CN102187062A - 涡轮机高压涡轮的通风 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机的高压涡轮，所述涡轮包括转子盘(24)，该转子盘上的上游和下游的环形凸缘(30，32；40，42)将包含转子盘(24)的轮毂(64)的径向内环形腔室(72)与两个径向外环形腔室分开，其中一个外环形腔室(50)在转子盘的上游，接收通风空气流(48)，另一个环形腔室(88)在转子盘的下游，所述转子盘上游凸缘(30，32)包括使上游外腔室(50)与内腔室(72)相连通的通道(74)，以便对转子盘(24)轮毂(64)进行通风。

Description

涡轮机高压涡轮的通风

技术领域

本发明涉及双转子涡轮机(诸如飞机涡轮喷气发动机)的高压涡轮的通风，特别涉及高压涡轮盘的通风。

背景技术

双转子涡轮机具有设置在燃烧室出口处的高压涡轮，目的是从燃烧室喷出的燃气流中提取能量，并将旋转动力传递给燃烧室上游的高压压气机，以便向所述燃烧室输送压力空气。这种涡轮机还包括位于高压涡轮下游的低压涡轮，目的是从燃气流中提取附加能量，并向位于高压压气机上游的低压压气机传递旋转动力。

高压涡轮一般包括位于燃烧室出口处的涡轮盘，该涡轮盘带有由所述燃烧室喷出的燃气流带动旋转的叶片，所述盘周围为静子部件，诸如扇形环，以便对流经涡轮的燃气的流动段进行密封。

因为燃烧气体所达到的高温，静子密封环和转子盘都会承受很高程度的一种热应力，这种热应力会造成这些部件膨胀。

转子盘重量较高，因此，对燃气温度变化的反应要比密封环慢，温度的这种变化是由涡轮机运转速度的变化引起的，因此，会引起不同热膨胀，特别是，因为转子盘暴露于燃烧气体的程度低于其所携带的叶片和静子的密封环。

这种不同的热膨胀导致涡轮机各个工作阶段期间叶片顶部间隙的变化，为此，就必须提供较大量的间隙，但这有损涡轮机的性能。

此外，转子盘内的温度不均匀，尤其是在其装有叶片的径向外周缘(与燃烧气体接触部分)和其轮毂(与燃烧气体隔开部分)之间。

转子盘的温度梯度缩短了其使用寿命，为此，必须使用较厚和较重的转子盘，然而，这与此类涡轮机的设计所坚持的实现重量节省的做法相违背。

为了限制这些缺陷，转子盘通常都采用取自上游的空气来通风处理，目的是当速度增加时能对其加热，从而加速其热膨胀，而在转速降低时对其冷却，以便加速其收缩。

转子盘叶片通常都是由专用通风管路来冷却，这种管路从燃烧室端部引入空气，以便将所述空气通过喷射器送入转子盘紧上游处形成的环形空间内，该环形腔室与叶片内形成的通风回路相连通。

转子盘的轮毂接受通常取自高压压气机级的通风空气，该通风空气—例如—沿圆柱形护罩或护套向下游流动，所述护罩或护套从压缩机的上述级轴向延伸，并在上述腔室内径向地形成环形腔室，而上述腔室向下游延伸一直到高压涡轮的转子盘。

然而，来自高压压缩机的对转子盘轮毂通风的空气温度与燃烧室端部引入的空气温度不同，目的是对所述转子盘的叶片进行通风，结果，空气流动的路径相当长。于是，在转速改变期间，对转子盘轮毂进行通风的空气就经历了温度变化，出现了相对于叶片通风空气和燃烧气体的延迟。

