一种静子件凸台式周期性压力波产生装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种静子件凸台式周期性压力波产生装置，由静子、转子涡轮盘、涡轮转轴组成，静子与转子涡轮盘安装在涡轮转轴上，静子与同轴转子涡轮盘之间形成冷却气流道。通过静子壁面上的凸台结构和转子涡轮盘上的受气孔位置相对应，使得进入转子涡轮盘的气流压力随时间呈现压力波动的特征，并呈现周期性规律变化。通过周期性压力波的作用，使得从受气孔进入的压力波动气流在从叶片底部进入涡轮叶片后，在叶片内冷却通道具有较高的传热速率；压力波气流在从气膜孔喷出叶片表面后，可大幅度提高涡轮叶片的冷却效果，提高叶片工作可靠性及寿命；在相同寿命条件下，大幅度节约冷却气流的使用量，有效地提升整机工作特性。
【专利说明】
一种静子件凸台式周期性压力波产生装置
技术领域
[0001]本发明涉及涡轮叶片冷却技术，具体地说，涉及一种静子件凸台式周期性压力波产生装置。技术背景
[0002]涡轮是燃气轮机或航空发动机的重要部件之一，提高涡轮前进口温度是增加燃气轮机或航空发动机输出功率和工作效率的有效措施。目前涡轮进口温度已达到了2000K左右，远远超过制造涡轮叶片材料的耐温极限，因此必须对涡轮叶片采取冷却技术，以保证涡轮工作的可靠性和稳定性，其主要措施是从压气机抽气对涡轮叶片进行冷却。先进的冷却技术，可通过使用较少冷却气体达到冷却目地，从而有更多的气体参与燃烧并对涡轮做功。
[0003]目前涡轮叶片的冷却技术，主要是在稳定压力或流量供气条件下，对叶片的内部结构及外部气膜孔结构和布局进行改进，以提高冷却效率，并取得了很好的效果，但仍未达到气体的利用极限。已有的研究发现，采用波动压力供气，可进一步提高叶片内部通道换热速率及外部气膜冷却效率，从而更好利用气体对叶片进行冷却，提高冷却效率。
[0004]文南犬Influence of Near Hole Pressure Fluctuat1n on the Thermal Protect1n of a Film-Cooled Flat Plate(J.Heat Transfer.2009；131(2):022202-022202-11.)的研究表明，在波动频率较大的情况下，携带周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有非常好的保护作用，具有比气膜孔稳压射流更好的出流特性和气膜冷却效率；在文南犬Heat transfer enhancement in the oscillating turbulent flow of a pluse combustor tail pipe[J](Int.J.Heat, 1992,35:2311-2325)中研究了波动燃烧器出口气流换热特性，发现波动频率f?约为80Hz的波动气流能大幅度提高系统的换热效率;文献“层流中脉动气流横掠平板强化传热” [J](化工学报，2012，06:1717-1722)的研究表明， 携带压力波动地气流，波动气流有效地强化了等热通量平面的换热性能，同时也增强了气流内部的热传递。
[0005]虽然现有的国内外研究表明周期性压力波动的气流在从叶片底部榫槽进入叶片内部后，在叶片内部冷却通道具有较高的传热速率，压力波气流在从气膜孔喷出叶片表面后具有较高的气膜冷却效果。但大部分研究的压力波动供气来源于压气机产生的波动气流，一方面压气机波动气流在绕过燃烧室进入涡轮叶片内部后，压力波动损失比较大;另一方面，这种压力波动特性并不可控，并不能应用于燃气涡轮获得最理想的换热、冷却效果。
【发明内容】
