一種帶倒z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種排氣框架，具體涉及一種帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機(jī)使用的簡易排氣框架。該排氣框架安裝在航空發(fā)動機(jī)渦輪出口，結(jié)構(gòu)上主要由外環(huán)、內(nèi)環(huán)及沿圓周方向均布的多個支板等組成，其主要功能為與排氣框架外環(huán)、內(nèi)環(huán)形成燃?xì)馔ǖ溃⒔M織渦輪出口燃?xì)庖院线m的速度和方向排入大氣。在此類型排氣框架中，支板作為重要構(gòu)件主要起聯(lián)接內(nèi)、外環(huán)，增加排氣框架剛度的作用。
[0003]排氣框架是渦輪出口燃?xì)馀懦龅臉?gòu)件，而渦輪出口燃?xì)鉁囟容^高，一般在500?600°C左右，其溫度場不均勻，同時在發(fā)動機(jī)使用過程存在冷熱循環(huán)的交替過程，排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)變形不一致，在支板的限制作用下容易產(chǎn)生裂紋和變形。因此，對于排氣框架而言，如何通過較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段釋放或緩解熱應(yīng)力，提高零件的壽命和可靠性，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須考慮的一個棘手問題。
[0004]此外，渦輪出口燃?xì)饬魍ǔв幸欢ǖ念A(yù)旋角而偏離軸向流動，而且沿徑向方向的預(yù)旋角也存在一定的不均勻性。因此，如果排氣框架內(nèi)的支板設(shè)計(jì)安排不合理的話，將在其前緣附近產(chǎn)生較大的攻角，使得流過支板表面的氣流產(chǎn)生大面積分離，在排氣框架內(nèi)行成與主流方向相反的二次流動，導(dǎo)致排氣框架總壓損失急劇增加，排氣不暢，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)性能。
[0005]傳統(tǒng)的排氣框架為緩解熱應(yīng)力往往需要采取一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如在內(nèi)環(huán)或外環(huán)采用回彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該類結(jié)構(gòu)的零件無法沖壓成型，需采用鑄造成型，加工周期、加工難度及加工成本均有較大幅度的增加;其支板一般采用簡單直葉片，難以適應(yīng)渦輪出口氣流的徑向不均勻性，導(dǎo)致排氣通道內(nèi)氣流沿支板表面出現(xiàn)較大幅度的流動分離，從而導(dǎo)致排氣損失增加，發(fā)動機(jī)性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，有效緩解排氣框架的熱應(yīng)力，簡化排氣框架的結(jié)構(gòu)，減輕重量，提高可靠性，降低加工難度及加工成本，同時可減少排氣總壓損失，提高發(fā)動機(jī)性能。
[0007]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架。所述排氣框架由內(nèi)環(huán)、外環(huán)及沿圓周方向均布的多個倒Z字形支板組成。內(nèi)環(huán)、外環(huán)及倒Z字形支板之間構(gòu)成環(huán)形燃?xì)馔ǖ?，倒Z字形支板焊接在所述外環(huán)及內(nèi)環(huán)之間。所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)流道線可以為直線也可為曲線。所述倒Z字形支板有別于傳統(tǒng)的對稱翼型直葉片，設(shè)計(jì)為類似于倒Z字形形狀。所述排氣框架內(nèi)環(huán)與外環(huán)在發(fā)動機(jī)使用過程中因熱變形不一致所產(chǎn)生的熱應(yīng)力通過倒Z字形支板進(jìn)行緩解或消除。
[0008]所述排氣框架倒Z字形支板沿徑向方向主要分為三段:焊接在外環(huán)上的支板上半段和焊接在內(nèi)環(huán)上的支板下半段，以及與發(fā)動機(jī)軸線平行的中段。所述倒Z字形支板上半段沿徑向各截面形狀完全相同，支板下半段沿徑向各截面形狀也完全相同。所述倒Z字形支板上半段、下半段與發(fā)動機(jī)軸線分別存在夾角Ca、夾角α2，α1與α2角度不相同。Ctl的角度值近似與所述環(huán)形氣流通道上半部分入口處的來流預(yù)旋角的平均值相匹配;α2的角度值近似與所述環(huán)形氣流通道下半部分入口處的來流預(yù)旋角的平均值相匹配，通過角度匹配使燃?xì)饪身槙沉鹘?jīng)排氣框架，不產(chǎn)生流動分離，壓力損失小。
[0009]所述排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)、倒Z字型支板可單獨(dú)沖壓成型，倒Z字型支板焊接于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間。
