CN105201909B - 一种压气机及其向心引气减涡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压气机及其向心引气减涡器，位于压气机的盘腔中，包括减涡管和保持架，其中的减涡管具有进气口和出气口，进气口悬空设置，出气口固定于保持架。本发明可以最大程度地降低引气气流压力损失。

Description

一种压气机及其向心引气减涡器

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术，特别是涉及一种压气机及其向心引气减涡器。

背景技术

随着航空发动机技术的不断提升，高温部件的工作环境温度与压力也随之增加，为了保证部件的可靠性与延长部件寿命，高效冷却技术不断被应用，一般应用的冷却技术都需要从压气机某级引气至高温部件进行相关冷却或封严。在引气的过程中需要考虑沿途压降与温升问题，这就对引气流路的设计提出了较高要求。鉴于此，引气流路的设计目标是降低引气压力损失、保证高温部件冷却供气的压力以及封严压力。

现阶段较为先进的发动机采用在压气机的鼓筒轴上开孔的方式来实现内部引气。但在内部引气过程中，由于气体从压气机盘腔内高半径位置流向低半径位置，自由涡发展剧烈，导致流动损失较大，通过安装减涡器的方式可以有效减弱涡流的剧烈发展，从而降低压力损失。

发明内容

本发明的目的是提出一种最大程度降低引气气流压力损失的压气机及其向心引气减涡器。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种压气机向心引气减涡器，位于压气机的盘腔中，包括减涡管和保持架，其中的所述减涡管具有进气口和出气口，所述进气口悬空设置，所述出气口固定于所述保持架。

进一步地，所述进气口的径向位置位于所述压气机的盘腔中气流的旋转比为1的位置。

进一步地，所述减涡管包括长管和长度小于所述长管的短管。

进一步地，所述长管和所述短管沿所述保持架的周向间隔分布。

进一步地，所述长管和其相邻的所述短管的几何中心线的夹角范围为5°～25°。

进一步地，所述长管和所述短管的长度之差的范围为0～0.3L，所述L为所述长管的长度。

进一步地，所述保持架上开设有通孔结构。

进一步地，所述通孔结构与所述减涡管沿所述保持架的周向间隔分布。

进一步地，所述通孔结构与其相邻的所述减涡管的几何中心线的夹角范围为5°～25°。

进一步地，所述减涡管包括长管和长度小于所述长管的短管，所述长管和所述短管依次布置在每相邻的两所述通孔结构之间。

进一步地，相邻的所述长管和所述短管的几何中心线的夹角及相邻所述短管和所述通孔结构的几何中心线的夹角范围均为5°～15°。

进一步地，所述长管和所述短管的长度之差的范围为0～0.5L，所述L为所述长管的长度。

进一步地，各所述减涡管的横截面形状为圆形、弓形或马蹄形。

进一步地，所述弓形具有圆弧和连接该圆弧的两个端点的线段，所述圆弧的中点和所述线段的中点的距离范围为0.5R～1R，所述R为所述圆弧的半径。

进一步地，所述马蹄形的长轴的长度为短轴的长度的2～4倍。

本发明还提供一种压气机，其包括上述各实施例中的压气机向心引气减涡器。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

由于本发明将减涡管的进气口悬空设置，出气口固定设置，这种设置方式可以保证进入减涡管的进气口的气流呈自由涡状态，而自由涡状态的气流主要是沿径向朝轴心方向流动，因此进入径向设置的减涡管后，不会产生任何折返过程，从而在该环节可以最大程度地避免引气气流的压力损失，与现有技术将减涡管的进气口固定设置所带来的引气气流的压力损失偏大的问题相比，压力损失更小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所提供的压气机向心引气减涡器在压气机中安装的一个实施例的示意图；

图2为本发明所提供的压气机向心引气减涡器一个实施例的示意图；

图3为本发明所提供的压气机向心引气减涡器另一个实施例的示意图；

图4为本发明所提供的压气机向心引气减涡器又一个实施例的示意图；

图5为图2～4中减涡管的轴向平面剖视示意图；

图6为图2中减涡管在压气机盘腔中间隔分布的径向剖视图；

图7为图3中减涡管和通孔结构在压气机盘腔中间隔分布径向剖视图；

图8为图4中减涡管和通孔结构在压气机盘腔中间隔分布径向剖视图；

图9a～9c为本发明中减涡管的横截面形状示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1示出的是本发明所提供的压气机向心引气减涡器在压气机中安装的一个实施例的示意图。如图1所示，本实施例所提供的减涡器位于压气机的盘腔中，压气机的盘腔由两个压气机盘1构成。两个压气机盘1和所述减涡器以轴心线O为旋转中心，旋转方向如箭头M所示。压气机主流通道(图中未示出)的气流经过导叶后，部分气流通过压气机的鼓筒轴2上的长圆形鼓筒孔3进入压气机盘腔中。