[0006]为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种静子件凸台式周期性压力波产生装置。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括静子、转子涡轮盘、涡轮转轴， 静子与转子涡轮盘安装在涡轮转轴上;所述静子为凹形圆盘结构，依静子中心轴孔周向均布有若干相同的进气孔，静子内壁面上周向均布若干相同的凸台，且每个凸台、进气孔与中心轴孔径向位于同一直线上，凸台与进气孔数量相同；所述转子涡轮盘上周向均布若干相同的榫槽，榫槽之间有径向冷却孔，转子涡轮盘壁上周向均布有若干相同的受气孔，每个受气孔与对应的榫槽间通过冷却孔相连通，榫槽间安装涡轮转子叶片;静子内壁面上的凸台与转子涡轮盘上的受气孔位置相对，静子与转子涡轮盘之间形成冷却气流道。
[0008]所述静子上的进气孔孔型为圆形或者椭圆形。
[0009]所述静子壁面上的凸台为半圆弧形或者半椭圆形。
[0010]所述转子涡轮盘上的受气孔与冷却孔孔型结构同为圆形或者椭圆形；受气孔、冷却孔与榫槽间的涡轮转子叶片数量相等。[0011 ] 静子与转子祸轮盘之间轴向间隙小于2_。
[0012]在涡轮盘腔中，将静子内壁面上的凸台与转子涡轮盘上的受气孔位置相对，使得进入旋转盘的气流的压力随时间呈现压力波动的特征，并呈现周期性的变化规律。其中，用于涡轮内部冷却的冷却气流从预旋出口流出，一部分气流A从进气孔进入涡轮内部，气流A 的压力是相对稳定的。在气流A进入涡轮盘内后，由于离心力和压差的作用，气流A开始向远离涡轮轴的方向扩散，转化为气流D的流动状态。对于每一个受气孔而言，由于转子涡轮盘的转动作用，相对会有周向间歇的凸台不断地挤压受气孔附近的气流D，在周向均匀分布的凸台的作用下，最终压力稳定的气流D转化为具有周期性压力波动的气流B。一部分气流B转化为气流C进入冷却孔中，被用作涡轮叶片冷却系统的冷却气流，并携带着周期性压力波动；另一部分气流B可流入涡轮内部，用于涡轮其它位置的冷却气流。压力波动气流在从叶片底部进入叶片内部后，在叶片内部冷却通道具有较高的传热速率，压力波气流在从气膜孔喷出叶片表面后具有较高的气膜冷却效果。[0〇13]有益效果
[0014]本发明提出的静子件凸台式周期性压力波产生装置。通过静子壁面上的凸台与转子涡轮盘上的受气孔周期性的作用，将压力稳定的气流转化为周期性压力波动的气流，增强气流进入涡轮叶片后与叶片内壁的换热速率及从叶片气膜孔喷出后的气膜冷却效率，提高对涡轮叶片的冷却效果。
[0015]本发明相对于现有的冷却技术中的压力稳定的气流，该装置所产生的压力波动的气流，能产生更好的叶片冷却效果，提高叶片工作可靠性及寿命;或在相同寿命条件下，大幅度节约冷却气流的使用量。
[0016]本发明具有周期性压力波效应的气流能减少流动系统的流动损失，对于涡轮冷却系统复杂工作环境有更好的适应性；
[0017]本发明压力波的特性可根据叶片内部已有的冷却通道或者气膜孔结构类型进行调整，获得最理想的压力波动特性;或者依据压力波的特征，设计与之相适应的叶片内部结构及气膜孔结构，发挥压力波气流的流动与换热方面最大冷却潜力。
[0018]本发明利用产生出冷却叶片所需要的具有可控波动压力特征的气流，有效地提升整机工作特性。【附图说明】
[0019]下面结合附图和实施方式对本发明一种静子件凸台式周期性压力波产生装置作进一步详细说明。
[0020]图1为静子件凸台式周期性压力波产生装置半剖示意图。
[0021]图2为静子件凸台式周期性压力波产生装置轴向剖视图。
[0022]图3为静子件凸台式周期性压力波产生装置气流出口结构局部放大图。
[0023]图4为静子件凸台式周期性压力波产生装置的静子立体图。[〇〇24]图5a、图5b为静子件凸台式周期性压力波产生装置的转子涡轮盘示意图。
[0025]图中