[0010]所述排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)的流道線為直線或曲線。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012](I)傳統(tǒng)的排氣框架為緩解熱應(yīng)力往往需要采取一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如在內(nèi)環(huán)或外環(huán)采用回彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該類結(jié)構(gòu)的零件無法沖壓成型，需采用鑄造成型，加工難度及加工成本大幅度增加。本發(fā)明排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)及支板均可沖壓成型，并通過倒Z字型支板設(shè)計(jì)有效緩解排氣框架的熱應(yīng)力，簡化排氣框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本低，縮短加工周期，且重量輕、可靠性高；
[0013](2)傳統(tǒng)的排氣框架的支板一般采用簡單直葉片，由于渦輪出口氣流的徑向分布不均勻，這種支板設(shè)計(jì)會導(dǎo)致排氣通道內(nèi)氣流沿支板表面部分或全部發(fā)生流動分離，從而導(dǎo)致排氣損失增加，發(fā)動機(jī)性能下降。本發(fā)明倒Z字形支板上半段、下半段與發(fā)動機(jī)軸線分別存在夾角α?、夾角α2，可較好地適應(yīng)渦輪出口氣流的徑向不均勻，排氣框架排氣壓力損失小，可提高發(fā)動機(jī)性能水平；
[0014](3)應(yīng)用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于各種小型燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動機(jī)、輔助動力裝置或起動機(jī)中。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中排氣框架在燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動機(jī)安裝示意圖；
[0016]圖2為傳統(tǒng)排氣框架局部透視圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的帶倒Z字形支板的排氣框架局部透視圖；
[0018]圖4為本發(fā)明排氣框中的倒Z字形支板側(cè)視圖；
[0019]圖5為本發(fā)明中排氣框的倒Z字形支板正視剖切圖；
[0020]圖6為本發(fā)明中排氣框的倒Z字形支板仰視剖切圖；
[0021 ]圖7為本發(fā)明中排氣框的倒Z字形支板俯視剖切圖。
[0022]1.排氣框架外環(huán)，2.排氣框架內(nèi)環(huán)，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.發(fā)動機(jī)軸線，8.燃?xì)猓?.直支板，10.排氣框架回彎結(jié)構(gòu)外環(huán)，11.渦輪，12.排氣框架。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明的排氣框架12安裝在燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動機(jī)的渦輪11后，經(jīng)渦輪11做功后的高溫燃?xì)?通過排氣框架外環(huán)I及排氣框架內(nèi)環(huán)2之間的環(huán)形氣流通道排出發(fā)動機(jī)
12。航空發(fā)動機(jī)的渦輪11可以是單級軸流式渦輪、雙級軸流式渦輪或向心渦輪，航空發(fā)動機(jī)的渦輪11和排氣框架12均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，繞發(fā)動機(jī)軸線7對稱。
[0024]如圖2所示，傳統(tǒng)排氣框架局部透視圖，傳統(tǒng)排氣框架由排氣框架內(nèi)環(huán)2、直支板9、排氣框架回彎結(jié)構(gòu)外環(huán)10組成。所述排氣框內(nèi)環(huán)2、排氣框架回彎結(jié)構(gòu)外環(huán)10及直支板9之間構(gòu)成環(huán)形氣流通道，通常為最大限度利用排氣背壓，降低排氣氣流速度，環(huán)形氣流通道是逐漸擴(kuò)張的，即入口流通面積小于出口流通面積。傳統(tǒng)排氣框架通過在外環(huán)上采用回彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以消除或緩解熱應(yīng)力，其直支板9的葉型從葉根到葉尖各截面葉型完全一致。
[0025]圖3給出了本發(fā)明所述的帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架的一個示例，由排氣框架外環(huán)1、倒Z字形支板3、排氣框架內(nèi)環(huán)2組成。本發(fā)明所述排氣框架內(nèi)環(huán)2、排氣框架外環(huán)1、倒Z字型支板3可單獨(dú)沖壓成型，所述的多個倒Z字形支板3(詳情參見圖4-圖7)沿圓周方向均勻的焊接在排氣框架內(nèi)環(huán)2及排氣框架外環(huán)I之間。所述排氣框架內(nèi)環(huán)2、排氣框架外環(huán)I及倒Z字形支板3之間構(gòu)成環(huán)形氣流通道，通常為最大限度利用排氣背壓，降低排氣氣流速度，環(huán)形氣流通道是逐漸擴(kuò)張的，即入口流通面積小于出口流通面積，其排氣框架內(nèi)環(huán)2、排氣框架外環(huán)I的流道線可為直線或曲線。