研究表明，两个同步旋转的压气机盘1之间存在典型的自由涡流动，自由涡流动遵循角动量守恒定律，即Vt×r＝C，其中Vt是气流的周向速度，r为半径，C为与发动机相关的常数。气流由鼓筒孔3进入两个压气机盘1之间后，初始时刻Vt<Ω*r，其中Ω为压气机盘1的角速度，Ω*r为压气机盘1的周向速度。由于气流沿径向向心流动，随着r减小(与压气机盘腔中心的距离减小)，Vt逐渐增大，直至Vt＝Ω*r。也就是说，在Vt＝Ω*r，气流速度的周向速度与压气机盘1的周向速度相等的情况下，在相对坐标系下，气流只有沿径向向心方向的流动速度。当然，气流由鼓筒孔3进入两个压气机盘1之间后，随着r的减小，气流沿周向的分量也逐渐减小，其主要是沿径向向心方向进行流动。

本实施例中的减涡器包括减涡管4以及固定于所述压气机盘腔的保持架5，其中的减涡管4具有进气口4-1和出气口4-2，进气口4-1悬空设置，出气口4-2安装在保持架5上，并通过卡环(图中未示出)固定，出气口4-2与所述压气机盘腔的中心区域相通。保持架5通过螺栓(如图5所示)与一压气机盘1固定连接。

现有技术中主要是将减涡管的进气口固定设置，并直接与压气机主流通道相通，这种设置方式使得由压气机主流通道且经过导叶导入的部分气流并不以径向方式进入减涡管，而是与径向保持一个角度地进入减涡管，因此气流首先接触到的是减涡管的内侧壁，然后在减涡管中产生剧烈折返，形成强制涡，再排向压气机盘腔的中心。而上述的剧烈折返的过程会产生大量的压力损失，因此，排向压气机盘腔的中心的气流的压力损失偏大。

而本发明所提供的减涡器，通过将减涡管的进气口悬空设置，出气口固定设置，保证进入减涡管的进气口的气流呈自由涡状态，而随着气流的向心流动，自由涡状态的气流主要是沿径向向中心方向流动，因此进入径向设置的减涡管4后，产生折返的气流分量也相应减少，从而在该环节可以减少气流在减涡管4管壁中折返造成的压力损失。由此可以看出，本发明所提供的减涡器相比于现有技术，引气气流压力损失更小。

由于减涡管4的进气口4-1处气流速度由周向分速度、径向分速度和轴向分速度构成，并且轴向分速度比其它方向分速度小很多，基本上可以不考虑。为了获得最小的压力损失，进入减涡管4的进气口4-1的气流仅具有沿径向向心方向的流动速度时，引气气流的压力损失最小。该位置的气流速度的周向速度Vt与压气机盘1的周向速度Ω*r相等，即气流的旋转比为1。也就是说，进气口4-1的径向位置位于所述压气机的盘腔中气流的旋转比为1的位置时，引气气流的压力损失最小。而该位置是随发动机工作状态点的变化而变化的。通常，发动机的型号特定，旋转比为1的位置基本可以确定。上述的“旋转比”指的是气流的切向速度与压气机旋转速度(即为周向速度)之比，沿半径方向变化的，不同转速时，同样半径位置的旋转比不同。

图2～4显示的是本发明所提供的减涡器的三种不同实施方式的示意图，下面结合附图一一对本发明所提供的各个实施例进行详尽阐述。

如图2所示，作为减涡管的一种优选方式，减涡管4可以包括长管41和短管42，短管42的长度小于长管41的长度。该实施例所提供的结构是从提高减涡器的适应工作范围出发，在降低引气压力损失的前提下，设置不同长度的减涡管，从而在发动机处于较高转速时，气流主要从高半径位置的进气口4-1进入减涡管4；转速较低时，气流则主要从低半径位置的进气口4-1进入减涡管4。也就是说，本发明通过设置不同管长，在引气压力损失足够低的情况下，可以增大其适应工作范围。而且，短管42的设置还可以减少减涡器的整体重量。

