[發(fā)明專利]一體化渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)

在審

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• 申請日: 2022-10-19
• 公開（公告）號: CN115680798A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈文杰;王鎖芳;張馨丹
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D25/12
• 分類號: F01D25/12
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 韓天宇

本發(fā)明提供了一種一體化渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)，包括兩級導向葉片與兩級渦輪葉盤交替形成的高壓渦輪，高壓渦輪級間構(gòu)成盤緣封嚴迷宮，其中，第一級導向葉片根部固定有預(yù)旋盤，預(yù)旋盤上沿切向均勻布置有預(yù)旋噴嘴，預(yù)旋盤與導向葉片和渦輪盤構(gòu)成腔內(nèi)封嚴迷宮；所述兩級渦輪葉盤切向均勻布置有接受孔，兩級渦輪葉盤內(nèi)設(shè)置有冷卻結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過多級封嚴迷宮控制流量分配，引導冷卻氣流沖擊渦輪盤，采用擾流柱強化換熱，大幅度提高渦輪盤冷卻效率，為抵御惡劣熱環(huán)境提供可行性解決方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體是一種一體化渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

提高渦輪前溫度是增大航空發(fā)動機推力的主要手段之一，這對高速飛行器的發(fā)展具有重大意義。根據(jù)相關(guān)文獻情報顯示，目前現(xiàn)役航空發(fā)動機的渦輪前溫度已達2000K，預(yù)計下一代航空發(fā)動機的渦輪前溫度將遠超此溫度，這遠超現(xiàn)有材料的受熱極限。

空氣系統(tǒng)位于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從壓氣機和外涵道中引入冷卻氣流并用于冷卻渦輪葉片、渦輪盤等熱端部件。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，氣流通過預(yù)旋噴嘴進入渦輪盤腔并沖刷冷卻渦輪盤，而后通過供氣孔進入渦輪葉片，但現(xiàn)階段渦輪盤冷卻效率不足以應(yīng)對下一代航空發(fā)動機的渦輪前溫度，迫切需開發(fā)新式冷卻技術(shù)。

渦輪葉片和渦輪盤一體化加工可大幅度降低渦輪重量并增強結(jié)構(gòu)強度，成為下一代航空發(fā)動機的應(yīng)用熱點，但現(xiàn)階段渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)并不適用于一體化渦輪盤，急需發(fā)展新式冷卻結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種一體化渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)，通過多級封嚴迷宮控制流量分配，引導冷卻氣流沖擊渦輪盤，采用擾流柱強化換熱，大幅度提高渦輪盤冷卻效率，為抵御惡劣熱環(huán)境提供可行性解決方案。

本發(fā)明提供了一種一體化渦輪盤冷卻結(jié)構(gòu)，包括兩級導向葉片與兩級渦輪葉盤交替形成的高壓渦輪，高壓渦輪級間構(gòu)成盤緣封嚴迷宮，其中，第一級導向葉片根部固定有預(yù)旋盤，預(yù)旋盤上沿切向均勻布置有預(yù)旋噴嘴，預(yù)旋盤與導向葉片和渦輪盤構(gòu)成腔內(nèi)封嚴迷宮；所述兩級渦輪葉盤切向均勻布置有接受孔，兩級渦輪葉盤內(nèi)設(shè)置有冷卻結(jié)構(gòu)。

進一步改進，所述冷卻結(jié)構(gòu)包括擾流柱，兩級渦輪葉盤采用中空設(shè)計，內(nèi)部沿徑向方向?qū)訉臃植加袛_流柱，相鄰層級之間的擾流柱交替分布，且為減少渦流造成的流阻，擾流柱采用水滴構(gòu)型。

進一步改進，所述接受孔兩端聯(lián)通渦輪盤腔和渦輪盤內(nèi)部，接受孔布置于渦輪盤內(nèi)部相鄰擾流柱之間，接受孔形狀為圓形、橢圓形或葉柵型。

進一步改進，所述接受孔沿切向均勻分布在兩級渦輪盤的低半徑位置，且與預(yù)旋噴嘴處于同一徑向高度。

進一步改進，所述第一級和第二級渦輪葉盤可分解為渦輪盤和渦輪葉片，渦輪盤與渦輪葉片為一體化加工設(shè)計，以提高結(jié)構(gòu)的強度和剛性并降低重量。

進一步改進，所述級間封嚴迷宮和腔內(nèi)封嚴迷宮采用篦齒結(jié)構(gòu)，以確保渦輪加工誤差、受熱變形等所需的冗余度。

進一步改進，所述第一級導向葉片、預(yù)旋盤與第一級渦輪葉盤構(gòu)成一級渦輪盤腔，在第一級渦輪葉盤的低半徑位置處延伸出兩個篦齒環(huán)，與預(yù)旋盤緊密配合形成封嚴迷宮。

進一步改進，所述第一級渦輪葉盤、第二級導向葉片與第二級渦輪葉盤構(gòu)成二級渦輪盤腔，在第二級渦輪葉盤的高半徑位置處延伸出一個篦齒環(huán)，與第二級導向葉片緊密配合形成封嚴迷宮，且為保證運行穩(wěn)定性，第二級渦輪盤的篦齒環(huán)另一端與第一級渦輪盤之間緊密貼合形成受力支撐。

進一步改進，所述預(yù)旋噴嘴沿切向均勻分布在預(yù)旋盤的低半徑位置，且為降低流阻與壓損，預(yù)旋噴嘴采用葉柵構(gòu)型。

本發(fā)明有益效果在于：

1、提出的多級封嚴迷宮結(jié)構(gòu)可有效降低冷卻氣流的泄漏并防止主燃氣入侵空氣系統(tǒng)，有利于調(diào)控冷卻氣流的分配，提高渦輪葉盤的供氣流量；