一种带倒z字形支板的低成本低损失简易排气框架的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种排气框架，具体涉及一种带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架。
【背景技术】
[0002]本发明涉及航空发动机使用的简易排气框架。该排气框架安装在航空发动机涡轮出口，结构上主要由外环、内环及沿圆周方向均布的多个支板等组成，其主要功能为与排气框架外环、内环形成燃气通道，并组织涡轮出口燃气以合适的速度和方向排入大气。在此类型排气框架中，支板作为重要构件主要起联接内、外环，增加排气框架刚度的作用。
[0003]排气框架是涡轮出口燃气排出的构件，而涡轮出口燃气温度较高，一般在500?600°C左右，其温度场不均匀，同时在发动机使用过程存在冷热循环的交替过程，排气框架内环、外环变形不一致，在支板的限制作用下容易产生裂纹和变形。因此，对于排气框架而言，如何通过较好的结构设计手段释放或缓解热应力，提高零件的寿命和可靠性，是结构设计时必须考虑的一个棘手问题。
[0004]此外，涡轮出口燃气流通常带有一定的预旋角而偏离轴向流动，而且沿径向方向的预旋角也存在一定的不均匀性。因此，如果排气框架内的支板设计安排不合理的话，将在其前缘附近产生较大的攻角，使得流过支板表面的气流产生大面积分离，在排气框架内行成与主流方向相反的二次流动，导致排气框架总压损失急剧增加，排气不畅，进而影响发动机性能。
[0005]传统的排气框架为缓解热应力往往需要采取一些复杂的结构设计，如在内环或外环采用回弯结构设计，该类结构的零件无法冲压成型，需采用铸造成型，加工周期、加工难度及加工成本均有较大幅度的增加;其支板一般采用简单直叶片，难以适应涡轮出口气流的径向不均匀性，导致排气通道内气流沿支板表面出现较大幅度的流动分离，从而导致排气损失增加，发动机性能下降。
【发明内容】
[0006]本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，一种带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，有效缓解排气框架的热应力，简化排气框架的结构，减轻重量，提高可靠性，降低加工难度及加工成本，同时可减少排气总压损失，提高发动机性能。
[0007]本发明技术解决方案:一种带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架。所述排气框架由内环、外环及沿圆周方向均布的多个倒Z字形支板组成。内环、外环及倒Z字形支板之间构成环形燃气通道，倒Z字形支板焊接在所述外环及内环之间。所述外环和内环流道线可以为直线也可为曲线。所述倒Z字形支板有别于传统的对称翼型直叶片，设计为类似于倒Z字形形状。所述排气框架内环与外环在发动机使用过程中因热变形不一致所产生的热应力通过倒Z字形支板进行缓解或消除。
[0008]所述排气框架倒Z字形支板沿径向方向主要分为三段:焊接在外环上的支板上半段和焊接在内环上的支板下半段，以及与发动机轴线平行的中段。所述倒Z字形支板上半段沿径向各截面形状完全相同，支板下半段沿径向各截面形状也完全相同。所述倒Z字形支板上半段、下半段与发动机轴线分别存在夹角Ca、夹角α2，α1与α2角度不相同。Ctl的角度值近似与所述环形气流通道上半部分入口处的来流预旋角的平均值相匹配;α2的角度值近似与所述环形气流通道下半部分入口处的来流预旋角的平均值相匹配，通过角度匹配使燃气可顺畅流经排气框架，不产生流动分离，压力损失小。
[0009]所述排气框架内环、外环、倒Z字型支板可单独冲压成型，倒Z字型支板焊接于内环与外环之间。
[0010]所述排气框架内环、外环的流道线为直线或曲线。
[0011]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0012](I)传统的排气框架为缓解热应力往往需要采取一些复杂的结构设计，如在内环或外环采用回弯结构设计，该类结构的零件无法冲压成型，需采用铸造成型，加工难度及加工成本大幅度增加。本发明排气框架内环、外环及支板均可冲压成型，并通过倒Z字型支板设计有效缓解排气框架的热应力，简化排气框架结构设计，降低生产成本低，缩短加工周期，且重量轻、可靠性高；
[0013](2)传统的排气框架的支板一般采用简单直叶片，由于涡轮出口气流的径向分布不均匀，这种支板设计会导致排气通道内气流沿支板表面部分或全部发生流动分离，从而导致排气损失增加，发动机性能下降。本发明倒Z字形支板上半段、下半段与发动机轴线分别存在夹角α?、夹角α2，可较好地适应涡轮出口气流的径向不均匀，排气框架排气压力损失小，可提高发动机性能水平；
[0014](3)应用范围广，可广泛应用于各种小型燃气涡轮轴发动机、辅助动力装置或起动机中。
【附图说明】
[0015]图1为本发明中排气框架在燃气涡轮轴发动机安装示意图；
[0016]图2为传统排气框架局部透视图；
[0017]图3为本发明的带倒Z字形支板的排气框架局部透视图；
[0018]图4为本发明排气框中的倒Z字形支板侧视图；
[0019]图5为本发明中排气框的倒Z字形支板正视剖切图；
[0020]图6为本发明中排气框的倒Z字形支板仰视剖切图；
[0021 ]图7为本发明中排气框的倒Z字形支板俯视剖切图。
[0022]1.排气框架外环，2.排气框架内环，3.倒Z字形支板，4.倒Z字形支板上半段，5.倒Z字形支板中段，6.倒Z字形支板下半段，7.发动机轴线，8.燃气，9.直支板，10.排气框架回弯结构外环，11.涡轮，12.排气框架。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，本发明的排气框架12安装在燃气涡轮轴发动机的涡轮11后，经涡轮11做功后的高温燃气8通过排气框架外环I及排气框架内环2之间的环形气流通道排出发动机
