本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)旋供氣系統(tǒng)應(yīng)用，具體是一種用于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的減壓節(jié)流預(yù)旋噴嘴裝置。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直被譽(yù)為航空工業(yè)皇冠上的“明珠”，成為了衡量一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力、工業(yè)水平、軍事力量和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。航空發(fā)動(dòng)機(jī)未來的發(fā)展方向是大推重比、低油耗率和高安全可靠性。一般認(rèn)為，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下，渦輪前溫度每提升50k，推力能提高10%。因此提高渦輪前燃?xì)鉁囟葘?duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改進(jìn)具有極其重要的意義。然而過高的渦輪前溫度也給整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了極為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，具體表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境急劇惡化，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性下降、壽命縮短。尤其是高溫部件，其中渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高溫高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下，轉(zhuǎn)盤的最大應(yīng)力容易超出其材料的許用極限。因此，必須發(fā)展高效的冷卻技術(shù)，以減小渦輪前溫度迅速提升帶來的不利影響，保證高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高溫下也能長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。預(yù)旋供氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)為渦輪轉(zhuǎn)子葉片提供滿足流量要求和壓力條件的高品質(zhì)冷氣，以提高冷氣的品質(zhì)來減少冷卻氣體的用量。經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的預(yù)旋供氣系統(tǒng)能使冷氣溫度下降的幅度高達(dá)100k，為主流降溫的效果顯著。

2、預(yù)旋供氣系統(tǒng)的降溫原理是通過預(yù)旋噴嘴加速氣流并形成較大的周向速度分量，降低氣流靜溫與轉(zhuǎn)盤間的相對(duì)速度，從而達(dá)到降低氣流相對(duì)總溫的目的。對(duì)于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的研究發(fā)展到至今，已發(fā)展出不同類型以及不同功能的預(yù)旋供氣系統(tǒng)。按噴嘴進(jìn)氣方向可分為徑向預(yù)旋供氣系統(tǒng)和軸向預(yù)旋供氣系統(tǒng)；按照噴嘴與供氣孔的相對(duì)高度可分為高位預(yù)旋供氣系統(tǒng)和低位預(yù)旋供氣系統(tǒng)；按照有無蓋板盤元件可分為直接式預(yù)旋供氣系統(tǒng)和蓋板式預(yù)旋供氣系統(tǒng)。設(shè)計(jì)者在選取預(yù)旋供氣系統(tǒng)類型的時(shí)候需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的類型和尺寸等因素進(jìn)行綜合考慮。預(yù)旋供氣系統(tǒng)的供氣對(duì)象和功能也不相同，有的為渦輪轉(zhuǎn)子葉片提供冷氣，有的通向葉片榫槽為渦輪盤后的輪緣封嚴(yán)提供冷氣，有的通向盤腔為渦輪盤提供冷氣。

3、從冷卻的效果來看，冷卻空氣用量越多效果越好，但是從壓氣機(jī)引出的冷卻空氣不會(huì)在渦輪中做功，這會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力，因此預(yù)旋供氣系統(tǒng)引氣量的大小會(huì)直接影響整機(jī)性能。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)旋供氣系統(tǒng)的引氣量每增大1%，發(fā)動(dòng)機(jī)推力約損失2%，飛行馬赫數(shù)小于1.2時(shí)燃油消耗率增大0.7%~0.9%，高于1.2時(shí)燃油消耗率增大1.2%~1.4%。以大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在整機(jī)性能計(jì)算模型中引入考慮冷氣用量以及冷卻附帶效率損失的渦輪冷卻算法，發(fā)現(xiàn)冷氣用量如果減少20%，發(fā)動(dòng)機(jī)的單位推力可提高3%，耗油率減小0.9%，因此減少冷氣用量是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效方法。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于為渦輪盤后的輪緣封嚴(yán)提供冷氣的預(yù)旋供氣系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)的系統(tǒng)壓比比較大，在1.8~1.9之間，但是其供氣流量比較小，在20g/s~62g/s之間，導(dǎo)致該預(yù)旋供氣系統(tǒng)的預(yù)旋噴嘴喉部總面積和數(shù)目過小，噴嘴喉部總面積為30mm2~85mm2，噴嘴數(shù)目為4個(gè)~8個(gè)。噴嘴喉部面積過小會(huì)導(dǎo)致預(yù)旋噴嘴加工困難、加工成本高，噴嘴數(shù)目過少將引氣噴嘴出口氣流流量和壓力分布不均等問題，從而導(dǎo)致進(jìn)入榫槽的冷氣流量和壓力周向分布不均，榫槽冷卻效果變差，此外，也會(huì)引起用于渦輪盤后輪緣封嚴(yán)的冷氣流量和壓力周向分布也不均勻的問題，輪緣封嚴(yán)效果也會(huì)變差，從而導(dǎo)致主流燃?xì)馊肭值娘L(fēng)險(xiǎn)增大。

