CN107448240A - 核心机和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核心机和涡轮发动机，其中，涡轮发动机包括：压气机、燃烧室以及涡轮，涡轮包括涡轮一级动叶，涡轮一级动叶具有靠近燃烧室的前冷却腔和远离燃烧室的后冷却腔，前冷却腔和后冷却腔彼此独立设置，核心机还包括第一冷却流路和第二冷却流路，第一冷却流路能够将压气机末级的末级压缩气体引入到前冷却腔，第二冷却流路能够将压气机非末级的非末级压缩气体引入到后冷却腔。本发明核心机通过从压气机两个不同位置分别引气用于涡轮一级动叶冷却，末级压缩气体和非末级压缩气体共同用于涡轮一级动叶冷却，整体上降低了涡轮一级动叶冷气所需总流量，提高了发动机热效率，降低耗油率。

Description

核心机和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种核心机和涡轮发动机。

背景技术

为了提高民用航空涡扇发动机热效率，降低耗油率，涡轮前进口温度不断的提高，随之带来的问题是，高温部件所需冷气也上升，尤其是双级涡轮。

目前，双级涡轮第一级动叶冷气采用从高压压气机末级引气，经预旋喷嘴后进入第一级动叶片，在第一级动叶片内冷通道充分对流换热后，最终从第一级动叶片前腔和尾缘的孔或劈缝排入主流道中。

现有的传统供气和叶片冷却设计方式至少存在以下两个技术缺陷：

1、不能避免从高压压气机末级引气，高压压气机末级引气降低发动机热效率；

2、从高压压气机末级引气的冷气温度较高，所需冷气量大，进一步降低了发动机热效率。

发明内容

为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种核心机和涡轮发动机，能够提高发动机热效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种核心机，其包括：压气机、燃烧室以及涡轮，涡轮包括涡轮一级动叶，涡轮一级动叶具有靠近燃烧室的前冷却腔和远离燃烧室的后冷却腔，前冷却腔和后冷却腔彼此独立设置，核心机还包括第一冷却流路和第二冷却流路，第一冷却流路能够将压气机末级的末级压缩气体引入到前冷却腔，第二冷却流路能够将压气机非末级的非末级压缩气体引入到后冷却腔。

进一步地，涡轮还包括具有冷却腔室的涡轮二级动叶，第二冷却流路能够将一部分的非末级压缩气体引入到后冷却腔，并将另一部分的非末级压缩气体引入到冷却腔室。

进一步地，涡轮一级动叶的叶根部设有分别与前冷却腔和后冷却腔相通的第一通道和第二通道，第一冷却流路通过第一通道将末级压缩气体引入到前冷却腔，第二冷却流路通过第二通道将非末级压缩气体引入到后冷却腔。

进一步地，涡轮一级动叶的榫头部设有用于隔离末级压缩气体和非末级压缩气体的凸台隔板。

进一步地，第二冷却流路部分地设置在核心机的盘心通道内。

进一步地，压气机为高压压气机，涡轮为高压涡轮，盘心通道包括压气机与低压轴形成的压气机盘心通道、核心机的高压轴和低压轴形成的通道、以及涡轮的涡轮一级盘和低压轴形成的涡轮盘心通道，第二冷却流路包括压气机的非末级盘之间的盘腔、压气机盘心通道、通道以及涡轮盘心通道，压气机的鼓筒上设有进气孔，非末级压缩气体经由进气孔进入盘腔。

进一步地，盘腔内设有减涡装置，进入盘腔内的非末级压缩气体通过减涡装置进入压气机盘心通道。

进一步地，第一冷却流路部分地设置在燃烧室内的燃烧室内环内，核心机还包括设置在燃烧室和前冷却腔之间的预旋喷嘴、接收孔和增压轮，末级压缩气体通过预旋喷嘴、接收孔以及增压轮进入前冷却腔。

