出流的氣體的徑向速度向下且越大，流入盤腔的流量越大。
圖11為預旋角度α，θ在不同的組合下頂部出口流量雲圖。切向速度分量越小，頂部出口流量越大；徑向速度分量是正值，而且其絕對值越大時，頂部出口流量越大，也即預旋噴嘴出流的氣體的徑向速度向上且越大，通過頂部封嚴篦齒流量的越大。但實際上，頂部篦齒起封嚴作用，流量足夠封嚴即可，不必太大，否則就是造成不必要的浪費。
圖12為預旋角度α，θ在不同的組合下底部出口流量雲圖。切向速度分量越小，底部出口流量越大；徑向速度分量對底部出口流量影響甚小，也即底部出口流量對徑向速度分量的大小及分量不敏感。
因此，基於上述分析，預旋噴嘴可進行本發明提出的優化方式進行優化。改變預旋噴嘴出流徑向速度分量為徑向向下，形成α角。徑向分量向下可使葉片進口流量增加，優化葉片冷卻；使頂部出口流量略微減小，但仍可滿足密封流量的最小流量；使盤面平均溫度降低；對於底部出口流量影響不大。且當預旋角度的徑向分量相對於渦輪軸軸向為負時，效果最好。即當徑向預旋角度α向下時，對盤腔的影響是積極的。本實施例中建議選取0°～45°之間。
對於噴嘴型預旋噴嘴，如果方便在盤面上進行機加工，可以將一組預旋噴嘴周向排布，與盤腔盤面直接加工為一體，預旋進氣孔的具體結構則根據需求加工為合適的截面積及軸向長度；當改變預旋角度時，可以直接更換整個盤面。幾何結構圖如1所示。
對於葉柵型預旋噴嘴，由於不方便整體加工，且對於對葉柵造型有嚴格要求的噴嘴，需要單獨對葉柵加工或鑄造。因此，可採取如下方案：噴嘴設計為環狀結構，且獨立加工或鑄造得到要求的葉柵；而將葉柵周向排列，分別與噴嘴內外環形固定焊接在一起；安裝時將預旋噴嘴與盤腔盤面通過螺栓連接，更換不同預旋角度的噴嘴就可以達到改變預旋角度的目的。其幾何結構如4所示。