CN111441828B - 一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，包括涡轮盘及设置在所述涡轮盘前的导流盘、预旋喷嘴环，高压低温二股气流通过预旋喷嘴环进入预旋气流腔后分成两股：一股通过导流盘周向均布的预旋冷气接收孔沿导流盘后侧的径向导流板进入涡轮盘榫槽底部的轴向通气孔；一股通过导流盘上的封严篦齿环，经导流盘前侧上方的倾斜导流板预旋增压后，与来自导向器安装边周向均布的冷气冲击孔的冷气汇合后，通过涡轮转静子间隙进入主流道。本发明的发动机涡轮盘腔结构能够降低冷却空气的相对总温，加强冷气与涡轮盘对流换热，并对轮缘封严气体进行预旋增压，提高封严效果，减少封严气体与主流掺混损失。

Description

一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机技术领域，涉及涡轮部件盘腔二次空气***冷却封严结构，尤其涉及一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，通过合理设计预旋喷嘴几何参数、在导流盘不同位置布置不同形式的导流片，能够降低冷却空气的相对总温、减小流动损失，并对轮缘封严气体进行预旋增压，提高封严效果，减少封严气体与主流掺混损失。同时，结构简单，加工、装拆方便，以满足高性能涡轮的要求。

背景技术

随着航空发动机推重比要求提高，现代发动机涡轮前进口温度越来越高，已大大超出了金属所能承受的温度能力。目前工程中主要通过从压气机引入低温气流，通过篦齿等封严结构进入涡轮盘腔，由低半径的涡轮盘心向高半径盘缘流动以冷却涡轮盘，最后从涡轮转静子根部排入主流道以封严转静子根部，防止主流高温燃气倒灌进入涡轮盘腔。

在传统的燃气轮机、航空发动机的涡轮盘腔结构设计中，往往存在以下四个问题：①冷气沿上述流路的流动往往经过不规则的盘腔、篦齿等封严结构发展，沿程温升和压力损失较大，大大影响了冷却和封严效果；②涡轮盘旋转导致的摩擦泵效应不断地将盘腔内的空气泵出，使腔内的压力降低，当泵出流量大于冷气供给流量时，在涡轮盘轮缘处发生燃气倒灌；③在主流道中转静子的相互干涉，造成主燃气的周向压力波动，会在涡轮盘轮缘处形成燃气倒灌；④轮缘封严气体对轮缘下游的主流区的叶型负荷、二次流分布和气动性能都造成了明显的影响，并且封严流量越大，造成的效果越明显。因此，迫切需要提出一种工程上可行、低阻降温、能防止燃气倒灌、减少封严气体与主流掺混损失的新颖涡轮盘腔结构。

发明内容

针对传统发动机涡轮盘腔结构设计中所面临的上述技术问题，本发明提出了一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，通过合理设计预旋喷嘴的几何参数、在导流盘不同位置布置不同形式的导流片，能够降低冷却空气的相对总温、减小流动损失，并对轮缘封严气体进行预旋增压，提高封严效果，减少封严气体与主流掺混损失。同时，结构简单，加工、装拆方便，以满足高性能涡轮的要求。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，包括涡轮盘及设置在所述涡轮盘前的导流盘、预旋喷嘴环，其特征在于，

所述导流盘通过其中心孔紧固且密封地设置在所述涡轮盘的前端轮毂上，所述导流盘的后侧与所述涡轮盘的前侧之间围成的空间形成涡轮盘腔；

所述预旋喷嘴环的外边缘固定且密封地设置在高压转子轴承座安装边的内侧壁上，所述预旋喷嘴环的后侧与所述导流盘的前侧之间围成的空间形成预旋气流腔；

所述预旋喷嘴环低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋喷嘴，各所述预旋喷嘴的一侧与气源连通、另一侧与所述预旋气流腔连通，所述气源中的高压低温二股气流通过各所述预旋喷嘴膨胀加速并产生一与所述涡轮盘旋转方向基本相同的周向速度，从而形成预旋冷气进入所述预旋气流腔；

所述导流盘低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋冷气接收孔，各所述预旋冷气接收孔的一侧与所述预旋气流腔连通、另一侧与所述涡轮盘腔连通，所述预旋气流腔中的预旋冷气通过各所述预旋冷气接收孔进入所述涡轮盘腔；