[0026] 1.静子2.转子涡轮盘3.涡轮转轴4.进气孔5.榫槽6.冷却孔7.受气孔8.凸台[〇〇27] A.流入涡轮盘压力稳定的气流B.具有周期性压力波动的气流
[0028] C.用于涡轮盘外部冷却系统的气流D.涡轮盘腔内气流【具体实施方式】[〇〇29]本实施例是一种静子件凸台式周期性压力波产生装置。[〇〇3〇]参阅图1?图5a、图5b，本实施例静子件凸台式周期性压力波产生装置，由静子1、 转子涡轮盘2、涡轮转轴3组成，静子1与转子涡轮盘2安装在涡轮转轴3上。其中，静子1为凹形圆盘结构，依静子1中心轴孔周向分布有若干相同的冷却气流进气孔4,进气孔4的孔型为圆形或者椭圆形。静子1的凹面上周向加工有若干相同的凸台8,凸台为半圆弧形或者半椭圆形，且每个凸台8、进气孔4与静子1轴孔中心位于同一直线上，凸台8与进气孔4数量相同。 转子祸轮盘2上周向均布若干相同的榫槽5，榫槽5之间开有径向冷却孔6，转子祸轮盘壁上周向均布有若干相同的受气孔7,每个受气孔7与对应的榫槽5间通过冷却孔6相连通，榫槽之间安装涡轮转子叶片。转子涡轮盘2上的受气孔7与冷却孔6孔型结构同为圆形或者椭圆形;受气孔7、冷却孔6与榫槽5间的涡轮转子叶片数量相等。[〇〇31]在工作过程中，用于涡轮内部冷却的冷却气流从预旋出口流出，其中，气流A从进气孔4进入涡轮内部，气流A的压力是相对稳定的，在气流A进入涡轮盘腔内后，由于离心力和压差的作用，气流A开始向远离涡轮轴3的方向扩散，转化为气流D的流动状态。凸台8则对即将进入受气孔7的冷却气流进行扰动压缩，在周向均匀分布的凸台8的作用下，最终压力稳定的气流D转化为具有周期性压力波动的气流B，气流B进入受气孔7中，一部分气流B转化为气流C进入冷却孔6中，被用作涡轮叶片冷却系统的冷却气流，并携带着周期性压力波动； 另一部分气流B则流入涡轮内部，用于涡轮其它位置的冷却气流。压力波动气流在从叶片底部进入叶片内部后，在叶片内部冷却通道具有较高的传热速率，压力波气流在从气膜孔喷出叶片表面后具有较好的气膜冷却效果。[〇〇32] 实施例1[〇〇33]本实施例中，静子的直径为570mm，静子的轴向宽度为40mm，气流流动空间顶上壁面与轴心距离R3为270mm。其中，进气孔心距离轴心R5为130mm，进气孔直径为20mm，选择16个进气孔沿周向均匀分布，进气孔孔深为15mm。凸台为半椭圆形，凸台中心距离轴心以为 225mm，两个凸台间夹角5°，凸台数量为16个沿周向均匀分布。转子涡轮盘的直径为 570mm，轴向宽度为40mm，气流流动空间顶上壁面与轴心距离R4为270mm，涡轮转轴直径为 50mm。其中，受气孔孔心距离轴心1?2为225臟，其中两个受气孔间夹角02为11.25°，受气孔孔径为10mm，孔长为40mm，受气孔数量为32个沿周向均匀分布。冷却孔连接受气孔与榫槽，冷却孔孔径为l〇mm，冷却孔数量为32个。榫槽底部与轴心间距为262.5mm，榫槽数量为32个，榫槽位置与冷却孔相对应。转子涡轮盘与静子间有轴向宽度为1mm的间隙。
[0034]从对现有几何模型数值模拟的计算结果表明，本实施例在气流压力为20bar的基础上，能产生较大波动幅值的压力波动。将压力波动条件应用到涡轮叶片气膜孔二次流射流中，与稳压情况下对比发现，周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有更好的保护作用，具有更好的贴壁性，对主流下游的气膜具有持续性和更好的气膜冷却效率。将压力波动条件应用到涡轮叶片内部冷却通道中，对内部冷却通道的气流流动结构有所改善，对整体换热效果有明显的提高。周期性压力波动的应用对叶片以及涡轮工作性能的提升作用显著。
