一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道制造技术

本发明专利技术提出一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，轴前半部内对应的设有多个轴内入流通道；轴后半部内对应的设有多个轴内出流通道；轮盘前端面与轴前半部连接处的内部，设有入流冷却腔；轮盘和叶片内设有U型通道；轮盘前端面与轴前半部连接处的内部，设有出流冷却腔；轴内入流通道、入流冷却腔、U型通道、出流冷却腔、轴内出流通道依次连通；进口与轴内入流通道连接处设有进口人耳型通道；U型通道与出流冷却腔连接处设有盘内人耳型通道。本发明专利技术有效地对涡轮轴、盘以及叶片进行冷却，还能较好地组织冷却通道内的流动，改善盘轴内的通道由于旋转离心作用造成的回流，减小流动损失，提高冷却性能。高冷却性能。高冷却性能。

【技术实现步骤摘要】
一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道


[0001]本专利技术提供一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，属于涡轮


技术介绍

[0002]航空发动机性能的提高必然带来涡轮前燃气温度的大幅度上升。有研究表明涡轮前燃气温度每提高55K，发动机推力可以提高10％左右。但是燃气温度的提高会导致涡轮部件工作环境变得恶劣，除了叶片温度超过材料限制以外，涡轮轮盘及轴的温度也过高，会影响涡轮整体的强度和寿命。所以涡轮工作时必须对各部件进行冷却，以保证其安全性。
[0003]对于现在大力研发的高超声速飞行器以及火箭，其内空气温度也往往超出了涡轮材料的限制，因此常用的气膜冷却的方式不再适用。同时为了保证飞行速度，飞行器重量会受到限制，所以不能单独携带冷源对涡轮进行冷却。在这种情况下，高超声速飞行器和火箭通常会利用其携带的燃料来对各部件进行冷却。由于需要冷却的机构较多，分配给涡轮的燃料量有限，所以提高冷却性能是设计涡轮冷却通道的关键。
[0004]现有的研究都是针对涡轮叶片的冷却问题进行研究，没有关注涡轮轮盘和轴的冷却需求，也没有考虑涡轮盘轴在利用燃料进行冷却时存在的问题。
[0005]专利CN105673088B提供一种油冷涡轮动叶片的冷却通道，通过左端的燃油泵将燃料输入叶片左侧的空心轴内，通过冷却通道，经过左轴—盘—叶片—盘—右轴，然后流出。其冷却通道进出口设在轴的两侧，冷却通道转角采用了直角设计。
[0006]该冷却通道设计方法过于简单，忽略了涡轮冷却时存在的一些问题——由于涡轮转速较大，冷却通道内部受到旋转效应，盘轴内存在较多回流，流动阻力大。同时由于该方案的冷却通道采用直角转弯设计，冷却燃料会在转角处产生较大的分离，流动损失较大。该方案中燃油泵设置在轴的左侧，出油口设置在轴右侧，增加了整个模型的长度，从而导致飞行器重量增加。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提出一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，冷却通道结构不仅能有效地对涡轮轴、盘以及叶片进行冷却，还能较好地组织冷却通道内的流动，改善盘轴内的通道由于旋转离心作用造成的回流，减小流动损失，提高冷却性能，同时还能合理设计进出口通道，缩短模型尺寸。
[0008]主要技术手段是将进出口布置在轴上，在轴和轮盘内增加人耳型冷却通道。
[0009]具体技术方案为：
[0010]一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，轴的前端设有的多个进口，轴前半部内对应的设有多个轴内入流通道；轴的后端设有的多个出口，轴后半部内对应的设有多个轴内出流通道；
[0011]轮盘前端面与轴前半部连接处的内部，设有入流冷却腔；轮盘和叶片内设有U型通道；轮盘前端面与轴前半部连接处的内部，设有出流冷却腔；
[0012]轴内入流通道、入流冷却腔、U型通道、出流冷却腔、轴内出流通道依次连通；
[0013]进口与轴内入流通道连接处设有进口人耳型通道；U型通道与出流冷却腔连接处设有盘内人耳型通道；
[0014]进口与出口各为四个；进口和出口沿轴的周向均匀布置；
[0015]进口人耳型通道和盘内人耳型通道均为人耳朵外轮廓形状的弯管；
[0016]进口人耳型通道的进口构造角α1为75
°
，出口构造角β1为60
°
；
[0017]盘内人耳型通道的进口构造角α2为45
°
，出口构造角β2为45
°
；