进一步地，在涡轮的涡轮一级盘远离燃烧室的后端面上设有增压装置。

本发明还提供了一种涡轮发动机，其包括上述的核心机。

由此，基于上述技术方案，本发明核心机通过从压气机两个不同位置分别引气用于涡轮一级动叶冷却，由于涡轮一级动叶冷气一般从叶片前缘和尾缘排出，前缘排气所需冷气供气压力大，通过设置第一冷却流路，冷却气体引自压气机末级；而尾缘排气所需压力小，通过设置第二冷却流路将冷却气体引自压气机的非末级。末级压缩气体和非末级压缩气体共同用于涡轮一级动叶冷却，降低了压气机末级的末级压缩气体的引气量；而从压气机非末级的非末级压缩气体的温度较低，流量小，因而整体上降低了涡轮一级动叶冷气所需总流量，从而提高发动机热效率，降低耗油率。本发明提供的涡轮发动机相应地也具有上述有益效果。

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仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明核心机实施例的整体结构示意图；

图2为本发明核心机实施例的涡轮部分的结构示意图；

图3为本发明核心机中涡轮一级动叶的叶根部的结构示意图；

图4为本发明核心机中涡轮一级动叶叶根部的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对目前现有的涡轮发动机的末级引气冷却会降低发动机热效率，本发明设计了一种核心机，该核心机通过从压气机末级和非末级两个不同位置分别引气用于涡轮一级动叶冷却，末级压缩气体和非末级压缩气体共同用于涡轮一级动叶冷却，降低了压气机末级的末级压缩气体的引气量；而从压气机非末级的非末级压缩气体的温度较低，流量小，因而整体上降低了涡轮一级动叶冷气所需总流量，从而提高发动机热效率，降低耗油率。

在本发明核心机一个示意性的实施例中，如图1～图4所示，核心机包括：压气机1、燃烧室2以及涡轮，涡轮包括涡轮一级动叶3，涡轮一级动叶3具有靠近燃烧室2的前冷却腔21和远离燃烧室2的后冷却腔20，前冷却腔21和后冷却腔20彼此独立设置，空气进入压气机1并通过压气机1压缩后，进入燃烧室2燃烧，从燃烧室2出来的燃气再带动涡轮一级动叶3。核心机还包括第一冷却流路和第二冷却流路，第一冷却流路能够将压气机1末级的末级压缩气体B引入到前冷却腔21，第二冷却流路能够将压气机1非末级的非末级压缩气体A引入到后冷却腔20。

在该示意性的实施例中，由于涡轮一级动叶冷气一般从叶片前缘和尾缘排出，通过设置第一冷却流路和第二冷却流路，在涡轮一级盘11的离心泵功的作用下，第一冷却流路将压气机末级的末级压缩气体B引入到前冷却腔21，最终从涡轮一级动叶3前缘排入燃气主流通道；而尾缘排气所需压力小，第二冷却流路将压气机1非末级的非末级压缩气体A引入到后冷却腔20，最终从涡轮一级动叶3尾缘排入燃气主流通道，继而进入后段区域5。由于前冷却腔21和后冷却腔20彼此独立设置，进入涡轮一级动叶3的末级压缩气体和非末级压缩气体不会相互窜动。末级压缩气体B和非末级压缩气体A共同用于涡轮一级动叶3冷却，降低了压气机1末级的末级压缩气体B的引气量；而从压气机1非末级的非末级压缩气体A的温度较低，流量小，因而整体上降低了涡轮一级动叶3冷气所需总流量，从而提高发动机热效率，降低耗油率。

其中，涡轮一级动叶3设有分别与前冷却腔21和后冷却腔20相通的前缘冷却孔和尾缘冷却孔，前缘冷却孔和尾缘冷却孔优选地呈劈缝的结构形式，末级压缩气体B进入前冷却腔21后经由前缘冷却孔进入涡轮的流道，非末级压缩气体A进入后冷却腔20后经由尾缘冷却孔进入涡轮的流道。

