[發(fā)明專利]八字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、渦輪導(dǎo)向器及燃?xì)鉁u輪設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210090476.3
• 申請(qǐng)日: 2022-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN114412579B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李海旺;唐潤(rùn)澤;陶智;由儒全;高軒;王濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): F01D5/18
• 分類號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 北京君有知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

八字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，由一對(duì)呈軸對(duì)稱分布，形似“八”字的直四棱柱構(gòu)成。位于渦輪導(dǎo)向器葉片前緣正前方旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中，周向布置，數(shù)量與渦輪導(dǎo)向器葉片數(shù)量一致。該八字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可和渦輪導(dǎo)向器一體銑出，或單獨(dú)加工帶有八字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的金屬環(huán)帶后使用螺栓與所述渦輪導(dǎo)向器連接。本發(fā)明公開的帶八字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的渦輪導(dǎo)向器，通過(guò)在渦輪導(dǎo)向器上游旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向器側(cè)壁面布置八字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，對(duì)泄露流進(jìn)行引導(dǎo)和擾流作用，減少了因燃?xì)馊肭謱?dǎo)致的泄露流損失，提高了導(dǎo)向器端壁的整體冷卻效率。本發(fā)明在旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)處布置八字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不干擾主流流動(dòng)，冷卻效果好的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種渦輪導(dǎo)向器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種帶“八”字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的渦輪導(dǎo)向器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一種基于布雷頓循環(huán)的熱動(dòng)力裝置，依靠其強(qiáng)大的輸出功率和高熱效率已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軍事和工業(yè)。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的前提下，渦輪進(jìn)口溫度每提高56K，燃?xì)廨啓C(jī)的推力可增加8-13%，循環(huán)效率可提高2-4%。為了實(shí)現(xiàn)更高的性能指標(biāo)，先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度可以達(dá)到1800~2100K，而渦輪葉片材料的耐溫極限卻遠(yuǎn)小于渦輪進(jìn)口溫度，其中存在的溫差只能靠復(fù)雜的葉片冷卻技術(shù)和隔熱涂層技術(shù)解決。現(xiàn)階段，較為成熟的葉片冷卻技術(shù)為氣膜沖擊擾流復(fù)合冷卻技術(shù)，下一代冷卻技術(shù)為以雙層壁為代表的微型冷卻技術(shù)。相較于葉身的多種冷卻手段，針對(duì)渦輪葉片端壁的冷卻手段相對(duì)有限，隨著渦輪前溫度的提高，端壁處換熱惡化的問(wèn)題也值得關(guān)注。

現(xiàn)階段端壁區(qū)域的冷卻技術(shù)主要為端壁氣膜冷卻技術(shù)，按照位置可以分為葉片前緣上游端壁氣膜冷卻，壓力面葉根端壁氣膜冷卻，葉柵通道下游端壁氣膜冷卻，葉柵通道狹縫冷卻。受到通道渦和馬蹄渦的影響，渦輪葉片端壁處的流動(dòng)換熱情況非常復(fù)雜，對(duì)流換熱強(qiáng)度高，為應(yīng)對(duì)日益提高的渦輪前溫度，需引入泄漏流參與對(duì)渦輪葉片端壁的冷卻。泄漏流是指用于冷卻渦輪盤及實(shí)現(xiàn)主流燃?xì)夥鈬?yán)并于輪緣處匯入主流的冷氣。泄漏流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和出流特性會(huì)很大程度上受到主流和旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)的影響，存在較大的周向不均勻性。

現(xiàn)有對(duì)渦輪導(dǎo)向器端壁氣膜冷卻的實(shí)驗(yàn)研究主要有：①在靜止葉柵試驗(yàn)臺(tái)上研究吹掃流（狹縫射流）對(duì)端壁氣膜冷卻效率的影響（文獻(xiàn)1）[?徐慶宗,?杜強(qiáng),?王沛,等.?渦輪端區(qū)離散臺(tái)階縫氣膜冷卻特性研究[J].?工程熱物理學(xué)報(bào),?2021,?42(9):6.]，②使用端壁氣膜孔對(duì)端壁氣膜冷卻的研究（文獻(xiàn)2）[瑞東,?劉存良,?朱惠人.?帶葉身斜下吹氣膜孔的端壁泄漏流冷卻數(shù)值研究[C].?中國(guó)航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第三十八屆技術(shù)交流會(huì)暨第二屆空天動(dòng)力聯(lián)合會(huì)議]。在實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，受到旋轉(zhuǎn)的影響，泄漏流出流具有較強(qiáng)的周向不均勻性，端壁泄漏流氣膜冷卻效率明顯低于現(xiàn)有的在靜止試驗(yàn)臺(tái)上開展的吹掃流（狹縫射流）相關(guān)研究。本文所述導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的使用就是為將封嚴(yán)冷氣引流至沒有燃?xì)馊肭值奈恢茫诓辉黾永錃庥昧康那疤嵯绿嵘郎u輪導(dǎo)向器端壁的泄漏流氣膜冷卻效率。對(duì)相關(guān)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在渦輪導(dǎo)向器上的使用未見于公開發(fā)表的專利或期刊文獻(xiàn)。

文獻(xiàn)3[鄔澤宇,?羅翔,?胡彥文,?等.?凸起迎風(fēng)面積對(duì)不同輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].?推進(jìn)技術(shù),?40(5).]介紹了一種凸起結(jié)構(gòu)，通過(guò)在渦輪旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)盤壁面上安裝凸起結(jié)構(gòu)，增加旋轉(zhuǎn)盤腔的迎風(fēng)面積，通過(guò)凸起對(duì)旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)部流體的做功使得相同工況下的流體具有了更高的切向速度，提高了流體總壓，從而在不增加封嚴(yán)冷氣的情況下提高旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中的封嚴(yán)效果。這與本專利所述“八”字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的安裝位置和使用原理均有所區(qū)別。文獻(xiàn)[3]介紹的凸起結(jié)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)壁面上，而本專利所述“八”字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的渦輪導(dǎo)向器靜止壁面上；文獻(xiàn)[3]介紹的凸起結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)部流體的做功達(dá)到提高旋轉(zhuǎn)盤腔封嚴(yán)效果的目的，而本專利所述“八”字型肋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)則是通過(guò)對(duì)泄漏流進(jìn)行引導(dǎo)，將封嚴(yán)冷氣引流至沒有燃?xì)馊肭值奈恢茫黾恿藦臏u輪導(dǎo)向器葉柵通道上游流出的泄漏流，提高了渦輪導(dǎo)向器端壁的整體冷卻效率。