所述导流盘的后侧壁面上沿周向均匀设置有多个沿径向延伸的径向导流板，且每一所述径向导流板在径向上位于所述预旋冷气接收孔的径向外侧与所述涡轮盘的叶片榫槽的径向内侧之间，且所述涡轮盘的叶片榫槽位置处设置有轴向通气孔，且所述导流盘的后侧壁面的外边缘以密封的方式抵接在所述涡轮盘的前侧壁面上，且二者的抵接位置在径向上位于所述涡轮盘的叶片榫槽的径向外侧；

所述导流盘的前侧壁面的外边缘处设置有与所述涡轮盘的旋转方向基本相同的倾斜导流板，用以对封严气体进行预旋增压。

优选地，所述高压转子轴承座安装边的内侧壁上还固定且密封地设置一第一环形前挡板，所述第一环形前挡板与所述高压转子轴承座安装边的内侧壁、预旋喷嘴环的前侧壁之间围成的空间形成为第一集气腔，所述高压转子轴承座安装边的壁面上沿周向均匀设置有多个第一径向进气孔，各所述第一径向进气孔用以向所述第一集气腔引入高压低温二股气流，各所述预旋喷嘴的一侧与所述第一集气腔连通、另一侧与所述预旋气流腔连通，所述第一集气腔形成为所述气源。

进一步地，所述高压转子轴承座安装边在径向上位于大弯管安装边的内侧，所述高压转子轴承座安装边的外侧壁与所述大弯管安装边的内侧壁之间设置一第二环形前挡板，所述第二环形前挡板与所述高压转子轴承座安装边的外侧壁、大弯管安装边的内侧壁之间围成的空间形成为第二集气腔，所述大弯管安装边的壁面上沿周向均匀设置有多个第二径向进气孔，各所述第二径向进气孔用以向所述第二集气腔通入高压低温二股气流，各所述第一径向进气孔的一侧均与所述第二集气腔连通、另一侧均与所述第一集气腔连通，用以将所述第二集气腔中的高压低温二股气流通入所述第一集气腔中。

进一步地，所述第一径向进气孔的孔径小于所述所述第二径向进气孔的孔径。

进一步地，所述大弯管安装边在径向上位于大弯管内环的内侧，所述大弯管内环的后端与涡轮导向器内环的前端密封搭接，所述涡轮导向器内环的内壁上设置一环形法兰安装边，所述大弯管安装边的后端以翻边的形式固定且密封地安装在所述环形法兰安装边上，所述大弯管安装边的上游段上形成一环形凸起，所述环形凸起的顶端以密封的方式抵接在所述大弯管内环的内壁上，使得所述大弯管安装边、大弯管内环、涡轮导向器内环之间围成的空间形成为第三集气腔，所述涡轮导向器内环的外壁上沿周向均布多个带有中空通道的涡轮导向器叶片，所述涡轮导向器内环的壁面上对应每一所述涡轮导向器叶片的中空通道设置有多个第三径向进气孔，每一所述中空通道的顶部从压气机引入高压低温二股气流、底部通过对应的第三径向进气孔与所述第三集气腔连通，用以向所述第三集气腔通入高压低温二股气流，各所述第二径向进气孔的一侧均与所述第二集气腔连通、另一侧均与所述第三集气腔连通，用以将所述第三集气腔中的高压低温二股气流通入所述第二集气腔中。

进一步地，所述第三径向进气孔的孔径小于所述第二径向进气孔的孔径。

进一步地，所述涡轮导向器内环的环形法兰安装边上沿周向均匀设置多个冷气冲击孔，各所述冷气冲击孔的孔径小于所述第二径向进气孔、第三径向进气孔的孔径，且各所述冷气冲击孔的中心线正对所述涡轮盘的外轮缘与所述涡轮导向器内环的后端形成的涡轮转静子间隙。

优选地，所述导流盘与所述涡轮盘的形状相适配，所述导流盘的前侧壁面上在低半径位置处至少设置两道封严篦齿环，其中，第一道封严篦齿环在径向上位于各所述预旋喷嘴的径向内侧，且与所述预旋喷嘴环相互抵接形成第一密封结构，用以实现所述预旋气流腔底部的密封；第二道封严篦齿环在径向上位于各所述预旋喷嘴的径向外侧，且与设置在所述涡轮导向器内环的环形法兰安装边上的一环形构件的底端相互抵接形成第二密封结构，将所述预旋气流腔分割为大致呈上下布置的两个空间。