需要说明的是，非末级压缩气体A的引气位置可以是压气机1的中间级，也可以是压气机的前几级，并不局限于第几级，只要供气压力足够，尽可能地从压气机靠前级位置引气。

作为对上述实施例的改进，如图1和图2所示，涡轮还包括具有冷却腔室22的涡轮二级动叶4，第二冷却流路能够将一部分的非末级压缩气体A，即非末级压缩气体Aa引入到后冷却腔20，并将另一部分的非末级压缩气体A，即非末级压缩气体Ab引入到冷却腔室22，这样非末级压缩气体还可以对涡轮二级动叶4进行冷却，相较于单独为涡轮二级动叶4设置冷却流路简化了结构，提高了流路利用率，符合现有的轻量化设计需要。当然，非末级压缩气体A也可以只用于对涡轮一级动叶3冷却，而对涡轮二级动叶4的冷却可以从压气机1的其他位置引气，在此不一一列举。

具体而言，在一个优选的实施例中，如图4所示，涡轮一级动叶3的叶根部23设有分别与前冷却腔21和后冷却腔20相通的第一通道25、26和第二通道27、28，第一冷却流路通过第一通道25、26将末级压缩气体B引入到前冷却腔21，第二冷却流路通过第二通道27、28将非末级压缩气体A引入到后冷却腔20。通过设置第一通道25、26和第二通道27、28，末级压缩气体B和非末级压缩气体A均从涡轮一级动叶3的叶根23的底部进入涡轮一级动叶3进行冷却，相较于从发动机静子部件进气，再从盘腔供气的的方式，可靠稳定性更好，冷却效率更高。进一步优选地，为了防止从叶根底部进入涡轮一级动叶3的末级压缩气体B和非末级压缩气体A相互窜动而影响冷却和排气，如图4所示，涡轮一级动叶3的榫头部设有用于隔离末级压缩气体B和非末级压缩气体A的凸台隔板24。

对于第二冷却流路的设置方式，在一个优选的实施例中，第二冷却流路部分地设置在核心机的盘心通道内，这样能够避免采用核心机外部管路引气，从而无需设置外置管路，节省占用空间。

在一个具体的优选实施例中，如图1所示，压气机1为高压压气机，涡轮为高压涡轮，后段区域5为高低压涡轮过渡段。盘心通道包括压气机1与低压轴7形成的压气机盘心通道14、核心机的高压轴6和低压轴7形成的通道15、以及涡轮的涡轮一级盘11和低压轴7形成的涡轮盘心通道16，第二冷却流路包括压气机1的非末级盘之间的盘腔13、压气机盘心通道14、通道15以及涡轮盘心通道16，压气机1的鼓筒8上设有进气孔，非末级压缩气体A经由进气孔进入盘腔13。以如图1所示的核心机结构为例，鼓筒8在压气机盘9和10之间的位置处设置进气孔，非末级压缩气体A从进气孔进入非末级盘压气机盘9和10之间的盘腔13，通过压气机后几级的压气机盘心通道14、通道15以及盘心通道16，到达涡轮一级盘11和二级盘12形成的双级高压涡轮盘腔17和18，优选地，在涡轮的涡轮一级盘11远离燃烧室2的后端面上设有增压装置，也就是说在高压涡轮盘腔17设置增压装置，为进入后冷却腔20的非末级压缩气体Aa提供更好的离心泵功。

如图1和2所示，一部分非末级压缩气体Aa在涡轮一级盘11的离心泵功下，进入涡轮一级动叶后冷却腔20，最终从涡轮一级动叶3尾缘排入燃气主流通道；另外一部分非末级压缩气体Ab，在涡轮二级盘12的离心泵功下，进入涡轮二级动叶4的冷却腔室22，最终排入燃气主流通道。

在一个进一步优选的实施例中，盘腔13内设有减涡装置，进入盘腔13内的非末级压缩气体A通过减涡装置进入压气机盘心通道14。减涡装置能够减少非末级压缩气体A在第一冷却流路中的压力损失，保证冷却效率及流量，减涡装置优选地为管式减涡器，当然也可以根据实际参数不设计相应的减涡装置。