12。航空发动机的涡轮11可以是单级轴流式涡轮、双级轴流式涡轮或向心涡轮，航空发动机的涡轮11和排气框架12均为环形结构，绕发动机轴线7对称。
[0024]如图2所示，传统排气框架局部透视图，传统排气框架由排气框架内环2、直支板9、排气框架回弯结构外环10组成。所述排气框内环2、排气框架回弯结构外环10及直支板9之间构成环形气流通道，通常为最大限度利用排气背压，降低排气气流速度，环形气流通道是逐渐扩张的，即入口流通面积小于出口流通面积。传统排气框架通过在外环上采用回弯结构设计以消除或缓解热应力，其直支板9的叶型从叶根到叶尖各截面叶型完全一致。
[0025]图3给出了本发明所述的带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架的一个示例，由排气框架外环1、倒Z字形支板3、排气框架内环2组成。本发明所述排气框架内环2、排气框架外环1、倒Z字型支板3可单独冲压成型，所述的多个倒Z字形支板3(详情参见图4-图7)沿圆周方向均匀的焊接在排气框架内环2及排气框架外环I之间。所述排气框架内环2、排气框架外环I及倒Z字形支板3之间构成环形气流通道，通常为最大限度利用排气背压，降低排气气流速度，环形气流通道是逐渐扩张的，即入口流通面积小于出口流通面积，其排气框架内环2、排气框架外环I的流道线可为直线或曲线。
[0026]如图4-7所示，倒Z字形支板3由与排气框架外环I联接的倒Z字形支板上半段4、与发动机轴线7平行的倒Z字形支板中段5和与排气框架内环2联接的倒Z字形支板下半段6组成。相对于传统设计方法在内环或外环上采用回弯结构，采用倒Z字形支板设计进行缓解或消除由于内环、外环变形不一致产生的热应力，可极大地简化零件结构复杂程度，减轻了排气框架整体质量，降低加工难度及生产成本。
[0027]此外，从图4-图7中可以清楚地看出，倒Z字形支板上半段4、倒Z字形支板下半段6与发动机轴线的夹角α1、α2不相同，α?设计为近似等于排气框架12环形通道入口 50%-100%高度处的气流预旋角的平均值，α2设计为近似等于环形通道入口 0%_50%高度处的气流预旋角的平均值。排气框架12支板采用此设计，可以适应气流预旋角沿径向方向上的不均匀性，减小环形通道内绝大多数区域中由于攻角导致的气流分离，使排气更顺畅，并兼顾了非设计工况条件下，从而降低排气总压损失，提高发动机性能。
[0028]本发明所述带Z字形支板的低成本简易非承力排气框架加工后进行了吹风试验、并装配发动机完成整机性能试验和持久试车，结果显示，采用本发明所述带Z字形支板的排气框架其加工成本仅为传统采用回弯结构和直支板排气框架成本的62%，同时可明显降低排气总压损失，提高发动机性能，且具有较好的寿命及可靠性。
[0029]提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1.一种带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，包括:内环、外环、以及沿圆周方向均布的多个支板，所述支板位于内环与外环之间，从而构成航空发动机的环形排气通道，其特征在于:所述支板为带倒Z字形支板，即支板采用类似于倒Z字型设计，内环、外环及倒Z字形支板之间构成环形燃气通道。2.根据权利要求1所述的带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，其特征在于:所述带倒Z字形支板沿径向方向分为上半段、下半段及中段，其中的中段与发动机轴线平行，上半段沿径向各截面形状完全相同，下半段沿径向各截面形状完全相同。3.根据权利要求1或2所述的带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，其特征在于:所述倒Z字形支板的上半段、下半段与发动机轴线分别存在夹角α?、夹角α2，α1、α2角度不相同，α?的角度值近似与所述环形气流通道上半部分入口处的来流预旋角的平均值相匹配;α2的角度值近似与所述环形气流通道下半部分入口处的来流预旋角的平均值相匹配。4.根据权利要求1所述的带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，其特征在于:所述排气框架内环、外环、倒Z字型支板可单独冲压成型，倒Z字型支板焊接于内环与外环之间。5.根据权利要求1所述的带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，其特征在于:所述排气框架内环、外环的流道线为直线或曲线。
【专利摘要】本发明涉及一种带倒Z字形支板的低成本低损失简易排气框架，包括：内环、外环、以及沿圆周方向均布的多个支板，所述支板位于内环与外环之间，从而构成航空发动机的环形排气通道，其特征在于：所述支板为带倒Z字形支板，即支板采用类似于倒Z字型设计，内环、外环及倒Z字形支板之间构成环形燃气通道。本发明可有效缓解排气框架的热应力，简化排气框架结构设计，降低生产成本，缩短加工周期，且重量轻、可靠性高；排气框架排气压力损失小，可提高发动机性能水平；应用范围广，可广泛应用于各种小型燃气涡轮轴发动机、辅助动力装置或起动机中。
【IPC分类】F01D25/30
【公开号】CN105715316
【申请号】CN201610053192
【发明人】曾飞, 欧阳玉清, 董武, 邹正平
【申请人】北京航空航天大学