[0026]如圖4-7所示，倒Z字形支板3由與排氣框架外環(huán)I聯(lián)接的倒Z字形支板上半段4、與發(fā)動機(jī)軸線7平行的倒Z字形支板中段5和與排氣框架內(nèi)環(huán)2聯(lián)接的倒Z字形支板下半段6組成。相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在內(nèi)環(huán)或外環(huán)上采用回彎結(jié)構(gòu)，采用倒Z字形支板設(shè)計(jì)進(jìn)行緩解或消除由于內(nèi)環(huán)、外環(huán)變形不一致產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可極大地簡化零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，減輕了排氣框架整體質(zhì)量，降低加工難度及生產(chǎn)成本。
[0027]此外，從圖4-圖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與發(fā)動機(jī)軸線的夾角α1、α2不相同，α?設(shè)計(jì)為近似等于排氣框架12環(huán)形通道入口 50%-100%高度處的氣流預(yù)旋角的平均值，α2設(shè)計(jì)為近似等于環(huán)形通道入口 0%_50%高度處的氣流預(yù)旋角的平均值。排氣框架12支板采用此設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)氣流預(yù)旋角沿徑向方向上的不均勻性，減小環(huán)形通道內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域中由于攻角導(dǎo)致的氣流分離，使排氣更順暢，并兼顧了非設(shè)計(jì)工況條件下，從而降低排氣總壓損失，提高發(fā)動機(jī)性能。
[0028]本發(fā)明所述帶Z字形支板的低成本簡易非承力排氣框架加工后進(jìn)行了吹風(fēng)試驗(yàn)、并裝配發(fā)動機(jī)完成整機(jī)性能試驗(yàn)和持久試車，結(jié)果顯示，采用本發(fā)明所述帶Z字形支板的排氣框架其加工成本僅為傳統(tǒng)采用回彎結(jié)構(gòu)和直支板排氣框架成本的62%，同時可明顯降低排氣總壓損失，提高發(fā)動機(jī)性能，且具有較好的壽命及可靠性。
[0029]提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，包括:內(nèi)環(huán)、外環(huán)、以及沿圓周方向均布的多個支板，所述支板位于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間，從而構(gòu)成航空發(fā)動機(jī)的環(huán)形排氣通道，其特征在于:所述支板為帶倒Z字形支板，即支板采用類似于倒Z字型設(shè)計(jì)，內(nèi)環(huán)、外環(huán)及倒Z字形支板之間構(gòu)成環(huán)形燃?xì)馔ǖ馈?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，其特征在于:所述帶倒Z字形支板沿徑向方向分為上半段、下半段及中段，其中的中段與發(fā)動機(jī)軸線平行，上半段沿徑向各截面形狀完全相同，下半段沿徑向各截面形狀完全相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，其特征在于:所述倒Z字形支板的上半段、下半段與發(fā)動機(jī)軸線分別存在夾角α?、夾角α2，α1、α2角度不相同，α?的角度值近似與所述環(huán)形氣流通道上半部分入口處的來流預(yù)旋角的平均值相匹配;α2的角度值近似與所述環(huán)形氣流通道下半部分入口處的來流預(yù)旋角的平均值相匹配。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，其特征在于:所述排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)、倒Z字型支板可單獨(dú)沖壓成型，倒Z字型支板焊接于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，其特征在于:所述排氣框架內(nèi)環(huán)、外環(huán)的流道線為直線或曲線。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶倒Z字形支板的低成本低損失簡易排氣框架，包括：內(nèi)環(huán)、外環(huán)、以及沿圓周方向均布的多個支板，所述支板位于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間，從而構(gòu)成航空發(fā)動機(jī)的環(huán)形排氣通道，其特征在于：所述支板為帶倒Z字形支板，即支板采用類似于倒Z字型設(shè)計(jì)，內(nèi)環(huán)、外環(huán)及倒Z字形支板之間構(gòu)成環(huán)形燃?xì)馔ǖ?。本發(fā)明可有效緩解排氣框架的熱應(yīng)力，簡化排氣框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，縮短加工周期，且重量輕、可靠性高；排氣框架排氣壓力損失小，可提高發(fā)動機(jī)性能水平；應(yīng)用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于各種小型燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動機(jī)、輔助動力裝置或起動機(jī)中。
【IPC分類】F01D25/30
【公開號】CN105715316
【申請?zhí)枴緾N201610053192
【發(fā)明人】曾飛, 歐陽玉清, 董武, 鄒正平
【申請人】北京航空航天大學(xué)