本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴。

背景技術(shù)：

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，渦輪前燃?xì)鉁囟纫搽S之不斷提高，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件承受著嚴(yán)酷的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此需要對高溫部件進(jìn)行冷卻。目前對渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻普遍使用預(yù)旋進(jìn)氣方式。通過預(yù)旋噴嘴使氣體膨脹，噴嘴出口處產(chǎn)生較大的周向速度分量，降低氣流與轉(zhuǎn)盤之間的相對速度，從而達(dá)到降低相對總溫的目的。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了一系列富有成效的研究。El-Oun和Owen¹²對直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了研究，運(yùn)用雷諾相似原理，發(fā)現(xiàn)了氣流相對總溫和旋流比之間的關(guān)系。Popp³運(yùn)用CFD軟件對蓋板預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接受孔和預(yù)旋孔的面積比對預(yù)旋溫降效果起著關(guān)鍵作用。Karabay等⁴通過理論分析和試驗(yàn)，對預(yù)旋系統(tǒng)的預(yù)旋性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析。國內(nèi)學(xué)者也對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。劉高文⁵對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，研究了靜止條件下預(yù)旋噴嘴對盤腔內(nèi)流動(dòng)特性的影響。朱曉華⁶對蓋板預(yù)旋系統(tǒng)的溫降和壓力損失進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)了預(yù)旋系統(tǒng)中影響溫降的因素。王鎖芳⁷對渦輪盤腔進(jìn)行簡化，對直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。

已有研究對預(yù)旋噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的優(yōu)化，研究表明對于一定的盤腔結(jié)構(gòu)，存在一最優(yōu)的預(yù)旋角度使盤面最大溫度及平均溫度水平降低。目前的預(yù)旋噴嘴設(shè)計(jì)主要從預(yù)旋噴嘴面積、預(yù)旋噴嘴角度、預(yù)旋噴嘴的軸向長度和噴嘴徑向位置方面優(yōu)化，也可以達(dá)到降低盤面最高溫度及平均溫度水平的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴，優(yōu)化了的旋轉(zhuǎn)渦輪盤腔預(yù)旋噴嘴角度的視角，可以進(jìn)一步優(yōu)化冷氣的品質(zhì)和盤腔內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)以達(dá)到增加葉片流量、降低盤面平均溫度水平。

本發(fā)明航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴，改變預(yù)旋噴嘴出流徑向速度分量為徑向向下，使預(yù)旋噴嘴的預(yù)旋角度不僅具有預(yù)旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸間的夾角；還具有預(yù)旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸間的夾角。進(jìn)而可使葉片進(jìn)口流量增加，優(yōu)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；對于底部出口流量影響不大。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴，可降低旋轉(zhuǎn)盤面平均溫度水平；提高流入葉片流量，優(yōu)化葉片冷卻；略微降低頂部封嚴(yán)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(fā)明航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴，在設(shè)計(jì)時(shí)無需改動(dòng)其他相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為噴嘴型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴示意圖；

圖2為圖1中噴嘴型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴的A-A剖視圖；

圖3為圖2中噴嘴型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴的B-B剖視圖；

圖4為葉柵型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴示意圖；

圖5為圖4中葉柵型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴C-C剖視圖；

圖6為圖5中葉柵型預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴的D-D剖視圖；

圖7為本發(fā)明預(yù)旋噴嘴計(jì)算模型示意圖；

圖8為不同組合預(yù)旋角度下渦輪盤盤面平均溫度云圖；

圖9為不同組合預(yù)旋角度下葉片進(jìn)口流量云圖；

圖10為不同組合預(yù)旋角度下渦輪盤腔總流量云圖；

圖11為不同組合預(yù)旋角度下頂部出口流量云圖；

圖12為底部出口流量云圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

傳統(tǒng)噴嘴型與葉柵型預(yù)旋噴嘴的預(yù)旋角度，定義沿徑向從盤心指向盤緣為正方向，僅設(shè)計(jì)預(yù)旋噴嘴具有切向夾角θ，即預(yù)旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸間的夾角；其中，傳統(tǒng)噴嘴型預(yù)旋噴嘴預(yù)旋角度如圖1、圖3所示；傳統(tǒng)葉柵型預(yù)旋噴嘴預(yù)旋角度如圖4、圖6所示。

本發(fā)明航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤腔冷卻空氣斜向預(yù)旋進(jìn)氣噴嘴，對噴嘴型與葉柵型預(yù)旋噴嘴的預(yù)旋角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，定義沿徑向從盤心指向盤緣為正方向，設(shè)計(jì)預(yù)旋噴嘴具有上述切向夾角θ的同時(shí)，還具有軸向夾角α，即預(yù)旋噴嘴出流方向在渦輪盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸間的夾角；其中傳統(tǒng)噴嘴型預(yù)旋噴嘴預(yù)旋角度，如圖2所示；傳統(tǒng)葉柵型預(yù)旋噴嘴預(yù)旋角度，如圖5所示。