5、本發(fā)明提出一種用于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的減壓節(jié)流預(yù)旋噴嘴裝置，是通過增加預(yù)旋噴嘴的數(shù)目和喉部總面積，減小預(yù)旋供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力和流量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的減壓節(jié)流預(yù)旋噴嘴裝置，其可以降低預(yù)旋供氣系統(tǒng)進(jìn)氣壓力，減少進(jìn)氣流量，從而增加預(yù)旋噴嘴數(shù)目和面積，降低加工難度，保證系統(tǒng)周向均勻供氣，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：所述的一種用于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的減壓節(jié)流預(yù)旋噴嘴裝置，其特點(diǎn)是所述的預(yù)旋噴嘴包括噴嘴外環(huán)和噴嘴內(nèi)環(huán)，噴嘴外環(huán)和噴嘴內(nèi)環(huán)之間的環(huán)腔內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)置有噴嘴外環(huán)篦齒和噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒，噴嘴外環(huán)篦齒和噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒形成減壓環(huán)腔。

3、進(jìn)一步，所述的噴嘴外環(huán)上還設(shè)置有法蘭，所述的噴嘴外環(huán)篦齒與噴嘴內(nèi)環(huán)之間形成第一級(jí)環(huán)縫，所述的噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒與噴嘴外環(huán)篦齒形成第二級(jí)環(huán)縫，氣流流過第一級(jí)環(huán)縫后壓力和流量降低，隨后進(jìn)入減壓環(huán)腔，在此處形成渦流，增大流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)節(jié)流的效果，再通過第二級(jí)環(huán)縫，壓力和流量再一次降低。

4、進(jìn)一步，所述的噴嘴內(nèi)環(huán)、噴嘴外環(huán)之間通過過盈配合裝配，配合過盈量為0.05mm~0.15mm。

5、進(jìn)一步，所述的噴嘴內(nèi)環(huán)和噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒采用一體式結(jié)構(gòu)，所述的法蘭、噴嘴外環(huán)和噴嘴外環(huán)篦齒采用一體式結(jié)構(gòu)，所述的法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣支撐環(huán)連接固定。

6、進(jìn)一步，所述的噴嘴外環(huán)篦齒傾斜角度 δ1范圍為33°~45°，高度 h1尺寸范圍為6.5mm~7.0mm，噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒傾斜角度 δ2范圍為35°~57°，高度 h2尺寸范圍為4.5mm~5mm；噴嘴外環(huán)篦齒和噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒均向進(jìn)氣來流方向傾斜。

7、進(jìn)一步，所述的預(yù)旋噴嘴的預(yù)旋偏轉(zhuǎn)角度 θ范圍為10°~20°，預(yù)旋偏轉(zhuǎn)角度是指預(yù)旋噴嘴出口偏轉(zhuǎn)方向與周向的夾角，預(yù)旋噴嘴的偏轉(zhuǎn)方向與渦輪盤旋轉(zhuǎn)方向一致，預(yù)旋噴嘴采用葉片壓力面與葉片吸力面形成沿噴嘴環(huán)上等間距周向偏轉(zhuǎn)的斜孔流道，噴嘴流道偏轉(zhuǎn)型面成漸縮形，在預(yù)旋噴嘴出口達(dá)到最小喉部面積。

8、進(jìn)一步，所述的第一級(jí)環(huán)縫寬度 b1尺寸范圍為0.1~0.25mm，第二級(jí)環(huán)縫寬度 b2尺寸范圍為0.1~0.2mm，第一級(jí)環(huán)縫位于氣流上游。

9、進(jìn)一步，所述的預(yù)旋噴嘴的喉部總面積 a由以下公式確定，

10、，

11、式中， m為供氣質(zhì)量流量； cd為預(yù)旋噴嘴流量系數(shù)， cd取值范圍為0.80~0.95；in、 pout分別為預(yù)旋噴嘴進(jìn)口總壓、預(yù)旋噴嘴出口靜壓；in為預(yù)旋噴嘴進(jìn)口氣流總溫； k為預(yù)旋噴嘴進(jìn)口氣流的絕熱指數(shù)； rg為氣體常數(shù)，為287?j/(kg?k)；

12、所述的預(yù)旋噴嘴的噴嘴柵距 t由下式確定，

13、，

14、式中，a為預(yù)旋噴嘴喉部總面積； n為預(yù)旋噴嘴數(shù)目； θ為預(yù)旋角度；

15、噴嘴柵距 t的取值范圍為10mm~20mm，有此確定預(yù)旋噴嘴數(shù)目 n的取值。

16、進(jìn)一步，所述的預(yù)旋噴嘴的噴嘴葉高h(yuǎn)由下式確定，

17、，

18、噴嘴葉高h(yuǎn)的范圍為5mm~10mm。

19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：一種用于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的減壓節(jié)流預(yù)旋噴嘴裝置，其通過預(yù)旋噴嘴的設(shè)置，通過噴嘴外環(huán)篦齒，噴嘴內(nèi)環(huán)篦齒以及減壓環(huán)腔來降低預(yù)旋供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力和流量，其未改變預(yù)旋噴嘴的壓力面和吸力面形狀和位置不會(huì)對(duì)預(yù)旋噴嘴的加速和流動(dòng)性能造成不利影響，保持了預(yù)旋噴嘴的良好性能。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工難度低，安裝便捷，有效減小預(yù)旋供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力和流量，在滿足預(yù)旋供氣系統(tǒng)供氣量要求的同時(shí)還能夠保證供氣均勻性，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能和可靠性。