此处的“高半径位置”和“低半径位置”分别是沿气流的流动方向进行定义的，“高半径位置”指的是距离压气机的盘腔中心相对较远的位置，“低半径位置”指的是距离压气机的盘腔中心相对较近的位置。

优选地，长管41和短管42沿保持架5的周向间隔分布。通过将不同长度减涡管间隔周向均布，除了上述提及的适应工作范围广和减轻重量的优势外，气流在短管42的低半径位置的流入方式还可以吸收和削弱长管41振动的影响。

图6显示的是不同长度减涡管在压气机盘腔中间隔分布的径向剖视图。如图2和图6所示，长管41和短管42在压气机盘腔中间隔周向分布，与鼓筒轴2上的长圆形鼓筒孔3一一对应。长管41和其相邻的短管42的几何中心线的夹角α范围为5°～25°；长管41和短管42的长度之差ΔL的范围为0～0.3L，其中的L为长管41的长度。

上述夹角α和长度之差ΔL的选取原则主要是考虑能够使管与管之间的流道尽可能地类似于减涡管自身的流道，从而压气机盘腔中的气流除了可以通过减涡管本身进行径向输送之外，还可以通过管与管之间流道进行径向输送，使整个压气机盘腔中的气流在引导到盘腔中心的过程中，压力损失尽可能地降至最低。因此，单从上述角度考虑，减涡管越密集，形成的管与管之间的流道越多，压气机盘腔中的气流利用率越高，整个压气机盘腔中的引气气流的压力损失越小。但是，减涡管的增加必然会造成增个减涡器重量的增加，因此，上述参数的选择达到压力损失和重量的均衡即可。

如图3所示，还可以在保持架5上开设有通孔结构6，该通孔结构6可以使压气机盘腔中的气流的一部分从减涡管4流出，还有一部分气流可以从保持架5上的通孔结构6流出，这种结构不仅可以降低气流的压力损失，还可以减少减涡器的重量。

另外，若保持架5上全设置为减涡管4时，压气机的盘腔中的气流将会主要集中在减涡管4进气口4-1上游的旋转腔，然后再进入减涡管4进行流动，而管与管之间形成的流道的气压偏低，导致减涡管4的振动问题显著。本发明通过将通孔结构6与减涡管4沿保持架5的周向间隔分布，可以使得气流除了可以进入减涡管4之外，还可以从保持架5上的通孔结构6流过，使整个压气机盘腔的压力尽可能地保持均匀，因此气流在流经管与管之间形成的流道时可以吸收和带走减涡管4产生的振动，从而使减涡管4的振动处在合理的水平。

图7显示的是减涡管、保持架上的通孔结构在压气机盘腔中间隔分布径向剖视图。如图3和图7所示，通孔结构6和减涡管4与鼓筒轴2上的长圆形鼓筒孔3一一对应，通孔结构6与其相邻的减涡管4的几何中心线的夹角α范围为5°～25°。该夹角α的选取原则主要是考虑能够使管与管之间的流道尽可能地类似于减涡管自身的流道，从而压气机盘腔中的气流除了可以通过减涡管本身进行径向输送之外，还可以通过管与管之间流道进行径向输送，使整个压气机盘腔中的气流在引导到盘腔中心的过程中，压力损失尽可能地降至最低。因此，单从上述角度考虑，减涡管越密集，形成的管与管之间的流道越多，压气机盘腔中的气流利用率越高，整个压气机盘腔中的引气气流的压力损失越小。但是，减涡管的增加必然会造成增个减涡器重量的增加，因此，上述参数的选择达到压力损失和重量的均衡即可。

如图4所示，本实施例中的长管41和短管42依次布置在每相邻的两通孔结构6之间。通过该结构，可以在减少引气压力损失和减涡器的重量的基础上，综合了图2提供的实施例所具有的适应工作范围较大的优点以及图3提供的实施例所具有的减涡管振动水平控制合理的优势。

图8显示的是不同长度减涡管、保持架上的通孔结构在压气机盘腔中间隔分布径向剖视图。如图4和图8所示，长管41、短管42和通孔结构6与鼓筒轴2上的长圆形鼓筒孔3一一对应。相邻的长管41和短管42的几何中心线的夹角α范围为5°～15°。长管41和通孔结构6的几何中心线的夹角为β，β＝2*α，即相邻的短管42和通孔结构6的几何中心线的夹角范围为5°～15°。长管41和短管42的长度之差ΔL的范围为0～0.5L，其中的L为长管41的长度。