这样，就很难控制叶片顶部的间隙，为此，为了限制叶片和叶片周围密封环过早磨损的风险，必须提供一种较大的间隙量，但这种间隙量有损于涡轮的性能。

此外，这也不利于实现有效降低涡轮转子盘的温度梯度。

另外，燃烧室端部引入的用于高压涡轮叶片通风的空气压力也大于来自高压压缩机的用于所述涡轮转子盘轮毂通风的空气压力。

叶片通风空气流经与叶片内部通风回路相连的环形腔室，于是，其就向转子盘上游侧面的径向外部分施加了压力，同时，轮毂通风空气流过转子盘轮毂两侧的径向内腔室。

这使得转子盘受到的压力不平衡，结果，在转子盘上造成向下游的轴向推力，使得涡轮机更难控制。

发明内容

本发明的一个具体目标就是提供一种可解决上述问题的方案，这种方案简单，成本低，有效，可以避免已有技术的缺陷。

本发明的一个具体目标是降低高压涡轮转子盘内的温度梯度，并降低所述转子盘的温度响应时间。

另一个目标是平衡施加在转子盘两侧的压力，从而限制施加给转子盘上的轴向力。

为此，本发明提出了涡轮机的一种高压涡轮，所述涡轮包括至少一个装有叶片的转子盘，该转子盘具有上游和下游环形凸缘，该凸缘将包含转子盘的轮毂的径向内环形腔室与两个径向外环形腔室分开，其中一个外环形腔室位于转子盘的上游，该腔室接收来自燃烧室端部的空气流，对转子盘叶片通风，另一个外环形腔室位于转子盘的下游，所述涡轮的特征在于，转子盘的上游凸缘包括将上游径向外腔室与径向内腔室相连通的通道，以便对转子盘的轮毂进行通风。

结果，高压涡轮盘的轮毂不再由取自涡轮高压压气机的级的空气来通风，而是由取自燃烧室端部并喷入转子盘上游径向外腔室的一部分空气来通风，同时，所述空气的剩余部分用来对转子盘携带的叶片进行通风。

于是，对转子盘轮毂通风的空气流动路径相对较短，类似于对叶片通风的空气，这样，空气温度就随着涡轮机的运转速度变化，实际上不会出现延迟。

这样，就可以降低高压涡轮转子和环绕所述转子的密封环之间的不同热膨胀，而当设计涡轮尺寸时，叶片顶部的间隙也可以做成较小，不会出现叶片和密封环过早磨损的风险。

本发明还可以降低高压涡轮转子盘内的温度梯度，从而增加所述转子盘的使用寿命，并可以使用厚度较小的转子盘，进而降低了涡轮机的重量，这对飞机涡轮喷气发动机尤其有利。厚度较小的转子盘的使用还可以改善转子盘的温度响应时间，并更有效地限制上述热膨胀之差。

此外，对转子盘轮毂通风的空气压力与对转子盘叶片通风的空气压力相同，这样，通风空气施加给上游和下游的转子盘的压力就相同，使得作用在转子盘上的通风空气的轴向推力得到降低。这就为(特别是)支撑高压涡轮转子的滚动轴承的尺寸设计提供了方便。

在本发明的最佳实施例中，将上游径向外腔室与径向内腔室相连通的通道包括在转子盘上游凸缘的上游面上形成的径向槽，这些槽构成了上游凸缘和该凸缘连接的涡轮机旋转部件之间的空气流动通道。

上游凸缘内的槽(有时称之为新月形槽(crescents))用于使径向外腔室的空气流入径向内腔室，而不会对凸缘机械强度造成损害。

有利的是，转子盘下游凸缘包括将径向内腔室与下游径向外腔室相连通的通道，该通道优选包括在转子盘下游凸缘的下游面上形成的径向槽。这些槽构成了下游凸缘和该凸缘连接的涡轮机的旋转部件之间的空气流动通道。

将下游径向外腔室与径向内腔室相连通，可以使转子盘通风空气的压力施加到所述转子盘的所有下游侧面，这样，就尽可能地降低了施加给转子盘的轴向推力。

下游凸缘的槽在机械特性方面具有与上游凸缘的槽相同的优点。

根据本发明的另一个特性，径向内腔室由圆柱形护罩或护套径向向内形成，护罩或护套的上游端固定到带转子盘上游凸缘的部件上，而下游端固定到带转子盘下游凸缘的部件上。

护套用来以密封方式封闭径向内腔室，而且其优点是远远短于已有技术护套，因为其固定到高压涡轮转子盘的上游和下游，且距转子盘的距离较近。护套的这种缩短不仅实现重量上的节省，而且降低了与护套弯曲模式振动重合的任何风险。