本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其工作原理为：

由压气机引入的高压低温二股气流通过涡轮导向器叶片的中空通道及设置在涡轮导向器内环上的第三径向进气孔进入第三集气腔中，之后通过第二径向进气孔进入第二集气腔中，随后通过周向均布的第一径向进气孔进入第一集气腔后，再通过周向均布预旋喷嘴进入预旋气流腔；进入预旋气流腔的气流分成两股：一股通过周向均布的预旋冷气接收孔沿导流盘后侧的径向导流板进入涡轮盘榫槽底部的轴向通气孔；一股依次通过导流盘前侧的第二道封严篦齿环、导流盘前侧上方的倾斜导流板，与来自导向器法兰安装边周向均布的冷气冲击孔的冷气汇合后，通过涡轮转静子间隙进入主流道。

优选地，所述预旋喷嘴环的外边缘焊接在所述高压转子轴承座安装边的内侧壁上。

优选地，所述导流盘和涡轮盘上设有相互配合的定位传扭齿并通过连接块进行紧固连接，并采用螺旋挡圈进行轴向定位。

优选地，每一所述径向导流板的上缘设置有与所述涡轮盘的定位凸台，以增加所述导流盘的刚性。

进一步地，所述导流盘后侧壁面上的径向导流板为径向楔形导流片，其数量与所述预旋冷气接收孔的数量成倍数关系，其径向长度覆盖所述预旋冷气接收孔径向外侧到所述径向导流板的定位凸台之间80％以上长度，其高度为所述涡轮盘腔轴向宽度的60％以上，其顶部的定位凸台的宽度为4～6mm。

优选地，所述导流盘的后侧壁面的外边缘处设置有金属密封圈，从而实现所述导流盘的后侧壁面的外边缘与所述涡轮盘的前侧壁面之间的封严。

进一步地，所述导流盘的前侧壁面的外边缘处设置有向外凸出的环形加厚凸台结构，各所述倾斜导流板沿周向设置在所述环形加厚凸台上，用以防止工作状态在离心力作用下，所述导流盘外缘会向前侧倾斜而导致所述金属密封圈封严失效。优选地，所述预旋气流腔的轴向宽度为4mm～10mm，所述涡轮盘腔的轴向宽度为3mm～6mm。

优选地，各所述预旋喷嘴的预旋角度基本相同，且各所述预旋喷嘴的预旋方向与所述涡轮盘旋转方向基本相同。

进一步地，预旋喷嘴截面为圆形或椭圆形孔，沿轴向面积不断减小，入口面积为出口面积1.2～1.5倍，使得所述气源中的高压低温二股气流通过各所述预旋喷嘴时膨胀加速。

优选地，各所述预旋喷嘴的最佳长径比为2.5左右，使气流膨胀加速的同时，可以减少沿程损失和喷嘴结构重量，预旋角度为15°～30°，其中，所述预旋角度为喷嘴轴线与所述预旋喷嘴环盘面投影线的夹角。

优选地，所述预旋喷嘴与预旋冷气接收孔的数量相同或不同。

优选地，各所述预旋冷气接收孔的径向高度位置不低于各所述预旋喷嘴的径向高度位置，使气流以最短路径进入接收孔后，仍保持较高流速，减少接受孔内部涡流。

进一步地，各所述预旋喷嘴的径向高度与各所述预旋冷气接受孔的径向高度位置比为0.8～1.0。

优选地，各所述预旋冷气接收孔的周向倾角基本相同，且各所述预旋冷气接收孔的周向倾斜方向与所述涡轮盘旋转方向基本相同。

进一步地，各所述预旋冷气接收孔的周向倾角为15°～45°，其中，所述周向倾角为预旋冷气接收孔的中心线与所述导流盘盘面投影线的夹角。

优选地，所述导流盘前侧壁面上的倾斜导流板的数量为设置在所述涡轮盘上的转子叶片数的倍数，一方面可以有效防止由于叶盆和叶背主燃气周向压力波动在涡轮盘轮缘处形成的燃气倒灌，一方面减少通过倾斜导流板的二次流与主流的掺混损失。