[0018]本专利技术将冷却燃料进出口布置在轴上，这样燃料储存和回收的装置则可以布置在轴间，可以缩短整个模型的长度，减轻高超声速飞行器的重量。
[0019]同时为了进一步提高涡轮轴的冷却效果，并减轻轴的重量，轴内的冷却通道都设计为多条。为了改善旋转离心作用导致的涡轮盘轴通道内回流的问题，在容易产生回流的部位增加了人耳型通道结构。因为人耳型通道与主流道形成的结构与特斯拉阀结构类似，具有单向流通的能力，极大地增加了逆向流动的阻力，所以可以有效的改善回流。
[0020]同时在冷却通道的转角处都采用倒圆设计，使其平滑过渡，减小分离带来的流动损失。进口采用收缩通道，根据流量守恒原理，ρA1V1＝ρA2V2,则流道面积减小，流速增大，也即将内能转化为动能，冷却燃料的温度也一定程度下降，这样可以更好地保证冷却燃料在通道内流动，并带走更多热量，提高冷却性能。出口则采用扩张通道，根据流量守恒原理，面积增大，流速减小，动能转化为内能，燃料温度也一定程度提高。这样有助于冷却燃料流出后回收，同时温度提高使其进入燃烧室时燃烧更为充分，可以释放更多能量。
[0021]相比现有技术，本专利技术具有的技术效果：
[0022]1.对于冷却效果，冷却燃料通过冷却通道在轮盘内流通了两次，也即进行了两次冷却，在轴内存在四条通道，减重的同时可以加强对轴的冷却，因此可以提高涡轮盘轴的冷却性能。
[0023]2.由于涡轮高速旋转会产生离心作用，冷却通道在轴和轮盘内的部分存在回流。在冷却通道对应位置加入了人耳型通道，由于人耳型通道与主通道组合形成的结构类似特斯拉阀，因此具有单向流通的特点，可以阻止逆向流动，所以可以很好的改善冷却通道内的回流现象，减小流动阻力，有助于冷却燃料更好的带走热量。
[0024]3.进口设置为收缩通道，可以加速降温，利于冷却燃料在通道内的流动和冷却效果；出口设置为扩张通道，可以减速升温，有助于冷却燃料的回收和后续利用。
[0025]4.冷却通道内转角均为平滑过渡，可以减少分离带来的流动损失。
[0026]5.进出口布置在轴上，可以缩短模型尺寸。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的冷却燃料流动方向示意图；
[0028]图2是本专利技术的冷却通道结构示意图；
[0029]图3是本专利技术的转子结构示意图；
[0030]图4是本专利技术的冷却通道结构示意图；
[0031]图5是本专利技术的进口人耳型通道角度示意图；
[0032]图6是本专利技术的盘内人耳型通道角度示意图。
具体实施方式
[0033]结合附图说明本专利技术的具体技术方案。
[0034]如图1到图4所示，一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，轴1的前端设有的四个进口4，轴1前半部内对应的设有四个轴内入流通道5；轴1的后端设有的四个出口10，轴1后半部内对应的设有四个轴内出流通道9；
[0035]轮盘2前端面与轴1前半部连接处的内部，设有入流冷却腔6；轮盘2和叶片3内设有U型通道7；轮盘2前端面与轴1前半部连接处的内部，设有出流冷却腔8；
[0036]轴内入流通道5、入流冷却腔6、U型通道7、出流冷却腔8、轴内出流通道9依次连通；
[0037]进口4与轴内入流通道5连接处设有进口人耳型通道11；U型通道7与出流冷却腔8连接处设有盘内人耳型通道12；
[0038]如图1和图2所示：其冷却燃料从轴1上的四个进口4流入，一部分流入进口人耳型通道11并阻止回流的冷却燃料流通，并与主流汇合进入轴内入流通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高涡轮盘轴冷却性能的冷却通道，其特征在于，轴(1)的前端设有的多个进口(4)，轴(1)前半部内对应的设有多个轴内入流通道(5)；轴(1)的后端设有的多个出口(10)，轴(1)后半部内对应的设有多个轴内出流通道(9)；轮盘(2)前端面与轴(1)前半部连接处的内部，设有入流冷却腔(6)；轮盘(2)和叶片(3)内设有U型通道(7)；轮盘(2)前端面与轴(1)前半部连接处的内部，设有出流冷却腔(8)；轴内入流通道(5)、入流冷却腔(6)、U型通道(7)、出流冷却腔(8)、轴内出流通道(9)依次连通；进口(4)与轴内入流通道(5)连接处设有进口人耳型通道(11)；U型通道(7)与出流冷却腔(8)连接处设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟昊，何停玉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：