对于第一冷却流路的设置方式，在一个优选的实施例中，如图1和2所示，第一冷却流路部分地设置在燃烧室2内的燃烧室内环19内，核心机还包括设置在燃烧室2和前冷却腔21之间的预旋喷嘴、接收孔和增压轮，末级压缩气体B通过预旋喷嘴、接收孔以及增压轮进入前冷却腔21，从而保证末级压缩气体B无压力损失地进入前冷却腔21，具有较高的可靠稳定性。

本发明还提供了一种涡轮发动机，其包括上述的核心机。由于本发明核心机能够提高发动机热效率，相应地，本发明涡轮发动机也具有上述的有益技术效果，在此不再赘述。

以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核心机，其特征在于，包括：压气机(1)、燃烧室(2)以及涡轮，所述涡轮包括涡轮一级动叶(3)，所述涡轮一级动叶(3)具有靠近所述燃烧室(2)的前冷却腔(21)和远离所述燃烧室(2)的后冷却腔(20)，所述前冷却腔(21)和所述后冷却腔(20)彼此独立设置，所述核心机还包括第一冷却流路和第二冷却流路，所述第一冷却流路能够将所述压气机(1)末级的末级压缩气体(B)引入到所述前冷却腔(21)，所述第二冷却流路能够将所述压气机(1)非末级的非末级压缩气体(A)引入到所述后冷却腔(20)。

2.根据权利要求1所述的核心机，其特征在于，所述涡轮还包括具有冷却腔室(22)的涡轮二级动叶(4)，所述第二冷却流路能够将一部分的所述非末级压缩气体(A)引入到所述后冷却腔(20)，并将另一部分的所述非末级压缩气体(A)引入到所述冷却腔室(22)。

3.根据权利要求1所述的核心机，其特征在于，所述涡轮一级动叶(3)的叶根部(23)设有分别与所述前冷却腔(21)和所述后冷却腔(20)相通的第一通道(25、26)和第二通道(27、28)，所述第一冷却流路通过所述第一通道(25、26)将所述末级压缩气体(B)引入到所述前冷却腔(21)，所述第二冷却流路通过所述第二通道(27、28)将所述非末级压缩气体(A)引入到所述后冷却腔(20)。

4.根据权利要求3所述的核心机，其特征在于，所述涡轮一级动叶(3)的榫头部设有用于隔离所述末级压缩气体(B)和所述非末级压缩气体(A)的凸台隔板(24)。

5.根据权利要求1所述的核心机，其特征在于，所述第二冷却流路部分地设置在所述核心机的盘心通道内。

6.根据权利要求5所述的核心机，其特征在于，所述压气机(1)为高压压气机，所述涡轮为高压涡轮，所述盘心通道包括所述压气机(1)与低压轴(7)形成的压气机盘心通道(14)、所述核心机的高压轴(6)和所述低压轴(7)形成的通道(15)、以及所述涡轮的涡轮一级盘(11)和所述低压轴(7)形成的涡轮盘心通道(16)，所述第二冷却流路包括所述压气机(1)的非末级盘之间的盘腔(13)、所述压气机盘心通道(14)、所述通道(15)以及所述涡轮盘心通道(16)，所述压气机(1)的鼓筒(8)上设有进气孔，所述非末级压缩气体(A)经由所述进气孔进入所述盘腔(13)。

7.根据权利要求6所述的核心机，其特征在于，所述盘腔(13)内设有减涡装置，进入所述盘腔(13)内的所述非末级压缩气体(A)通过所述减涡装置进入所述压气机盘心通道(14)。

8.根据权利要求1所述的核心机，其特征在于，所述第一冷却流路部分地设置在所述燃烧室(2)内的燃烧室内环(19)内，所述核心机还包括设置在所述燃烧室(2)和所述前冷却腔(21)之间的预旋喷嘴、接收孔和增压轮，所述末级压缩气体(B)通过所述预旋喷嘴、所述接收孔以及所述增压轮进入所述前冷却腔(21)。

9.根据权利要求5所述的核心机，其特征在于，在所述涡轮的涡轮一级盘(11)远离所述燃烧室(2)的后端面上设有增压装置。

10.一种涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的核心机。