用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴制造技术

一种用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴，相对于叶型孔式喷嘴，可以在不降低性能的前提下显著减少叶片数。其中，入口段为一段环形通道，收缩段包括由多个叶片分隔开的多个气流流通通道，每个气流流通通道由外周壁面、内周壁面、两相邻叶片之一的吸力面以及两相邻叶片另一个的压力面围成，该气流流通通道的入口呈扇形截面；对于每个气流流通通道，顺着气流流动方向看，从该气流流通通道的入口到出口，扇形截面逐步光滑过渡为圆形截面。出口段包括对应各个该气流流通通道的出口分别连接的、直径不沿轴线变化的圆形管道。

【技术实现步骤摘要】
用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴
本专利技术涉及航空燃气涡轮发动机预旋冷却系统的预旋喷嘴。
技术介绍
在航空发动机的高压涡轮部件设计中，高压涡轮转子冷气通常是由压气机引气，途径燃烧室后提供的。冷气输运到高压涡轮转动盘前时，因盘转动会造成冷气的相对总温增大，不利于冷却高压涡轮。在工程设计中，通常采用预旋喷嘴来转折气流，减小冷气相对总温，降低冷气消耗量，从而提升高压涡轮冷却效果，并降低发动机耗油率。在已经服役的国内外发动机机型和公开材料中，预旋喷嘴设计主要采用了圆形管道式和叶片式两大类型。直圆形管道式预旋喷嘴以较少的通道数，更好的出口气流角特性，生产制造更易实现等优点得到最先应用。然而随着航空发动机循环参数的逐步提高，无论是直圆形管道式，还是通过扩大入口管径的扩口管式(现有技术1)，其较低的降温性能都变得越来越难以接受。叶型是人类已知的转折气流流向最理想的结构，研究人员发现采用叶片式预旋喷嘴可以实现比圆形管道式更好的降温性能。然而叶片式预旋喷嘴需要采用比圆形管道式预旋喷嘴成倍增加的通道数(等于叶片数)来实现气流的转折。同时叶片式预旋喷嘴的叶片高度通常很低(3～4mm),这一方面造成了其较小的展弦比，限制了叶片式预旋喷嘴的降温性能；更重要的是还极大地增加了生产制造难度。在工业生产中，叶片式预旋喷嘴通常采用焊接或者铸造方式获得，数量较多的叶片数和较小的叶片高度使得焊接生产复杂又昂贵，铸造生产则成品率低下，故叶片式预旋喷嘴在工程应用中难度较大。有研究人员提出了叶型孔式预旋喷嘴方案(现有技术2)，通过将叶型的吸力面和压力面分离一定间距来增厚叶片，从而减少单个流通通道的喉部宽度。设计时保持总喉部面积不改变，则可提升叶片高度。这一技术方案可在一定范围内解决叶片式预旋喷嘴叶片高度小的缺点，但是通过增大吸力面和压力面间距来增厚叶型会使得叶片前缘厚度过大、几何平钝。气流在大厚度、平度的前缘附近绕流流动时，会产生更大的气动损失，尤其是工作在雷诺数Re<4×〖10〗^5的工况时性能会衰减至扩口管式预旋喷嘴的水平，性能不及叶片式预旋喷嘴稳定。同时这种叶型孔式预旋喷嘴(现有技术2)无法在保持性能水平不下降的前提下显著减少叶片数，若将这种叶型孔式预旋喷嘴(现有技术2)应用于生产，其将仍然面临着与叶片式预旋喷嘴相同的技术困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴，相对于叶型孔式喷嘴，可以在不降低性能的前提下显著减少叶片数。根据本专利技术的用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴，其包括顺着气流流动方向依次相接的入口段、收缩段和出口段，所述入口段为一段环形通道，所述收缩段包括由多个叶片分隔开的多个气流流通通道，每个所述气流流通通道由外周壁面、内周壁面、两相邻叶片之一的吸力面以及所述两相邻叶片另一个的压力面围成，该气流流通通道的入口呈扇形截面；顺着气流流动方向看，对于每个所述气流流通通道，从该气流流通通道的入口到出口，扇形截面逐步光滑过渡为圆形截面，其中所述两相邻叶片设置成主导气流在该喷嘴的圆周方向的转折，而所述外周壁面、所述内周壁面设置成主导气流在该喷嘴的半径方向的转折；所述出口段包括对应各个该气流流通通道的出口分别连接的、直径不沿轴线变化的圆形管道。在一实施例中，所述出口段为以螺旋线为轴线的螺旋管，所述螺旋线过所述圆形截面的圆心，所述螺旋线在所述圆形截面圆心处的切线与所述圆形截面的法向量平行。在一实施例中，所述圆形截面的圆心与所述圆形管道的出口之间的沿所述圆形管道的轴线的轴向距离，为所述圆形管道的轴向长度，处在0.1～5倍于所述圆形截面的直径之间。在一实施例中，所述出口段为以直线为轴线的直管，所述轴线通过所述圆形截面的圆形，并平行于所述圆形截面的法向量。在一实施例中，所述入口段为一段环形通道。在一实施例中，所述圆形管道以一直线的投影线为轴线，所述投影线为所述直线在所述圆形管道的起始圆形截面圆心所在的回转面上的投影，所述回转面是以所述起始圆形截面的圆心至该叶型管式喷嘴的轴心的垂线为直径且沿平行于该叶型管式喷嘴的轴向拉伸的圆柱面。在一实施例中，所述叶型管式喷嘴用于航空发动机高压涡轮中的预旋冷却系统，将冷气折转后再送入高压涡轮转子叶根。如前所述，叶片式预旋喷嘴的工程设计中有增大叶片间距、减少叶片数、提高叶片高度来降低生产制造难度的要求。