[0035]实施例2[〇〇36]本实施例中，静子的直径为570mm，轴向宽度为40mm，气流流动空间顶上壁面与轴心距离R3为270mm。其中，进气孔心距离轴心R^130mm，进气孔直径为25mm，选择16个进气孔沿周向均匀分布，进气孔孔深为15mm。凸台为半椭圆形，凸台中心距离轴心心为225!11111，两个凸台之间夹角以为22.5°，凸台数量为16个沿周向均匀分布。转子涡轮盘的直径为570mm，轴向宽度为40mm，气流流动空间顶上壁面与轴心距离R4为270mm，涡轮转轴直径为50mm。其中， 受气孔孔心距离轴心R:*225mm，其中两个受气孔之间夹角02为22.5°，受气孔孔径为20mm， 孔长为40mm，受气孔数量为16个沿周向均匀分布。冷却孔连接受气孔与榫槽，冷却孔孔径为 10mm，冷却孔数量为16个。榫槽底部与轴心间距为262 ? 5mm，榫槽连接涡轮动叶，榫槽数量为 16个，榫槽位置与冷却孔相对应。转子涡轮盘与静子之间间隙小于2mm。
[0037]从对现有几何模型数值模拟的计算结果来看，本实施例在气流压力为20bar的基础上，能产生较小波动幅值的压力波动。将压力波动条件应用到涡轮叶片气膜孔二次流射流中，与稳压情况下对比，周期性压力波动的气膜孔射流对壁面气膜具有更好的保护作用和贴壁性，具有更好的气膜冷却效率;相比于波动幅值较大的压力波动，压力波动较小的气膜孔出口具有更宽的气膜覆盖效果。将压力波动条件应用到涡轮叶片内部冷却通道中，对内部冷却通道的气流流动结构有所改善，对整体换热效果有明显的提高；周期性压力波动的应用对叶片以及涡轮工作性能的提升作用显著。
【主权项】
1.一种静子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:包括静子、转子涡轮盘、涡 轮转轴，静子与转子涡轮盘安装在涡轮转轴上;所述静子为凹形圆盘结构，依静子中心轴孔 周向均布有若干相同的进气孔，静子内壁面上周向均布若干相同的凸台，且每个凸台、进气 孔与中心轴孔径向位于同一直线上，凸台与进气孔数量相同；所述转子涡轮盘上周向均布 若干相同的榫槽，榫槽之间有径向冷却孔，转子涡轮盘壁上周向均布有若干相同的受气孔， 每个受气孔与对应的榫槽间通过冷却孔相连通，榫槽间安装涡轮转子叶片;静子内壁面上 的凸台与转子涡轮盘上的受气孔位置相对，静子与转子涡轮盘之间形成冷却气流道。2.根据权利要求1所述的静子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述静子 上的进气孔孔型为圆形或者椭圆形。3.根据权利要求1所述的静子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述静子 壁面上的凸台为半圆弧形或者半椭圆形。4.根据权利要求1所述的静子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:所述转子 涡轮盘上的受气孔与冷却孔孔型结构同为圆形或者椭圆形;受气孔、冷却孔与榫槽间的涡 轮转子叶片数量相等。5.根据权利要求1所述的静子件凸台式周期性压力波产生装置，其特征在于:静子与转 子涡轮盘之间轴向间隙小于2mm。
【文档编号】F01D5/18GK106089316SQ201610383125
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610383125.6, CN 106089316 A, CN 106089316A, CN 201610383125, CN-A-106089316, CN106089316 A, CN106089316A, CN201610383125, CN201610383125.6
【发明人】朱惠人, 钱鑫, 刘聪
【申请人】西北工业大学