优选地，相邻两所述倾斜导流板之间形成的流动通道为扩张通道，对封严气体进行增压，防止燃气倒灌。

优选地，各所述倾斜导流板的倾斜角为30～60°，厚度为1～1.5mm，高度为2～2.5mm，其中，所述倾斜角为倾斜导流板与导流盘水平向右方向的夹角。

与现有涡轮盘腔结构比较，本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构具有以下优点：①高压低温二股气流在预旋喷嘴中膨胀加速，使其本身静温降低，同时使其产生一个与涡轮盘旋转方向相同的周向速度，降低了冷却空气与转盘间的相对速度，从而降低了冷却空气相对于涡轮叶片的总温，提高了冷却效果；②设置在导流盘后侧壁面上的径向导流板与涡轮盘形成狭窄的盘腔，可以增强对流换热，提高温降系数；③设置在导流盘前侧壁面上方的与转子旋转方向相同的倾斜导流板，能够对轮缘封严气体进行预旋增压，提高封严效果，减少封严气体与主流掺混损失；④导流盘上设置了前侧上缘的加厚凸台，后侧设置了与涡轮盘的定位台，且采用周向齿、连接块、螺旋挡圈与涡轮盘连接，工作变形小，连接刚性好，加工装拆方便。

附图说明

本发明的其他特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的具体实施方式更好地理解，附图中，相同的附图标记标识相同或相似的部件，其中：

图1为本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构示意图；

图2为径向导流板的三维局部放大图；

图3为倾斜导流板的三维局部放大图；

图4为本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构中的气体流路示意图；

图中：

1-第三径向通气孔，2-第二径向通气孔，3-第二环形前挡板，4-第一径向进气孔，5-第一集气腔，6-预旋喷嘴，7-封严篦齿环，8-连接块，9-预旋冷气接收孔，10-封严篦齿环，11-径向导流板，12-定位凸台，13-金属密封圈，14-环形加厚凸台，15-螺旋挡圈，16-预旋气流腔，17-第二集气腔，18-倾斜导流板，19-第一环形前挡板，20-冷气冲击孔，21-涡轮盘，22-导流盘，23-预旋喷嘴环，24-高压转子轴承座安装边，25-大弯管安装边，26-大弯管内环，27-第三集气腔

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作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结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

图1示出了一种典型涡扇发动机采用本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构时的情形。如图1所示，本发明的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，包括涡轮盘21及设置在涡轮盘21前的导流盘22、预旋喷嘴环23。导流盘22通过其中心孔紧固且密封地设置在涡轮盘21的前端轮毂上，具体地，导流盘22和涡轮盘21上设有相互配合的定位传扭齿并通过连接块8进行紧固连接，并采用螺旋挡圈15进行轴向定位，导流盘22的后侧与涡轮盘21的前侧之间围成的空间形成涡轮盘腔；预旋喷嘴环23的外边缘固定且密封地设置在高压转子轴承座安装边24的内侧壁上，预旋喷嘴环23的后侧与导流盘22的前侧之间围成的空间形成预旋气流腔16；预旋气流腔的轴向宽度为4mm～10mm，涡轮盘腔的轴向宽度为3mm～6mm。

预旋喷嘴环23低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋喷嘴6，各预旋喷嘴6的一侧与气源连通、另一侧与预旋气流腔16连通，气源中的高压低温二股气流通过各预旋喷嘴6时膨胀加速，并产生一与涡轮盘21旋转方向至少基本相同的周向速度，从而形成预旋冷气进入预旋气流腔16，其中，导流盘22低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋冷气接收孔9，各预旋冷气接收孔9的一侧与预旋气流腔16连通、另一侧与涡轮盘腔连通，预旋气流腔16中的预旋冷气通过各预旋冷气接收孔9进入涡轮盘腔；导流盘22的后侧壁面上沿周向均匀设置有多个沿径向延伸的径向导流板11(如图2所示)，且每一径向导流板11在径向上位于预旋冷气接收孔9的径向外侧与涡轮盘21的叶片榫槽的径向内侧之间，且涡轮盘21的叶片榫槽位置处设置有轴向通气孔，且导流盘22的后侧壁面的外边缘以密封的方式抵接在涡轮盘21的前侧壁面上，且二者的抵接位置在径向上位于涡轮盘21的叶片榫槽的径向外侧；导流盘22的前侧壁面的径向外边缘处设置有与涡轮盘21的旋转方向至少基本相同的倾斜导流板18(如图3所示)，用以对封严气体进行预旋增压。