上述夹角α和长度之差ΔL的选取原则主要是考虑能够使管与管之间的流道尽可能地类似于减涡管自身的流道，从而压气机盘腔中的气流除了可以通过减涡管本身进行径向输送之外，还可以通过管与管之间流道进行径向输送，使整个压气机盘腔中的气流在引导到盘腔中心的过程中，压力损失尽可能地降至最低。因此，单从上述角度考虑，减涡管越密集，形成的管与管之间的流道越多，压气机盘腔中的气流利用率越高，整个压气机盘腔中的引气气流的压力损失越小。但是，减涡管的增加必然会造成增个减涡器重量的增加，因此，上述参数的选择达到压力损失和重量的均衡即可。

图9a示出的减涡管的横截面的形状是目前使用较多的圆形。

图9b示出的减涡管的横截面的形状是弓形，垂直于气流的旋转方向展开，该弓形横截面积与图9a的圆形横截面的面积相同。弓形具有圆弧m1和连接该圆弧m1两个端点的线段n1，圆弧m1的中点和线段n1的中点的距离S可以在0.5R～1R范围内进行选择，R是图9a中圆形横截面的半径，即圆弧m1的半径。通过弓形横截面的减涡管，可以将压气机盘腔进行分隔，在保持与圆形截面相同的气体流通量的前提条件下，使管与管之间也能形成类似于减涡管内的流道，气流经管与管之间的流道从通孔结构6径向流入压气机盘腔的中心腔，避免气流在管与管外壁之间进行多次折返所带来的压力损失，进而将压气机盘腔中的引气气流的整体压力损失降至最低。

图9c示出的减涡管的横截面的形状是马蹄形，向旋转方向展开，该马蹄形横截面积与图9a的圆形横截面的面积相同，因此马蹄形横截面的减涡管沿气流旋转方向的流通量大于相同圆形横截面的减涡管，同样也利于将压气机盘腔中的引气气流的整体压力损失降至最低。本实施例中，马蹄形具有内圆弧m2和外圆弧m3，组成了类似于椭圆形的一半，其长轴a的长度是短轴b的长度的2～4倍。

本发明还包括一种压气机，其包括上述各实施例所提供的减涡器，压气机的其它部分均为现有技术，在此不再展开描述。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (15)

1.一种压气机向心引气减涡器，位于压气机的盘腔中，包括减涡管和保持架，其中的所述减涡管具有进气口和出气口，所述进气口悬空设置，所述出气口固定于所述保持架；其特征在于：所述减涡管包括长管和长度小于所述长管的短管。

2.如权利要求1所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述进气口的径向位置位于所述压气机的盘腔中气流的旋转比为1的位置。

3.如权利要求1或2所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述长管和所述短管沿所述保持架的周向间隔分布。

4.如权利要求3所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述长管和其相邻的所述短管的几何中心线的夹角范围为5°～25°。

5.如权利要求4所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述长管和所述短管的长度之差的范围为0～0.3L，所述L为所述长管的长度。

6.如权利要求1或2所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述保持架上开设有通孔结构。

7.如权利要求6所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述通孔结构与所述减涡管沿所述保持架的周向间隔分布。

8.如权利要求7所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述通孔结构与其相邻的所述减涡管的几何中心线的夹角范围为5°～25°。

9.如权利要求7所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述减涡管包括长管和长度小于所述长管的短管，所述长管和所述短管依次布置在每相邻的两所述通孔结构之间。

10.如权利要求9所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：相邻的所述长管和所述短管的几何中心线的夹角及相邻所述短管和所述通孔结构的几何中心线的夹角范围均为5°～15°。

11.如权利要求10所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述长管和所述短管的长度之差的范围为0～0.5L，所述L为所述长管的长度。

12.如权利要求1所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：各所述减涡管的横截面形状为圆形、弓形或马蹄形。

13.如权利要求12所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述弓形具有圆弧和连接该圆弧的两个端点的线段，所述圆弧的中点和所述线段的中点的距离范围为0.5R～1R，所述R为所述圆弧的半径。

14.如权利要求12所述的压气机向心引气减涡器，其特征在于：所述马蹄形的长轴的长度为短轴的长度的2～4倍。

15.一种压气机，其特征在于：包括如权利要求1～14中任一项所述的压气机向心引气减涡器。