一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，由靜子盤和轉子盤組成；靜子盤為凹形圓盤結構，靜子盤端壁上依中心軸孔周向等間距分布多個相同的進氣孔，靜子盤周向側壁上有若干相同的出氣孔，靜子盤安裝在轉軸上。轉子盤與轉軸為一體結構，轉子盤一端面為平面，另一端面凸出部分周向均布若干凸臺,且轉子盤上凸臺與靜子盤上出氣孔位置對應，轉子盤與靜子盤之間形成輸入輸出冷卻氣流道。從進氣孔流入的壓力穩定的氣流轉化為壓力隨時間呈現壓力波動特征的氣流，并呈現周期性規律變化，攜帶周期性壓力波動特征的氣流具有較高的傳熱速率和氣流的換熱效果。壓力波產生裝置適應于高溫部件復雜工作環境，實用效果好，應用范圍廣。
【專利說明】
一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置
技術領域
[0001]本發明涉及渦輪葉片冷卻技術，具體地說，涉及一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置。
技術背景
[0002]燃氣輪機或航空發動機是一種重要的動力裝置，廣泛應用于發電、艦船推進、飛機推進各領域。渦輪是燃氣輪機或航空發動機的重要部件之一，提高渦輪前進口溫度是增加燃氣輪機或航空發動機輸出功率和工作效率的有效措施。目前渦輪進口溫度已達到了2000K左右，遠遠超過制造渦輪葉片材料的耐溫極限，因此必須對渦輪葉片采取冷卻技術，以保證渦輪工作的可靠性和穩定性，其主要措施是從壓氣機抽氣對渦輪葉片進行冷卻。先進的冷卻技術，可以使用較少冷卻氣體達到冷卻目地，從而有更多的氣體參與燃燒并對渦輪做功。
[0003]文南犬Influence of Near Hole Pressure Fluctuat1n on the ThermalProtect1n of a Film-Cooled Flat Plate(J.Heat Transfer.2009；131(2):022202-022202-11.)的研究表明，在波動頻率較大的情況下，攜帶周期性壓力波動的氣膜孔射流對壁面氣膜具有非常好的保護作用，具有比氣膜孔穩壓射流更好的出流特性和氣膜冷卻效率；Scaling of Convective Heat Transfer Enhancement Due to Flow Pulsat1n inan Axisymmetric Impinging Jet(J.Heat Transfer.2013；135(11):111012-111012-10.)中研究表明在有效控制雷諾數和頻率的條件下，波動射流對強化對流換熱具有非常好的效果；Heat transfer enhancement in the oscillating turbulent flow of a plusecombustor tail pipe[J] (Int.J.Heat ,1992,35: 2311-2325)研究了波動燃燒器出 P氣流換熱特性，發現波動頻率f約為80Hz的波動氣流能大幅度提高系統的換熱效率;在文獻“層流中脈動氣流橫掠平板強化傳熱[J]”(化工學報，2012,06:1717-1722)的研究表明，攜帶壓力波動地氣流，波動氣流有效地強化了等熱通量平面的換熱性能，同時也增強了氣流內部的熱傳遞。
[0004]目前渦輪葉片的冷卻技術，主要是在穩定壓力或流量供氣條件下，氣流從氣膜孔噴出葉片表面后進行氣膜冷卻，但仍未達到氣體的利用極限。從目前國內外的研究結果表明，攜帶周期性壓力波動特征的氣流具有較高的換熱效果，如果將其應用到燃氣輪機或航空發動機渦輪高溫部件中，在葉片內部冷卻通道具有較高的傳熱速率，壓力波氣流在從氣膜孔噴出葉片表面后具有較高的氣膜冷卻效果，將帶來氣膜冷卻技術的革新。同時，如果將這種攜帶周期性壓力波動特征的氣流加載到換熱器中，也將大幅提升換熱器的換熱效果。
[0005]但是目前國內外大部分研究的壓力波動供氣都來源于壓氣機產生的波動氣流，一方面壓氣機波動氣流在繞過燃燒室進入渦輪葉片內部后，壓力波動損失比較大;另一方面，這種壓力波動特性并不可控，并不能應用于燃氣渦輪獲得最理想的換熱、冷卻效果。
【發明內容】
[0006]為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生
目.0
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括靜子盤、轉子盤、轉軸，所述靜子盤為凹形圓盤結構，靜子盤端壁上依中心軸孔周向等間距分布多個相同的進氣孔，靜子盤側壁周向均布若干相同的徑向出氣孔，靜子盤安裝在轉軸上;所述轉子盤與轉軸為一體結構，轉子盤一端面為平面，另一端面凸出部分周向均布若干凸臺，且轉子盤上凸臺與靜子盤上出氣孔位置相對應，轉子盤與靜子盤之間形成輸入輸出冷卻氣流道。
[0008]所述靜子盤上的進氣孔至少為2個，進氣孔孔型為圓形或者半圓弧形；出氣孔孔型為圓形或者橢圓形。
[0009]所述轉子盤與所述靜子盤外徑相等;轉子盤上的凸臺與靜子盤上的出氣孔數量相等。
[0010]所述轉子盤上凸臺的形狀為梯形或者平頭楔形。