在本发明的最佳实施例中，护套与涡轮机低压涡轮的轴相配合，以形成环形通道，输送取自涡轮机高压压气机级的通风空气。

例如，该通风空气可以用来对高压涡轮下游的低压涡轮的转子部件进行通风。

例如，带有转子盘上游凸缘的部件是带有迷宫式密封件的转子盘，该转子盘包括用来延伸固定到燃烧室内壁上的喷射器的孔口，以便使取自燃烧室端部的空气流得以流过。

例如，带有转子盘下游凸缘的部件是转子的驱动锥形体。

本发明还提供了一种包括了上述类型高压涡轮的涡轮机。

附图说明

下面结合附图，阅读以非限定性示例给出的介绍，可以更好地理解本发明，本发明的其他细节、优点和特性会更清楚地显现出来，附图如下：

·图1为涡轮机轴向截面局部示意图，其包括了已有技术的高压涡轮；

·图2为较大比例的涡轮机轴向截面局部示意图，其包括了本发明的高压涡轮。

具体实施方式

图1示出了已知类型的双转子飞机涡轮喷气发动机10，其特别包括(从上游到下游)高压压气机、燃烧室和高压涡轮。

高压压气机包括由带叶片16，18的盘12，14组成的转子，静子级20置于叶片之间，用来引导流过压气机的空气流。高压压气机在其出口处装有离心叶轮22，用来输送压力空气给燃烧室。

高压涡轮基本上包括带叶片26的转子盘24，叶片在燃烧室喷出的燃烧气体的流动段内延伸，目的是从燃气流中提取机械能，以便按已知方式将旋转动力传递给高压涡轮和高压压气机的转子。转子盘的叶片26周围是扇形密封环(图中未示)，该密封环固定到高压涡轮外壳上，用来密封燃烧气体流过所述涡轮的流动段。

高压涡轮的转子盘24采用环形凸缘30固定到位于转子盘24上游的旋转盘28上，所述环形凸缘自圆柱形壁32的上游端径向延伸，而圆柱形壁32则从高压涡轮转子盘24的上游侧面34向上游延伸。旋转盘28带有迷宫式密封装置的密封片36，并连接到高压压气机的转子上。

高压涡轮的转子盘同时还采用环形凸缘40连接到位于转子盘24下游的传动锥形体38上，所述环形凸缘40在圆柱形壁42的下游端径向延伸，而圆柱形壁42则从高压涡轮转子盘24的下游侧面44向下游延伸。传动锥形体38还带有迷宫式密封装置的密封片46。

工作时，因为温度很高的燃烧气体流过涡轮，高压涡轮转子盘24的叶片26和环绕在这些叶片周围的密封环承受很高的热应力。

为了限制这种热应力对叶片26使用寿命带来的不利影响，叶片包括内部管路，输送来自燃烧室端部的通风空气，该通风空气的温度低于燃烧气体的温度。

该空气(箭头48所示)由喷射器52喷到环形腔室50，喷射器围绕涡轮喷气发动机轴线按一定角度分布，安装在弯管54的上游端，而这些弯管则连接到管状空间56，后者在燃烧室周围并由所述燃烧室径向内截头圆锥形壁58形成。离开喷射器的通风空气48经由旋转盘28上的孔口62进入腔室50。

腔室50由旋转盘28、带有上游凸缘30的圆柱形壁32和转子盘24上游侧面34形成，该腔室50与叶片26内的通风管路相连通并经由叶根而开口于所述腔室。通风空气48沿转子盘上游侧面34径向向外流过腔室50，一直到叶片26的通风管路的进气孔口。

工作时，燃烧气体的高温使得叶片26与环绕其周围的密封环一起热膨胀，而且，高温气体还使得带有叶片的转子盘24膨胀。

该温度的变化是涡轮喷气发动机运转速度的函数，这样，当运转速度增加和降低时，上述部件会膨胀和收缩。

转子盘的轮毂64的通风来自于涡轮喷气发动机高压压气机的空气66，例如，转子盘12和14之间，这部分空气沿圆柱形护罩或护套68被导向下游，护罩或护套的上游端连接到高压压气机的转子盘12上，而其下游端通过凸缘70连接到传动锥形体38上。空气66流过转子盘24内并围绕其轮毂64的孔，流入径向内腔室72，后者具体是由护套68和转子盘24上下游圆柱形壁32和42形成，该通风空气66而后经由护套凸缘70和传动锥形体38内形成的孔口自下游流出。