进一步地，每一径向导流板11的上缘设置有与涡轮盘21进行定位的定位凸台12，以增加导流盘22的刚性。每一径向导流板11为径向楔形导流片，其数量与预旋冷气接收孔9的数量成倍数关系，其径向长度覆盖预旋冷气接收孔9径向外侧到径向导流板11的定位凸台12之间80％以上长度，其高度为涡轮盘腔轴向宽度的60％以上，其顶部的定位凸台12的宽度为4～6mm。导流盘22的后侧壁面的外边缘处设置有金属密封圈13，从而实现导流盘22的后侧壁面的外边缘与涡轮盘21的前侧壁面之间的封严。导流盘22的前侧壁面的外边缘处设置有向外凸出的环形加厚凸台13，各倾斜导流板18沿周向设置在环形加厚凸台14上，用以防止工作状态在离心力作用下，导流盘22外缘会向前侧倾斜而导致金属密封圈13封严失效。

高压转子轴承座安装边24的内侧壁上还固定且密封地设置一第一环形前挡板19，第一环形前挡板19与高压转子轴承座安装边24的内侧壁、预旋喷嘴环的前侧壁之间围成的空间形成为第一集气腔5，高压转子轴承座安装边24的壁面上沿周向均匀设置有多个第一径向进气孔4，各第一径向进气孔4用以向第一集气腔5引入高压低温二股气流，各预旋喷嘴6的一侧与第一集气腔5连通、另一侧与预旋气流腔连通，第一集气腔5形成为气源。

高压转子轴承座安装边24在径向上位于大弯管安装边25的内侧，高压转子轴承座安装边24的外侧壁与大弯管安装边25的内侧壁之间设置一第二环形前挡板3，第二环形前挡板3与高压转子轴承座安装边24的外侧壁、大弯管安装边25的内侧壁之间围成的空间形成为第二集气腔17，大弯管安装边25的壁面上沿周向均匀设置有多个第二径向进气孔2，各第二径向进气孔2用以向第二集气腔17通入高压低温二股气流，各第一径向进气孔4的一侧均与第二集气腔17连通、另一侧均与第一集气腔5连通，用以将第二集气腔17中的高压低温二股气流通入第一集气腔5中。

大弯管安装边25在径向上位于大弯管内环26的内侧，大弯管内环26的后端与涡轮导向器内环的前端密封搭接，涡轮导向器内环的内壁上形成一环形法兰安装边，大弯管安装边25的后端以翻边的形式固定且密封地安装在环形法兰安装边上，大弯管安装边25的上游段上形成一环形凸起，环形凸起的顶端以密封的方式抵接在大弯管内环26的内壁上，使得大弯管安装边25、大弯管内环26、涡轮导向器内环之间围成的空间形成为第三集气腔27，涡轮导向器内环的外壁上沿周向均布有多个带有中空通道的涡轮导向器叶片，涡轮导向器内环的壁面上对应每一涡轮导向器叶片的中空通道设置有多个第三径向进气孔1，每一中空通道的顶部从压气机引入高压低温二股气流、底部通过对应的第三径向进气孔1与第三集气腔27连通，用以向第三集气腔27通入高压低温二股气流，各第二径向进气孔2的一侧均与第二集气腔17连通、另一侧均与第三集气腔27连通，用以将第三集气腔27中的高压低温二股气流通入第二集气腔17中。

涡轮导向器内环的环形法兰安装边上沿周向均匀设置多个冷气冲击孔20，各冷气冲击孔20的孔径小于第二径向进气孔2、第三径向进气孔1的孔径，且各冷气冲击孔20的中心线正对涡轮盘的外轮缘与涡轮导向器内环的后端形成的涡轮转静子间隙。

导流盘22与涡轮盘21的形状相适配，导流盘22的前侧壁面上在低半径位置处至少设置两道封严篦齿环，其中，第一道封严篦齿环7在径向上位于各预旋喷嘴6的径向内侧，且与预旋喷嘴环23相互抵接形成第一密封结构，用以实现预旋气流腔16底部的密封；第二道封严篦齿环10在径向上位于各预旋喷嘴6的径向外侧，且与设置在涡轮导向器内环的环形法兰安装边上的一环形构件的底端相互抵接形成第二密封结构，将预旋气流腔16分割为大致呈上下布置的两个空间。

