[发明专利]用于燃气涡轮的叶型管式喷嘴

说明书

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。

技术领域

本发明涉及航空燃气涡轮发动机预旋冷却系统的预旋喷嘴。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明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。