[0011]在渦輪盤腔中，將轉子盤帶有凸臺結構的盤面與靜子盤內壁面的出氣孔位置對應，使得進入轉子盤與靜子盤之間形成輸入輸出冷卻氣流道的氣流的壓力隨時間呈現壓力波動的特征，并呈現周期性的變化規律。一部分氣流A從進氣孔進入盤腔內部，氣流A的壓力是相對穩定的。在氣流A進入盤腔內部后，由于離心力和壓差的作用，氣流A開始向遠離轉軸的方向擴散，轉化為氣流B的流動狀態。當氣流流動到出氣孔附近時，對于每一個出氣孔而言，由于轉子盤的轉動作用，轉子盤上周向均布的凸臺不斷地擠壓出氣孔附近的氣流，最終壓力穩定的氣流B轉化為具有周期性壓力波動的氣流C。氣流C從出氣孔輸出，用于被冷卻部件的冷卻流體，并攜帶著周期性壓力波動。
[0012]有益效果
[0013]本發明提出的一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，利用轉子盤內壁上的凸臺和靜子盤上的出氣孔周期性的作用，將原本壓力穩定的氣流轉化為周期性壓力波動的氣流，攜帶周期性壓力波動特征的氣流具有較高的換熱效果。一方面可用于燃氣輪機或航空發動機渦輪高溫部件內壁或者外表面的氣膜冷卻，壓力波氣流從氣膜孔噴出葉片表面后具有較高的氣膜冷卻效果，對于高溫部件復雜工作環境有更好的適應性;另一方面還可應用到換熱器中，直接為換熱器帶來非常好的換熱效果。
[0014]本發明轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置為獨立的周期性壓力波產生裝置，實用效果好，工程應用范圍廣泛。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和實施方式對本發明一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置作進一步詳細說明。
[0016]圖1為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置結構半剖軸測圖。
[0017]圖2為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置軸向剖視圖。
[0018]圖3為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的氣流進出口部位結構放大圖。
[0019]圖4為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的靜子盤立體圖。
[0020]圖5為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的轉子盤立體圖。
[0021]圖6為轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的轉子盤凸臺示意圖。
[0022]圖中:
[0023]1.靜子盤2.轉子盤3.轉軸4.進氣孔5.出氣孔6.凸臺
[0024]A.流入盤腔內壓力穩定的氣流B.盤腔內部氣流C.具有周期性壓力波動的氣流
【具體實施方式】
[0025]本實施例是一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置。
[0026]參閱圖1?圖6，本實施例轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，由靜子盤1、轉子盤2、轉軸3組成;靜子盤I為凹形圓盤結構，靜子盤I端壁上依中心軸孔周向等間距分布多個相同的進氣孔4，靜子盤I側壁周向均布若干相同的徑向出氣孔5，靜子盤I上的進氣孔4至少為2個，進氣孔4的孔型為圓形或者半圓弧形；出氣孔5的孔型為圓形或者橢圓形;靜子盤I安裝在轉軸3上。轉子盤2與轉軸3為一體結構，轉子盤2—端面為平面，轉子盤2另一端面凸出部分周向均勻分布有若干凸臺6，轉子盤上凸臺6的形狀為為梯形或者平頭楔形。轉子盤2與靜子盤外徑相等。轉子盤上的凸臺6與靜子盤上的出氣孔5數量相等，且轉子盤2上凸臺與靜子盤I上出氣孔5位置相對應，轉子盤2與靜子盤I之間形成輸入輸出冷卻氣流道。
[0027]本實施例轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置在工作過程中，靜子盤I為裝置中固定不動的部分，在靜子盤I端面上周向分布有多個進氣孔4，一部分氣流A從進氣孔4進入盤腔內部，氣流A的壓力是相對穩定的，進氣孔4的孔型為圓形或者半圓弧形，進氣孔4至少為2個。在氣流A進入盤腔內部后，由于離心力和壓差的作用，氣流A開始向遠離轉軸3的方向擴散，轉化為氣流B的流動狀態。當氣流流動到出氣孔5附近時，對于每一個出氣孔5而言，由于轉子盤2的轉動作用，轉子盤上周向均勻分布間歇的凸臺6不斷地擠壓出氣孔5附近的氣流，最終壓力穩定的氣流B轉化為具有周期性壓力波動的氣流C。氣流C從出氣孔5流出，用于被冷卻高溫部件冷卻系統的冷卻流體，并攜帶周期性壓力波動。