如图4所示，由压气机引入的高压低温二股气流通过涡轮导向器叶片的中空通道及周向均布设置在涡轮导向器内环上的第三径向进气孔1进入第三集气腔27中，之后通过第二径向进气孔2后进入第二集气集气腔17，然后通过周向均布的第一径向进气孔4进入第一集气腔5，进而通过周向均布预旋喷嘴6进入预旋气流腔16；与来自封严篦齿环7进入预旋气流腔16的气流汇合后分成两股：一股通过周向均布的预旋冷气接收孔9沿径向导流板11进入涡轮盘榫槽底部的轴向通气孔，一股通过封严篦齿环10、倾斜导流板18进入主流道。预旋喷嘴环23焊接在轴承座安装边上，与第一环形前挡板19形成第一集气腔5，与导流盘22形成预旋气流腔16；导流盘22和涡轮盘21上设计有定位传扭齿并通过连接块8连接，采用螺旋挡圈15轴向定位；导流盘22在不同半径高度设置有封严篦齿环7、10，预旋冷气接收孔9。导流盘22右侧设置有周向均布的较长的径向导流板11，与涡轮盘面形成狭长的盘腔。且在该导流板11的上缘设置有与涡轮盘的定位凸台12，增加刚性。导流盘22左侧上方设置有与转子旋转方向相同的倾斜导流板18，对封严气体进行预旋增压；导流盘22右侧上方设置有金属密封圈13；导流盘22左侧外缘进行加厚凸台设计，防止工作状态离心力作用下导流盘外缘会向前侧倾斜，导致金属密封圈13封严失效。预旋气流腔16轴向宽度为4mm～10mm，旋转盘腔宽度为3mm～6mm。预旋喷嘴6最佳长径比为2.5左右，预旋角度15°～30°(喷嘴预旋角度是喷嘴轴线与其在盘面投影线的夹角)，预旋孔与接收孔数量相同或不同，预旋喷嘴径向位置与接受孔径向位置比0.8～1.0，接收孔周向倾角15°～45°。导流盘22后侧的径向导流板11为径向楔形导流片，数量与接收孔数量成倍数关系，径向长度覆盖接收孔上方到导流板定位凸台80％以上长度，高度为旋转盘腔宽度的0.6以上，楔形导流片顶部定位凸台宽度为4～6mm；导流盘22左侧上方的倾斜导流板18数量为转子叶片数的倍数，相邻两倾斜导流板18组成的流动通道为扩张通道，每一倾斜导流板18的倾斜角30～60°，厚度为1～1.5mm，高度为2～2.5mm。

本发明的带预旋喷嘴和导流盘的涡轮盘腔结构中，高压低温二股气流在预旋喷嘴中膨胀加速，使其本身静温降低，同时使其产生一个与涡轮盘旋转方向相同的周向速度，降低了冷却空气与转盘间的相对速度，从而降低了冷却空气相对于涡轮叶片的总温，提高了冷却效果；导流盘右侧径向导流板与涡轮盘形成狭窄的盘腔，可以增强对流换热，提高温降系数；导流盘左侧上方设置的与转子旋转方向相同的倾斜导流板，能够对轮缘封严气体进行预旋增压，提高封严效果，减少封严气体与主流掺混损失；导流板设置了左侧上缘加厚凸台，右侧设置了与涡轮盘定位台，且采用周向齿、连接块、螺旋挡圈与涡轮盘连接，工作变形小，连接刚性好，加工装拆方便。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (23)

1.一种带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，包括涡轮盘及设置在所述涡轮盘前的导流盘、预旋喷嘴环，其特征在于，

所述导流盘通过其中心孔紧固且密封地设置在所述涡轮盘的前端轮毂上，所述导流盘的后侧与所述涡轮盘的前侧之间围成的空间形成涡轮盘腔；

所述预旋喷嘴环的外边缘固定且密封地设置在高压转子轴承座安装边的内侧壁上，所述预旋喷嘴环的后侧与所述导流盘的前侧之间围成的空间形成预旋气流腔；

所述预旋喷嘴环低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋喷嘴，各所述预旋喷嘴的一侧与气源连通、另一侧与所述预旋气流腔连通，所述气源中的高压低温二股气流通过各所述预旋喷嘴膨胀加速并产生一与所述涡轮盘旋转方向基本相同的周向速度，从而形成预旋冷气进入所述预旋气流腔；

