离心叶轮外罩及涡轮发动机

技术领域

本发明涉及涡轮发动机技术领域，特别地，涉及一种离心叶轮外罩。此外，本发明还涉及一种包括上述离心叶轮外罩的涡轮发动机。

背景技术

对于带离心压气机的双转子燃气涡轮发动机，引气示意图如图1所示，由于离心叶轮2的单级压比高，为保证在满足下游零件冷气供气压力的条件下(引气集气腔3内的压力与低压动叶出气口的压力的比值大于1.3)，同时冷气具有合适的温度，现有技术为在离心叶轮外罩1的中间开设引气槽11，引气槽11的中心线沿离心叶轮外罩1的径向方向布设，通过引气槽11从离心叶轮2的中间引气用于下游零件的冷却封严。离心叶轮2为旋转件，离心叶轮外罩1、引气集气腔3、引气管4均为静子件，离心叶轮外罩1与离心叶轮2之间存在很小的间隙保证转子件能够正常工作；离心叶轮外罩1上沿径向引气槽11的引气结构如图2所示，围合形成引气槽11的第一侧壁101、第二侧壁102、第三侧壁103和第四侧壁104均为平直侧壁，这种引气结构在将主流空气引入集气腔时，存在以下问题：

1、由于引气槽11沿离心叶轮外罩1的引气位置点处的径向方向贯穿离心叶轮外罩1的侧壁，而引气位置点的气流存在很大的轴向速度(如图3所示)，从子午流面上看(如图1所示)，主流气流进入引气槽11时，从轴向流动急剧转向径向流动，会冲击第二侧壁102，存在很大的拐弯损失；

2、由于旋转的离心叶轮2对主流气流做功增压，引气位置点的主流气流具有很大的周向旋流速度(离心叶轮2叶尖截面的旋流系数分布如图4所示)，主流气流通过引气槽11进入引气集气腔3内时，会冲击引气槽11的第一侧壁101，周向旋流速度在引气过程中则直接损失耗散，引气集气腔静压、总压(集气腔内流速很低，总静压相等)与主流静压相等。

由于上述的原因，主流气流在进入引气集气腔3时，其轴向速度和周向旋流速度的这部分能量直接损失耗散，不能带入集气腔内，这样不仅会造成能量浪费；还会导致在离心叶轮外罩1上设置的引气点位置必须靠后(离心叶轮2对主流气流做功增压，越靠后主流气流的压力越高，温度也越高)，以提升引气气流压力，增加引气集气腔内的静压，使得引气集气腔的压力满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求，然而引气点位置靠后又会导致引气气流的温度较高，导致冷却叶片冷气量增加。

发明内容

本发明提供了一种离心叶轮外罩及涡轮发动机，以解决现有技术的离心叶轮外罩引气能量转换效率低，在满足最小引排气压比1.3要求的条件下，离心叶轮外罩引气位置点需要后移，带来冷气温度升高，所需冷气量较大的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种离心叶轮外罩，所述离心叶轮外罩上开设有多个引气槽，所述离心叶轮外罩包括第一导流壁面、第二导流壁面、第三导流壁面和第四导流壁面，所述第一导流壁面为沿主流气流的周向旋流方向凹陷的弧形面，以引导引气气流沿所述离心叶轮外罩的径向方向进入引气集气腔，所述第三导流壁面与所述第一导流壁面相对布设，所述第二导流壁面与所述第四导流壁面相对布设，所述引气槽由第一导流壁面、第二导流壁面、第三导流壁面和第四导流壁面围合形成，所述引气槽的中心线与所述离心叶轮外罩的轴线呈锐角布设(子午面方向看)，以降低主流气流进入所述引气槽时的突拐损失。

进一步地，所述第一导流壁面引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线成5～15°，所述第一导流壁面引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线成80～90°。

进一步地，所述第三导流壁面为沿主流气流的周向旋流方向凸起的弧形面，所述第三导流壁面气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线成5～15°，所述第三导流壁面引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线成80～90°。

进一步地，所述引气槽内布设有增压格栅，间隔排布的所述增压格栅将引气槽分隔成多个引气通道。

进一步地，所述增压格栅为沿主流气流的周向旋流方向凹陷的弧形面，所述增压格栅气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线成5～15°，所述增压格栅引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线成80～90°。