通风空气66用来使转子盘24保持一定温度范围，以限制所述转子盘内的温度梯度。

此外，在涡轮喷气发动机运转速度增加期间，空气66的温度也增加，从而加热了转子盘24，进而加速了转子盘的热膨胀，限制了高压涡轮叶片26顶部间隙的增加，尽管叶片周围密封环的膨胀较快。

在减速期间，空气66的温度也降低，于是，所述空气冷却了转子盘，并加速了转子盘的热收缩，从而降低了叶片26的顶部和收缩更快的密封环之间的摩擦风险。

然而，取自高压压气机的空气66的温度不同于取自燃烧室端部的空气48的温度，而且，该温度会以明显延迟对涡轮喷气发动机转速变化而做出反应，结果，影响了这种技术对转子盘24轮毂通风的效果。

此外，取自燃烧室端部的通风空气48的压力高于来自高压压气机的通风空气66的压力，这个压力被施加到转子盘24上游侧面34的径向外部，同时，通风空气66的较低压力被应用到转子盘轮毂64的两侧。结果，形成了一种在下游作用在转子盘24上的轴向力，从而使得涡轮喷气发动机的控制更难。

为了解决这些问题，本发明提出了改进高压涡轮转子盘24的通风手段，更确切地说，本发明提出利用一部分来自燃烧室端部的通风空气48来对转子盘24的轮毂64进行通风。

图2示出了根据本发明的涡轮喷气发动机10的一部分，特别是，所述涡轮喷气发动机高压涡轮的转子盘24，及其临近周围部分。

在本发明中，转子盘24的上游凸缘30包括其上游面上形成的径向槽74，所述上游面压靠在旋转盘28下游侧面上，以便形成通道，使得径向位于上游圆柱形壁32外部的环形腔室50与径向位于所述壁32内部的环形腔室72相连通。

这些槽74(有时称之为新月形槽(crescents))可使一部分76通风空气48进入到转子盘24轮毂64延伸的径向内腔室72内，以便对轮毂进行通风，同时，剩余部分78通风空气48继续向叶片26的内部管路送气。

径向内腔室72由圆柱形护套80形成，护套的上游端固定到转子盘28上，而其下游端固定到传动锥形体82上，后者安装在涡轮转子盘24的下游。于是，该护套提供了轴向长度的优点，该长度要远远短于上述已有技术护套68的轴向长度。

此外，类似于槽74的槽84在下游凸缘40的下游面上形成，下游凸缘压靠在传动锥形体82的上游径向壁86上，目的是形成通道，即，使得径向内腔室72与下游环形腔室88相连通，下游环形腔室88径向位于带下游凸缘40的圆柱形壁42的外部，并由转子盘24的下游侧面44和静子部件89形成。

如上述已有技术那样，通风空气66继续取自高压压气机，但是，该空气不再流入径向内腔室72，而是经由护套80和位于高压涡轮下游的低压涡轮转子轴91形成的环形通道90被导向。该空气66流向下游，穿过传动锥形体82内的孔口92，用来对低压涡轮的各个部件(诸如转子盘)进行通风。这样，不同于已有技术的传动锥形体38，该传动锥形体82没有开口于径向内腔室72的孔口。

工作时，取自燃烧室端部的一部分78通风空气48用来对叶片26进行通风，而另一部分76空气流过上游凸缘30内的槽74形成的通道而到达径向内腔室72。于是，这部分空气76可对高压涡轮的转子盘24进行通风，特别是其轮毂，通过从上游流到下游经过腔室72，这样，就流过轮毂64，如图中箭头94和96所示。而后，对转子盘24通风的空气流过下游凸缘40的槽84形成的通道，直到其进入下游径向外腔室88，如箭头98所示，于是，对转子盘24下游侧面44也进行通风。

为此，转子盘24通风空气76温度与叶片26通风空气78的温度相同。该温度低于从燃烧室喷出的燃烧气体的温度，这样，空气78就继续冷却叶片，该温度的变化是涡轮喷气发动机运转速度的函数，于是，空气76在转速增加时加热转子盘24，而在转速下降时冷却转子盘24。