所述导流盘低半径处的壁面上沿周向均匀设置有多个预旋冷气接收孔，各所述预旋冷气接收孔的一侧与所述预旋气流腔连通、另一侧与所述涡轮盘腔连通，所述预旋气流腔中的预旋冷气通过各所述预旋冷气接收孔进入所述涡轮盘腔；

所述导流盘的后侧壁面上沿周向均匀设置有多个沿径向延伸的径向导流板，且每一所述径向导流板在径向上位于所述预旋冷气接收孔的径向外侧与所述涡轮盘的叶片榫槽的径向内侧之间，且所述涡轮盘的叶片榫槽位置处设置有轴向通气孔，且所述导流盘的后侧壁面的外边缘以密封的方式抵接在所述涡轮盘的前侧壁面上，且二者的抵接位置在径向上位于所述涡轮盘的叶片榫槽的径向外侧；

所述导流盘的前侧壁面的外边缘处设置有与所述涡轮盘的旋转方向基本相同的倾斜导流板，用以对封严气体进行预旋增压；

所述高压转子轴承座安装边的内侧壁上还固定且密封地设置一第一环形前挡板，所述第一环形前挡板与所述高压转子轴承座安装边的内侧壁、预旋喷嘴环的前侧壁之间围成的空间形成为第一集气腔，所述高压转子轴承座安装边的壁面上沿周向均匀设置有多个第一径向进气孔，各所述第一径向进气孔用以向所述第一集气腔引入高压低温二股气流，各所述预旋喷嘴的一侧与所述第一集气腔连通、另一侧与所述预旋气流腔连通，所述第一集气腔形成为所述气源；

所述高压转子轴承座安装边在径向上位于大弯管安装边的内侧，所述高压转子轴承座安装边的外侧壁与所述大弯管安装边的内侧壁之间设置一第二环形前挡板，所述第二环形前挡板与所述高压转子轴承座安装边的外侧壁、大弯管安装边的内侧壁之间围成的空间形成为第二集气腔，所述大弯管安装边的壁面上沿周向均匀设置有多个第二径向进气孔，各所述第二径向进气孔用以向所述第二集气腔通入高压低温二股气流，各所述第一径向进气孔的一侧均与所述第二集气腔连通、另一侧均与所述第一集气腔连通，用以将所述第二集气腔中的高压低温二股气流通入所述第一集气腔中；

所述大弯管安装边在径向上位于大弯管内环的内侧，所述大弯管内环的后端与涡轮导向器内环的前端密封搭接，所述涡轮导向器内环的内壁上设置一环形法兰安装边，所述大弯管安装边的后端以翻边的形式固定且密封地安装在所述环形法兰安装边上，所述大弯管安装边的上游段上形成一环形凸起，所述环形凸起的顶端以密封的方式抵接在所述大弯管内环的内壁上，使得所述大弯管安装边、大弯管内环、涡轮导向器内环之间围成的空间形成为第三集气腔，所述涡轮导向器内环的外壁上沿周向均布多个带有中空通道的涡轮导向器叶片，所述涡轮导向器内环的壁面上对应每一所述涡轮导向器叶片的中空通道设置有多个第三径向进气孔，每一所述中空通道的顶部从压气机引入高压低温二股气流、底部通过对应的第三径向进气孔与所述第三集气腔连通，用以向所述第三集气腔通入高压低温二股气流，各所述第二径向进气孔的一侧均与所述第二集气腔连通、另一侧均与所述第三集气腔连通，用以将所述第三集气腔中的高压低温二股气流通入所述第二集气腔中。

2.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述第一径向进气孔的孔径小于所述第二径向进气孔的孔径。

3.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述第三径向进气孔的孔径小于所述第二径向进气孔的孔径。

4.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述涡轮导向器内环的环形法兰安装边上沿周向均匀设置多个冷气冲击孔，各所述冷气冲击孔的孔径小于所述第二径向进气孔、第三径向进气孔的孔径，且各所述冷气冲击孔的中心线正对所述涡轮盘的外轮缘与所述涡轮导向器内环的后端形成的涡轮转静子间隙。