[0028]轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置固定在發動機渦輪盤腔附近，一方面，壓力波動氣流通過出氣孔在進入葉片內部后，在葉片內部冷卻通道具有較高的傳熱速率，壓力波氣流從氣膜孔噴出在葉片表面具有較高的氣膜冷卻效果，提高葉片工作可靠性及壽命；或在相同壽命條件下，大幅度節約冷卻氣流的使用量。另一方面，由于出氣孔固定的作用，具有較高換熱效果的壓力波動氣流可直接通過受氣孔連接換熱器內部換熱通道，或者直接輸送到電子冷卻設備部件中進行冷卻，工程應用范圍較為廣泛。
[0029]實施例1
[0030]本實施例中，轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的靜子盤直徑為490mm，軸向寬度為130mm;其中，進氣孔心距離軸心距離為50mm，進氣孔直徑為25mm，本實施例中進氣孔為6個且周向均勾分布，進氣孔長度為30mm;出氣孔長度為25mm，直徑為5mm;本實施例中靜子盤側壁周向均布的出氣孔為16個。轉子盤中，轉軸直徑為52mm，轉子盤凸出部分直徑為285mm，寬度為50mm;轉子盤端面為平面部分的直徑為490mm，軸向寬度為30mm。其中，凸臺底面為曲面矩形，弧面角Θ為20°，其底面尺寸中弧長L^49.7mm，距軸心距離為142.5mm;頂面為平面矩形，其距離轉軸軸心為192.5mm，寬L2S20mm;底面和頂面的軸向寬度Z為50mm。本實施例中轉子盤凸臺為16個;轉子盤和靜子盤之間間隙為1_。
[0031]從對現有幾何模型數值模擬的計算結果看出，本實施例在氣流壓力為20bar的基礎上，能產生較大波動幅值的壓力波動。將此壓力波動條件應用于渦輪葉片氣膜孔二次流射流中，與穩壓情況下對比發現，周期性壓力波動的氣膜孔射流對壁面氣膜具有很好地保護作用和很好地貼壁性;對主流下游的氣膜具有更好地持續性和氣膜冷卻效率;對葉片以及渦輪工作性能的提升作用顯著。將壓力波動條件應用到渦輪葉片內部冷卻通道或者換熱器內部通道中，對通道的氣流流動結構有所改善，對整體冷卻或換熱效果有明顯的提高，周期性壓力波動的應用效果顯著，工程應用范圍廣。
[0032]實施例2
[0033]本實施例中，轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置的靜子盤直徑為490mm，軸向寬度為130mm;其中，進氣孔心距軸心距離為50mm，進氣孔直徑為25mm，本實施例中靜子盤上的進氣孔為8個且周向均勻分布，進氣孔長度為30mm;出氣孔長度為15mm，直徑為1mm;本實施例中靜子盤側壁周向均布的出氣孔為32個。轉子盤中，轉軸直徑為52_，轉子盤凸出部分直徑為285mm，寬度為50mm;轉子盤端面為平面部分的直徑為490mm，軸向寬度為30mm。其中，凸臺底面為曲面矩形，弧面角Θ為20°，其底面尺寸中弧長Li為49.7mm，距軸心距離為142.5mm;頂面為平面矩形，其距離轉軸軸心為192.5mm，寬L2S20mm;底面和頂面的軸向寬度Z為50mm ο本實施例中轉子盤凸臺為16個;轉子盤和靜子盤之間間隙為2_。
[0034]從對現有幾何模型數值模擬的計算結果看出，本實施例在氣流壓力為20bar的基礎上，能產生較小波動幅值的壓力波動。將壓力波動條件應用到渦輪葉片氣膜孔二次流射流中，與穩壓情況對比，周期性壓力波動的氣膜孔射流對壁面氣膜具有更好的保護作用和貼壁性，具有更好的氣膜冷卻效率;相比于波動幅值較大的壓力波動，壓力波動較小的氣膜孔出口具有更寬的氣膜覆蓋效果，對葉片以及渦輪工作性能的提升作用顯著。將壓力波動條件應用到渦輪葉片內部冷卻通道或者換熱器內部通道中，對通道的氣流流動結構有所改善，對整體冷卻或換熱效果有明顯的提高。周期性壓力波動的應用效果顯著，工程應用范圍廣。
【主權項】
1.一種轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，其特征在于:包括靜子盤、轉子盤、轉軸，所述靜子盤為凹形圓盤結構，靜子盤端壁上依中心軸孔周向等間距分布多個相同的進氣孔，靜子盤側壁周向均布若干相同的徑向出氣孔，靜子盤安裝在轉軸上;所述轉子盤與轉軸為一體結構，轉子盤一端面為平面，另一端面凸出部分周向均布若干凸臺，且轉子盤上凸臺與靜子盤上出氣孔位置相對應，轉子盤與靜子盤之間形成輸入輸出冷卻氣流道。2.根據權利要求1所述的轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，其特征在于:所述靜子盤上的進氣孔至少為2個，進氣孔孔型為圓形或者半圓弧形；出氣孔孔型為圓形或者橢圓形。3.根據權利要求1所述的轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，其特征在于:所述轉子盤與所述靜子盤外徑相等;轉子盤上的凸臺與靜子盤上的出氣孔數量相等。4.根據權利要求1所述的轉子件凸臺式周期性壓力波產生裝置，其特征在于:所述轉子盤上凸臺的形狀為梯形或者平頭楔形。
【文檔編號】F01D5/18GK105927288SQ201610382548
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】朱惠人, 錢鑫, 魏建生
【申請人】西北工業大學