[发明专利]肋板控涡结构、旋转盘腔系统、燃气轮机

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机和航空发动机技术领域，尤其涉及一种旋转盘腔内的肋板控涡结构，具有该肋板控涡结构的旋转盘腔系统。

背景技术

在燃气轮机和航空发动机空气系统中，气体经过旋转盘腔向内或向外流动是非常常见的流动结构，处于不同位置、具有不同结构的旋转盘腔流动有着各自不同的功用。比如：位于压气机端的旋转盘腔一般用于引气，此股气体经由压气机转子根部进入旋转盘腔向内流动到达盘心，再经过不同流路，到达燃气轮机不同位置，实现高温部件冷却、轴承腔封严等各种功能；从压气机所引空气进入涡轮盘腔，在盘腔中向外流动，由低半径的涡轮盘心向高半径盘缘流动以冷却涡轮盘，最后从涡轮转静子根部排入主流道以封严转静子根部，防止主流1000～2200K高温燃气倒灌进入涡轮盘腔；涡轮叶片预旋进气系统通过增大进入盖板与涡轮盘构成的旋转盘腔内部气流的切线速度，降低冷却气体的相对总温，达到更好的冷却涡轮盘与涡轮叶片的作用。

根据大量的理论与实验研究发现：气体经由旋转盘腔向内或向外流动过程中，由于旋转轮盘固有的摩擦泵效应，靠近旋转盘面的流体具有很大的切线速度，而这会导致涡流的产生，造成很大的压力损失，所以对于盘腔流动的控制根本在于对涡流的控制。

然而，针对不同功能的盘腔，由于要实现的目标不一样，需要采取的控制策略也不相同。

对于压气机端引气盘腔，希望尽量减少引气盘腔内气体沿程流动损失，以较小的引气压力、引气温度、引气量完成封严与冷却来提升燃气轮机整机效率，延长热端部件的使用寿命。针对这一目的，对于这种径向入流的旋转盘腔，需要采取的控制策略是减小盘腔进口旋转比、抑制周向涡流的发展，减少由于强烈的周向涡流造成的总压损失。

对于涡轮转-静系盘腔(由旋转轮盘与静子件构成的盘腔)，增强涡轮盘的冷却效果、减少转静子根部封严所需冷却气量以及减少由于封严气体掺混造成的主流气动损失是盘腔流动优化的目标。优化所采取的策略在于调整盘腔内部流动：针对强化换热，通过增大冷却空气的切线速度，降低气流相对总温；针对减少掺混损失，调整盘腔出口的流体切线速度接近于转、静子交界位置处主流燃气的切线速度。

对于涡轮叶片预旋系统中的转-转系盘腔(由两个相同转速的转子件构成的盘腔)，调整盘腔内部气流的切线速度，使得涡轮叶片冷却通道进口的气流切线速度与此半径处的盘面切线速度相同，减少进口流动损失，从而提高叶片冷却通道进口压力，保证叶片冷气量达到要求。采取的控制策略在于使肋片通道内的气体以强迫涡的方式运动，保证气流切线速度始终与当地盘面切线速度相等。

发明内容

本发明提出了一种简单、通用的控制旋转盘腔内部涡流产生与发展的结构。该结构能够用于盘腔内的向心或离心流动；可以用于转-静系盘腔、转-转系盘腔。通过控制盘腔内部涡流发展，实现不同的目标，如：减少引气总压损失、调整轴向力、增强换热、减少主流与二次流掺混损失等。

总体而言，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：提出一种应用在旋转盘腔内的肋板控涡结构。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种设置在旋转盘腔中的肋板控涡结构，包括：肋板，所述肋板呈环状；和相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径。

根据本发明实施例的另一方面，提出了一种旋转盘腔系统，包括：离心压气机盘腔，离心叶轮盘部分限定所述离心压气机盘腔；涡轮盘腔，涡轮盘部分限定所述涡轮盘腔，其中：离心压气机盘腔与涡轮盘腔之间通过封严结构连通；离心压气机盘腔与涡轮盘腔中的至少一个内设置有肋板控涡结构，该肋板控涡结构包括：肋板，所述肋板呈环状；和相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径。