从燃烧室端部引出的通风空气76的温度对涡轮喷气发动机转速变化的反应要快于从高压压气机引出的通风空气66的温度。

这样，高压涡轮静子密封环的热膨胀和所述涡轮转子的热膨胀之间就会实现良好同步，从而对转子盘24上的叶片26的顶部间隙达到有效控制。

另外，转子盘24的温度也会更加均匀，提高了转子盘的使用寿命，而且，在设计高压涡轮尺寸时，也可以使用比现有技术更薄的转子盘，从而实现重量节省，进一步改善了转子盘温度响应时间。

此外，在三个环形腔室(分别为径向外腔室50和88，以及径向腔室72)内流动的空气76确保了施加给转子盘24上游和下游侧面34和44上的压力相同，这样，通风空气作用在转子盘上的轴向推力大体上等于零，从而使得涡轮喷气发动机的控制更加容易。

最后，护套80比现有技术护套68要短，实现了重量节省，降低了与护套弯曲模式重合的振动风险。

在上述图2所示示例中，将径向外腔室50和88与径向内腔室72相连通的通道是凸缘30和40内形成的径向槽所形成的通道。这些槽用来使上述腔室相连通，同时，又保持了带凸缘30和40的圆柱形壁32和42的刚性。

在另一种方式中，或者此外，可以提供穿过这些圆柱形壁32和42的孔口，以便通风空气流入各个腔室。

Claims (10)

1.一种涡轮机的高压涡轮，所述涡轮包括至少一个装有叶片的转子盘(24)，该转子盘具有上游和下游环形凸缘(30，32；40，42)，该凸缘将包含转子盘(24)的轮毂(64)的径向内环形腔室(72)与两个径向外环形腔室分开，其中一个外环形腔室(50)位于转子盘的上游，该腔室接收来自燃烧室端部的空气流(48)，对转子盘叶片通风，另一个外环形腔室(88)位于转子盘的下游，所述涡轮的特征在于，转子盘的上游凸缘(30，32)包括将上游径向外腔室(50)与径向内腔室(72)相连通的通道(74)，以便对转子盘(24)的轮毂(64)进行通风。

2.根据权利要求1所述的高压涡轮，其特征在于，将上游径向外腔室(50)与径向内腔室(72)相连通的通道包括在转子盘上游凸缘(30)的上游面上形成的径向槽(74)，这些槽(74)在上游凸缘(30)和与所述凸缘相连的涡轮机旋转部件(28)之间形成空气流动通道。

3.根据权利要求1或2所述的高压涡轮，其特征在于，转子盘下游凸缘(40)包括将径向内腔室(72)与下游径向外腔室(88)相连通的手段(84)。

4.根据权利要求3所述的高压涡轮，其特征在于，将下游径向外腔室(88)与径向内腔室(72)相连通的通道包括在转子盘下游凸缘(40)的下游面上形成的径向槽(84)，这些槽(84)在下游凸缘(40)和与该凸缘相连的涡轮机旋转部件(82)之间形成空气流动通道。

5.根据以上任一项权利要求所述的高压涡轮，其特征在于，径向内腔室(72)由圆柱形护罩或护套(80)径向向内形成，所述护罩或护套的上游端固定到部件(28)上，该部件(28)带有转子盘(24)的上游凸缘(30)，其下游端固定到部件(82)上，该部件(82)带有转子盘的下游凸缘(40)。

6.根据权利要求5所述的高压涡轮，其特征在于，所述护套(80)与涡轮机低压涡轮的轴(91)相配合，以形成环形通道(90)，该环形通道(90)用于输送取自涡轮机高压压气机级的通风空气(66)。

7.根据以上任一权利要求所述的高压涡轮，其特征在于，带有转子盘(24)的上游凸缘(30)的部件是一带有迷宫式密封件(36)的转子盘(28)，该转子盘包括供取自燃烧室端部的空气流(48)流过的孔口(62)。

8.根据权利要求7所述的高压涡轮，其特征在于，带有迷宫式密封件(36)的转子盘(28)的孔口(62)与固定到燃烧室内壁(58)上的喷射器(52)对齐。

9.根据以上任一项权利要求所述的高压涡轮，其特征在于，带有转子盘的下游凸缘(40)的部件是转子的传动锥形体(82)。

10.一种涡轮机，其特征在于，其包括根据前面任一项权利要求所述的高压涡轮。

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