进一步地，以所述离心叶轮外罩的轴心线为基准线，以靠近基准线为低半径，以远离基准线为高半径，所述引气通道低半径位置的通道截面积小于高半径位置的通道截面积。

进一步地，所述引气槽的中心线与所述离心叶轮外罩的轴线形成的夹角为60～75°。

进一步地，所述离心叶轮外罩的厚度为3～5mm，所述引气槽沿其中心线方向的长度为10～15mm。

进一步地，所述离心叶轮外罩的厚度为4mm，所述引气槽沿其中心线方向的长度为12mm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮发动机，其包括上述的离心叶轮外罩。

本发明具有以下有益效果：

本发明的离心叶轮外罩，从引气槽对主流气流进行引气，使得引气气流进入引气集气腔，引气气流再通过周向布置的引气管对下游零件的进行冷却封严；较之于现有的离心叶轮外罩上径向开孔槽引气结构，主流气流直接冲击第一侧壁，造成周向旋流速度在引气过程中则直接损失耗散，本实施例的第一导流壁面能引导主流气流沿离心叶轮外罩的径向方向进入引气集气腔，主流气流周向旋流的能量损失小，能提高引气过程中旋流向压力能的转换；引气槽的中心线与离心叶轮外罩的轴线呈锐角布设，能减小引气气流的急拐角度，引导主流气流进入引气集气腔，从而降低气流冲击第二导流壁面的能量损失，减少主流气流进入引气槽的突拐损失，进而提高引气槽中间的引气静压，在引气集气腔的压力与现有技术方案一致的情况下(满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求)，可将引气位置点前移，从而降低引气位置的气流温度，由于引气温度降低，能提升冷却效率，所需的冷气量也会相应减小；本实施例不仅能有效的利用主流气流的周向旋流动能，将主流气流的周向旋转动能在引气槽中转变为静压，可显著提高进入引气集气腔的引气静压，提高引气能量的转换效率，同时能降低低压涡轮工作叶片冷却用气量，提高发动机整机效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是现有技术的离心叶轮外罩的引气示意图；

图2是现有技术的离心叶轮外罩的引气槽的结构示意图；

图3是离心叶轮的流道内的轴向速度分布图；

图4是离心叶轮的叶尖截面的旋流系数分布图；

图5是本发明优选实施例的引气槽的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的引气通道的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的引气通道的结构示意图；

图8是本发明优选实施例的第一导流壁面的结构示意图；

图9是本发明优选实施例的第三导流壁面的结构示意图；

图10是本发明优选实施例的增压格栅的结构示意图；

图11是本发明优选实施例的涡轮发动机的结构示意图；

图12是现有技术方案(径向引气槽)的旋流系数；

图13是现有技术方案(径向引气槽)的静压和流线图；

图14是本发明优选实施例的涡轮发动机的旋流系数；

图15是本发明优选实施例的涡轮发动机的静压和流线图。

图例说明：

1、离心叶轮外罩；11、引气槽；101、第一侧壁；第102、二侧壁；103、第三侧壁；104、第四侧壁；111、第一导流壁面；112、第二导流壁面；113、第三导流壁面；114、第四导流壁面；12、增压格栅；121、引气通道；2、离心叶轮；3、引气集气腔；4、引气管；5、主流气流；6、引气气流。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

请一并参阅图5至图10，本实施例的离心叶轮外罩，离心叶轮外罩1上开设有多个引气槽11，离心叶轮外罩包括第一导流壁面111、第二导流壁面112、第三导流壁面113和第四导流壁面114，第一导流壁面111为沿主流气流的周向旋流方向凹陷的弧形面，以引导引气气流沿离心叶轮外罩1的径向方向进入引气集气腔，第三导流壁面113与第一导流壁面111相对布设，第二导流壁面112与第四导流壁面114相对布设，引气槽11由第一导流壁面111、第二导流壁面112、第三导流壁面113和第四导流壁面114围合形成，引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线呈锐角布设(子午面方向看，如图5所示)，以降低主流气流进入引气槽11时的突拐损失。