叶片式预旋喷嘴无法在不降低性能时提高叶片高度，但圆管式具有尺寸合适、易于生产实现的优点；同时叶片式在显著减少叶片数时叶型设计十分困难，叶片性能下降严重，而圆管式本身具有通道数少的优点，但性能却较差。圆管式预旋喷嘴气动性能较差的主要原因是其在入口段气流转折过大，会有较大的分离流动存在，即使是扩口管式预旋喷嘴其气动性能仍然提升有限，远不及叶片式性能优异。根据本专利技术的叶型管式喷嘴满足具有通道数少、易于生产制造等优点，同时又与叶片式预旋喷嘴性能处在相近水平的预旋喷嘴，相对于叶型孔式喷嘴，可以在不降低性能的前提下显著减少叶片数。其采用叶型控制扇形流道截面逐步光滑地收缩为圆管形状，并保持一段长度的圆形管道至出口，圆形管道的直径不沿轴线变化，从而实现了叶片和圆形管道融合设计的新型叶型管式预旋喷嘴。叶片以较低的气动损失转折气流，圆形管道则可稳定气流出口方向，叶片与圆形管道之间光滑过渡；而叶型孔式预旋喷嘴是从扇形面过渡到扇形面，并且流道一直在收缩。叶型管式预旋喷嘴的圆形管道基于圆管式预旋喷嘴进行设计，显著降低了叶片数，提高了叶片出口高度尺寸。根据本专利技术的叶型管式预旋喷嘴起到气流转折功能的流道则是基于叶片式预旋喷嘴进行设计的，流道截面沿叶型光滑收缩为圆管形状，克服了叶型孔预旋喷嘴前缘附近厚度过大、前缘平钝等不足，避免了出现性能在稍低雷诺数工况下衰减，使得叶型管式预旋喷嘴具有了与叶片式相近的性能水平和性能稳定工作范围。附图说明本专利技术的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：图1为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的立体图，其中其出口侧以横向剖面被示出。图2为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的主视图，其中其入口侧以横向剖面被示出。图3为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的后视图，其中其出口侧以横向剖面被示出。图4为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的侧向半剖视图。图5为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的50％叶高回转面分割体侧视图。图6为根据本专利技术的叶型管式喷嘴的50％叶高回转面分割体立体图。图7为根据本专利技术的另一实施例的叶型管式喷嘴的50％叶高回转面分割体立体图。图8为根据本专利技术的又一实施例的叶型管式喷嘴的50％叶高回转面分割体立体图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本专利技术的保护范围。需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本专利技术实际要求的保护范围构成限制。图1至图6显示了本专利技术的一实施例。图7显示了本专利技术的另一实施例。图8显示了本专利技术的又一实施例。如图1至图6所示，在本专利技术的一实施例中，叶型管式喷嘴101包括外周侧壁110本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴，其特征在于，包括顺着气流流动方向依次相接的入口段、收缩段和出口段，所述入口段为一段环形通道，所述收缩段包括由多个叶片分隔开的多个气流流通通道，每个所述气流流通通道由外周壁面、内周壁面、两相邻叶片之一的吸力面以及所述两相邻叶片另一个的压力面围成，该气流流通通道的入口呈扇形截面；顺着气流流动方向看，对于每个所述气流流通通道，从该气流流通通道的入口到出口，扇形截面逐步光滑过渡为圆形截面，其中所述两相邻叶片设置成主导气流在该喷嘴的圆周方向的转折，而所述外周壁面、所述内周壁面设置成主导气流在该喷嘴的半径方向的转折；所述出口段包括对应各个该气流流通通道的出口分别连接的、直径不沿轴线变化的圆形管道。

【技术特征摘要】
1.用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴，其特征在于，包括顺着气流流动方向依次相接的入口段、收缩段和出口段，所述入口段为一段环形通道，所述收缩段包括由多个叶片分隔开的多个气流流通通道，每个所述气流流通通道由外周壁面、内周壁面、两相邻叶片之一的吸力面以及所述两相邻叶片另一个的压力面围成，该气流流通通道的入口呈扇形截面；顺着气流流动方向看，对于每个所述气流流通通道，从该气流流通通道的入口到出口，扇形截面逐步光滑过渡为圆形截面，其中所述两相邻叶片设置成主导气流在该喷嘴的圆周方向的转折，而所述外周壁面、所述内周壁面设置成主导气流在该喷嘴的半径方向的转折；所述出口段包括对应各个该气流流通通道的出口分别连接的、直径不沿轴线变化的圆形管道。2.如权利要求1所述的叶型管式喷嘴，其特征在于，所述出口段为以螺旋线为轴线的螺旋管，所述螺旋线过所述圆形截面的圆心，所述螺旋线在所述圆形截面圆心处的切线与所述圆形截面的法向量平行。3.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕剑波，罗华玲，胡书珍，潘贤德，刘国峰，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31