5.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘与所述涡轮盘的形状相适配，所述导流盘的前侧壁面上在低半径位置处至少设置两道封严篦齿环，其中，第一道封严篦齿环在径向上位于各所述预旋喷嘴的径向内侧，且与所述预旋喷嘴环相互抵接形成第一密封结构，用以实现所述预旋气流腔底部的密封；第二道封严篦齿环在径向上位于各所述预旋喷嘴的径向外侧，且与设置在所述涡轮导向器内环的环形法兰安装边上的一环形构件的底端相互抵接形成第二密封结构，将所述预旋气流腔分割为大致呈上下布置的两个空间。

6.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述预旋喷嘴环的外边缘焊接在所述高压转子轴承座安装边的内侧壁上。

7.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘和涡轮盘上设有相互配合的定位传扭齿并通过连接块进行紧固连接，并采用螺旋挡圈进行轴向定位。

8.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，每一所述径向导流板的上缘设置有与所述涡轮盘的定位凸台，以增加所述导流板的刚性。

9.根据权利要求8所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘后侧壁面上的径向导流板为径向楔形导流片，其数量与所述预旋冷气接收孔的数量成倍数关系，其径向长度覆盖所述预旋冷气接收孔径向外侧到所述径向导流板的定位凸台之间80％以上长度，其高度为所述涡轮盘腔轴向宽度的60％以上，其顶部的定位凸台的宽度为4～6mm。

10.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘的后侧壁面的外边缘处设置有金属密封圈，从而实现所述导流盘的后侧壁面的外边缘与所述涡轮盘的前侧壁面之间的封严。

11.根据权利要求10所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘的前侧壁面的外边缘处设置有向外凸出的环形加厚凸台结构，各所述倾斜导流板沿周向设置在所述环形加厚凸台上，用以防止工作状态在离心力作用下，所述导流盘外缘会向前侧倾斜而导致所述金属密封圈封严失效。

12.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述预旋气流腔的轴向宽度为4mm～10mm，所述涡轮盘腔的轴向宽度为3mm～6mm。

13.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋喷嘴的预旋角度基本相同，且各所述预旋喷嘴的预旋方向与所述涡轮盘旋转方向基本相同。

14.根据权利要求13所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，预旋喷嘴截面为圆形或椭圆形孔，沿轴向面积不断减小，入口面积为出口面积1.2～1.5倍，使得所述气源中的高压低温二股气流通过各所述预旋喷嘴时膨胀加速。

15.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋喷嘴的最佳长径比为2.5左右，使气流膨胀加速的同时，可以减少沿程损失和喷嘴结构重量，预旋角度为15°～30°，其中，所述预旋角度为喷嘴轴线与所述预旋喷嘴环盘面投影线的夹角。

16.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述预旋喷嘴与预旋冷气接收孔的数量相同或不同。

17.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋冷气接收孔的径向高度位置不低于各所述预旋喷嘴的径向高度位置，使气流以最短路径进入接收孔后，仍保持较高流速，减少接受孔内部涡流。

18.根据权利要求17所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋喷嘴的径向高度与各所述预旋冷气接受孔的径向高度位置比为0.8～1.0。

19.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋冷气接收孔的周向倾角基本相同，且各所述预旋冷气接收孔的周向倾斜方向与所述涡轮盘旋转方向基本相同。

20.根据权利要求19所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述预旋冷气接收孔的周向倾角为15°～45°，其中，所述周向倾角为预旋冷气接收孔的中心线与所述导流盘盘面投影线的夹角。

21.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，所述导流盘前侧壁面上的倾斜导流板的数量为设置在所述涡轮盘上的转子叶片数的倍数，一方面可以有效防止由于叶盆和叶背主燃气周向压力波动在涡轮盘轮缘处形成的燃气倒灌，一方面减少通过倾斜导流板的二次流与主流的掺混损失。

22.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，相邻两所述倾斜导流板之间形成的流动通道为扩张通道，对封严气体进行增压，防止燃气倒灌。

23.根据权利要求1所述的带预旋喷嘴和导流盘的发动机涡轮盘腔结构，其特征在于，各所述倾斜导流板的倾斜角为30～60°，厚度为1～1.5mm，高度为2～2.5mm，其中，所述倾斜角为倾斜导流板与导流盘水平向右方向的夹角。

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