本实施例的离心叶轮外罩1，从引气槽11对主流气流5进行引气，使得引气气流6进入引气集气腔3，引气气流6再通过周向布置的引气管4对下游零件的进行冷却封严；较之于现有的离心叶轮外罩上径向开孔槽引气结构，主流气流直接冲击第一侧壁101，造成周向旋流速度在引气过程中则直接损失耗散，本实施例的第一导流壁面111能引导主流气流5沿离心叶轮外罩1的径向方向进入引气集气腔3，主流气流5周向旋流的能量损失小，能提高引气过程中旋流向压力能的转换；引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线呈锐角布设，能减小引气气流的急拐角度，引导主流气流进入引气集气腔3，从而降低气流冲击第二导流壁面112的能量损失，减少主流气流5进入引气槽11的突拐损失，进而提高引气槽11中间的引气静压，在引气集气腔3的压力与现有技术方案一致的情况下(满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求)，可将引气位置点前移，从而降低引气位置的气流温度，由于引气温度降低，能提升冷却效率，所需的冷气量也会相应减小；本实施例不仅能有效的利用主流气流5的周向旋流动能，将主流气流5的周向旋转动能在引气槽11中转变为静压，可显著提高进入引气集气腔3的引气静压，提高引气能量的转换效率，同时能降低低压涡轮工作叶片冷却用气量，提高发动机整机效率。可选地，引气槽11为4～6个，且沿离心叶轮外罩1的周向间隔均匀的排布。可选地，第二导流壁面112与第四导流壁面114平行布设。

如图8所示，本实施例中，第一导流壁面111引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角B为5～15°，由于主流引气位置点具备较高的旋流，第一导流壁面111引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角若大于15°，易造成进口较大的攻角损失，第一导流壁面111引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角若小于5°，虽然有利于进口攻角，但是对整段弧线来说，后段需要有一个急拐，因此，第一导流壁面111引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角B为5～15°；第一导流壁面111引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线成的夹角C为80～90°，以引导主流气流5的周向旋流速度转变为沿离心叶轮外罩1的径向方向向上，从而减小引气出口的轴向旋流速度，提高引气过程中旋流向压力能的转换。

如图7所示，本实施例中，引气槽11内布设有增压格栅12，间隔排布的增压格栅12将引气槽11分隔成多个引气通道121；离心叶轮外罩1通过增压格栅12引气的过程中近似为绝热等熵过程，能有效提高引气集气腔3内的引气静压，引气集气腔3内总温与主流气流的总温一致，在引气集气腔3引气压力与现有技术方案一致的情况下(满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求)，可将引气位置点前移，从而减小引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线形成的夹角A，降低主流气流5冲击第二导流壁面112的轴向能量损失，从而降低从主流引气进入格栅通道的突拐损失。可选地，增压格栅12为3～7个，将引气槽11分隔成4～8个引气通道121。可选地，增压格栅12为5个，将引气槽11分隔成6个引气通道121。可选地，带径向增压格栅12的离心叶轮外罩1采用整体铸造形式，后期通过机加或打磨形式对增压格栅12的前缘和尾缘进行局部修整。

如图7和图10所示，本实施例中，增压格栅12为沿主流气流的周向旋流方向凹陷的弧形面，增压格栅12气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角F为5～15°，由于主流引气位置点具备较高的旋流，增压格栅12引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角若大于15°，易造成进口较大的攻角损失，增压格栅12引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角若小于5°，虽然有利于进口攻角，但是对整段弧线来说，后段需要有一个急拐，因此，增压格栅12引气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角B为5～15°增压格栅12引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线的夹角G为80～90°，以引导主流气流5的周向旋流速度转变为沿离心叶轮外罩1的径向方向向上，从而减小引气出口的轴向旋流速度，提高引气过程中旋流向压力能的转换。

如图7所示，本实施例中，以离心叶轮外罩1的轴心线为基准线，以靠近基准线为低半径，以远离基准线为高半径，引气通道121低半径位置的通道截面积小于高半径位置的通道截面积，引气出口的截面积大于引气入口的面积，可降低气流在引气出口的速度能，提高压力能转换能力，通过提高增压格栅12引气出口与引气进口的面积比，气流流经引气通道121时，在引气通道121引气入口的周向旋流动能，到引气通道121引气出口位置，大部分转换成压力能，一小部分转换成沿径向方向的动能，结合引气量，控制引气通道121的流通面积，从而保证引气通道121引气出口的气流径向速度不超过50m/s，一方面可以降低引气气流从引气通道121到引气集气腔3的突扩损失；另一方面提高引气过程中周向旋流向压力能的转化。

如图7和图9所示，本实施例中，第三导流壁面113为沿主流气流的周向旋流方向凸起的弧形面，第三导流壁面113气入口的切线与引气入口的当地半径内切圆的切线的夹角D为5～15°，第三导流壁面113引气出口的切线与引气出口的当地半径内切圆的切线的夹角E为80～90°；以保证第三导流壁面113与其相邻的增压格栅12之间形成的引气通道121是沿离心叶轮外罩1的径向方向均匀扩张的。