下面在具體復(fù)雜盤腔構(gòu)型下，分析本發(fā)明中優(yōu)化后的預(yù)旋角度對盤腔流動(dòng)特性的影響。由于換熱對渦輪葉片冷氣供應(yīng)影響較小，所以給幾類熱邊界并不妨礙對問題的討論，本次計(jì)算流固交界面(中右側(cè)邊)給恒定二類熱邊界，其余壁面均絕熱處理，進(jìn)、出口均給壓力邊界。如圖7所示，為計(jì)算模型，為一進(jìn)三出系統(tǒng)。進(jìn)口預(yù)旋噴嘴采用本發(fā)明優(yōu)化后的預(yù)旋角度形式。

通過試驗(yàn)校正過的計(jì)算模型分析本發(fā)明設(shè)計(jì)的預(yù)旋角度對盤腔流動(dòng)的影響。圖8為預(yù)旋角度α，θ在不同的組合下渦輪盤盤面平均溫度云圖，圖中縱坐標(biāo)表示預(yù)旋噴嘴出流氣體徑向速度分量相對于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?yàn)檠貜较驈谋P心指向盤緣，負(fù)值表示入流方向?yàn)檠貜较驈谋P緣指向盤心；橫坐標(biāo)為預(yù)旋噴嘴出流氣體切向速度分量相對于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(zhuǎn)向一致。從圖8中可以看出徑向速度分量一定時(shí)，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(jìn)入到盤腔后徑向向上或徑向向下流動(dòng)對盤面平均溫度影響不大。

圖9為預(yù)旋角度α，θ在不同的組合下葉片進(jìn)口流量云圖。從圖9中可以看出切向速度分量越小，葉片進(jìn)口流量越大，這有利于葉片的冷卻；徑向速度分量是負(fù)值，而且其絕對值越大時(shí)，葉片進(jìn)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，越有利于葉片的冷卻。

圖10為預(yù)旋角度α，θ在不同的組合下渦輪盤腔總流量云圖。預(yù)旋角度對盤腔總流量的影響規(guī)律與對葉片進(jìn)口流量的影響規(guī)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(fù)值，而且其絕對值越大時(shí)，盤腔總流量越大，也即預(yù)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(yù)旋角度α，θ在不同的組合下頂部出口流量云圖。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(shí)，頂部出口流量越大，也即預(yù)旋噴嘴出流的氣體的徑向速度向上且越大，通過頂部封嚴(yán)篦齒流量的越大。但實(shí)際上，頂部篦齒起封嚴(yán)作用，流量足夠封嚴(yán)即可，不必太大，否則就是造成不必要的浪費(fèi)。

圖12為預(yù)旋角度α，θ在不同的組合下底部出口流量云圖。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，基于上述分析，預(yù)旋噴嘴可進(jìn)行本發(fā)明提出的優(yōu)化方式進(jìn)行優(yōu)化。改變預(yù)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(jìn)口流量增加，優(yōu)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；對于底部出口流量影響不大。且當(dāng)預(yù)旋角度的徑向分量相對于渦輪軸軸向?yàn)樨?fù)時(shí)，效果最好。即當(dāng)徑向預(yù)旋角度α向下時(shí)，對盤腔的影響是積極的。本實(shí)施例中建議選取0°～45°之間。

對于噴嘴型預(yù)旋噴嘴，如果方便在盤面上進(jìn)行機(jī)加工，可以將一組預(yù)旋噴嘴周向排布，與盤腔盤面直接加工為一體，預(yù)旋進(jìn)氣孔的具體結(jié)構(gòu)則根據(jù)需求加工為合適的截面積及軸向長度；當(dāng)改變預(yù)旋角度時(shí)，可以直接更換整個(gè)盤面。幾何結(jié)構(gòu)圖如1所示。

對于葉柵型預(yù)旋噴嘴，由于不方便整體加工，且對于對葉柵造型有嚴(yán)格要求的噴嘴，需要單獨(dú)對葉柵加工或鑄造。因此，可采取如下方案：噴嘴設(shè)計(jì)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且獨(dú)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(nèi)外環(huán)形固定焊接在一起；安裝時(shí)將預(yù)旋噴嘴與盤腔盤面通過螺栓連接，更換不同預(yù)旋角度的噴嘴就可以達(dá)到改變預(yù)旋角度的目的。其幾何結(jié)構(gòu)如4所示。