如图1所示，从周向子午流面视图看，本实施例中，引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线形成的夹角A为60～75°，能引导主流气流5进入引气集气腔3，降低主流气流5冲击第二导流壁面112的轴向能量损失，从而降低从主流引气进入格栅通道的突拐损失；引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线形成的夹角A小于60°，引气位置点过于靠前，造成引气气流的压力降低，难以满足后续零部件的冷却使用需求；引气槽11的中心线与离心叶轮外罩1的轴线形成的夹角A大于75°，主流气流5冲击第二导流壁面112的轴向能量损失较大。

本实施例中，离心叶轮外罩1的厚度为3～5mm，离心叶轮外罩1的厚度小于3mm时，一方面，离心叶轮外罩1的强度不够，易变形或开裂，难以满足使用需求；另一方面，若离心叶轮外罩1的厚度过薄，保持引气槽11中心线与离心叶轮外罩1的轴心线的夹角不变，则难以加工足够长度的引气槽11，增压效果不佳；若减小引气槽11中心线与离心叶轮外罩1的轴心线的夹角，以保证引气槽11沿其中心线方向的长度，则会造成引气位置点进一步前移，造成引气气流的压力降低，难以满足后续零部件的冷却供气压力使用需求；离心叶轮外罩1的厚度大于5mm时，会增加离心叶轮外罩1的重量，降低飞行器的航程。引气槽11沿其中心线方向的长度为10～15mm，引气槽11沿其中心线方向的长度小于10mm，引气槽11中心线与离心叶轮外罩1的轴心线的夹角过大，主流气流的轴向速度损失较大；引气槽11沿其中心线方向的长度大于15mm，引气位置点过于靠前，造成引气气流的压力降低，难以满足后续零部件的冷却供气压力使用需求。可选地，离心叶轮外罩1的厚度为4mm，引气槽11沿其中心线方向的长度为12mm，能实现引气过程中主流气流的周向旋流动能在有限厚度径向空间内转换成压力能，有效提高引气集气腔3内的压力水平，在满足下游低压涡轮工作叶片冷却供气压力的条件下，可以将引气位置点向前移动，从而降低引气温度，提高冷却效率，在保证低压涡轮工作叶片表面金属壁温与常规技术方案一致的条件下，可以降低低压涡轮工作叶片所需的冷气量。

如图11所示，一种涡轮发动机，包括上述的离心叶轮外罩，以对双转子燃气涡轮发动机低压工作叶片的冷却，使用时，从离心叶轮外罩引气，引气气流进入引气集气腔，通过周向布置的引气管进入支板上集气腔，然后通过中介支板内通道进入支板内集气腔，经过高低压轴间通道向后流动，用于对低压转子的低压动叶进行冷却和级间封严；离心叶轮外罩1通过增压格栅12引气的过程中近似为绝热等熵过程，能有效提高引气集气腔3内的引气静压，引气集气腔3内总温与主流气流的温度一致，在引气压力与现有技术方案一致的情况下(满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求)，可将引气位置点前移(离心叶轮对主流气流做功增压，越靠后压力越高，温度也越高)，从而降低引气位置点的冷气温度，在保持低压工作叶片表面金属壁温与现有技术方案一样条件下，由于冷气温度降低，冷却效率增加，所需的冷气量也会相应减小；本实施例不仅有效的利用了主流通道中的旋流，提高了引气能量转换效率，同时降低了低压涡轮工作叶片冷却用气量，提高了发动机整机效率。

本实施例中，为满足低压涡轮工作叶片供气压力的需求，引气集气腔3内的压力与低压动叶出气口的压力的比值大于1.3；在离心叶轮外罩1上布设增压格栅12较之于常规引气技术，实现了气流周向旋流能量向压力能的转换，能有效提高引气集气腔出口静压，在满足下游冷却叶片引排气压比1.3的条件下，引气位置的可以向前移动，降低引气温度，从而降低冷却叶片冷气量。

针对本实施例开展CFD数值仿真验证，并与现有技术方案沿离心叶轮外罩1的径向开引气槽的结构进行对比，引气量为340g/s，现有技术方案与本实施例的离心叶轮外罩1周向都是均布六个引气槽11，六个引气槽11的总的流通面积3500mm

表1数据对比

将本实施例将带增压格栅12引气结构的离心叶轮外罩1用于某发动机低压涡轮工作叶片冷却，从表1中结果可以看出，本实施例在保证涡轮工作叶片冷却供气压力的情况下可以将引气位置点前移，从而降低引气位置冷气温度约50K，在工作叶片表面金属壁温保持一致的条件下，由于冷气温度降低带来的冷却效率提高，本实施例较之于现有技术方案可以降低低压涡轮工作叶片冷气量约9％～11.7％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。