CN104863894B - 一种压气机轮盘及转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及了一种压气机轮盘及转子，该转子包括本发明提供的压气机轮盘，压气机轮盘包括由外缘向内依次分布的轮缘、上腹板、中间体、下腹板和中心体，上、下腹板均关于压气机轮盘的基准线对称，中间体关于基准线不对称，中间体的一侧面为长距侧，另一侧面为短距侧；还包括调节凸块，调节凸块设置于上腹板与中间体短距侧的过渡处，调节凸块的截面形状为类直角三角形，调节凸块的两直角面边分别与上腹板和中间体完全贴合，调节凸块的斜面上沿其周向开设若干平衡孔。本发明提供的压气机轮盘及转子，使非对称轮盘在轴向宽度有限且受抽气口影响的情况下，仍能保证较高的位移均匀性及较强的强度，同时能满足平衡精度要求。

Description

一种压气机轮盘及转子

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种压气机轮盘及转子，更具体地涉及一种可调整变形和平衡的压气机轮盘及转子。

背景技术

压气机内的各零部件根据运动形式，分为转子和静子。其中，静子包括：气缸、静叶和持环等；转子包括：轮盘、轴、动叶以及装在一起的其他零件。静叶和动叶统称叶片，动叶安装于轮盘上，静叶直接安装于气缸上，或通过持环安装于气缸上。压气机动叶把透平的机械功传给空气，是压缩空气的关键零件；静叶的功能是把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，以提高静压，同时能使气流转弯以适应下一级动叶的进口方向。

压气机中，在转子与静子的部件之间必须有间隙，并要求在工作时不会接触而相碰擦。但过大的间隙会造成动叶顶部间隙处有泄漏及回流，对压气机效率有较大影响，因此，通常总是希望将叶片的径向间隙尽可能小些。这就需要转、静子变形尽可能均匀。就叶片而言，它的变形除了自身的变形还累积了轮盘的变形；就压气机而言，由于轮盘尺寸大于叶片尺寸，控制轮盘的变形，设计一种变形分布均匀的轮盘尤为重要。

为了保证燃气轮机的安全、稳定运行和启停，需要从压气机的某几级中抽取一部分压缩气体通入透平或其后排气通道。通常抽气口布置于压气机静叶后动叶前，受抽气口影响，加之考虑流道的影响，抽气口附近轮盘结构往往不对称。但是，不对称的轮盘结构在高速旋转时，受离心力的影响，易产生离心弯矩作用，出现轴向弯曲变形，使得轮盘蓖齿封严环偏斜，倾斜后的蓖齿封严环表面与未倾斜的静子表面之间的缝隙不均匀，不利于气体密封。为了保证转子在整个工作过程中安全运行，使其在残余不平衡量最不利的的分布情况下，振动值同时满足安全标准要求是必要的。因此，需要设计对轮盘进行平衡的平衡装置。

目前，传统的轮盘设计中位移分布均匀和平衡转子是单独考虑的，平衡装置通常位于上腹板主体平整部位。但该方法不是专门针对非对称轮盘使用的，当应用到非对称轮盘上时，位于上腹板中部的平衡装置对刚度的调节作用不足，为达到轮盘均匀的变形效果，调整很麻烦，甚至需要对腹板的型线进行修改，设计工作量大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种压气机轮盘及转子，使非对称轮盘在轴向宽度有限且受抽气口影响的情况下，仍能保证较高的位移均匀性及较强的强度，同时能满足平衡精度要求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压气机轮盘，包括由外缘向内依次分布的轮缘、上腹板、中间体、下腹板和中心体，所述轮缘、上腹板、中间体、下腹板和中心体为一体结构，所述上、下腹板均关于所述压气机轮盘的基准线对称，所述中间体关于所述基准线不对称，所述中间体的一侧面为长距侧，另一侧面为短距侧，所述长距侧距所述基准线的距离大于所述短距侧；还包括调节凸块，所述调节凸块设置于所述上腹板与所述中间体短距侧的过渡处，所述调节凸块的截面形状为类直角三角形，所述调节凸块的两直角面边分别与所述上腹板和中间体完全贴合，所述调节凸块的斜面上沿其周向开设若干平衡孔。

优选的，前述斜面与基准线的夹角小于43°。

优选的，前述斜面与基准线的夹角为28-38°。

优选的，前述平衡孔垂直于所述斜面设置，且设置于所述斜面的轴向中点上。

优选的，前述平衡孔的数量大于或等于12个，且所述平衡孔沿周向均布于所述斜面上。

优选的，前述平衡孔的数量可以整除圆周角360°。

优选的，前述平衡孔的内壁上设有螺纹。

进一步的，前述轮缘与所述上腹板的过渡处还设有篦齿封严环。

进一步的，前述篦齿封严环、上腹板、中间体、下腹板和中心体的过渡处均采用圆弧过渡。

本发明还提供一种转子，包括如上所述的压气机轮盘。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的压气机轮盘及转子，考虑压气机抽气口附近压气机轮盘的结构特征，在保证位移分布均匀的基础上，将位移调整装置与平衡调整装置有机的组合到了一起。在压气机轮盘几何形状不对称的条件下，通过简单的方法，即在刚度调节作用较强处——上腹板和中间体的过渡处加设调节凸块，调节凸块的斜面上设置平衡孔，实现了位移调整和平衡功能的组合，在保证强度的基础上，实现了轮盘变形的轴向及径向均匀性，为转静子间隙设计提供了保障，同时能满足旋转机械平衡精度的要求，可降低对质量偏心的要求。所述结构易于生产加工。

附图说明

图1为现有的压气机转静子结构示意图；

图2为本发明压气机轮盘的结构示意图；

图3为本发明压气机轮盘的剖视图；

图4为图3中A部的放大图；

图5为本发明压气机轮盘的立体示意图；

图6为本发明压气机轮盘的径向位移云图；

图7为现有压气机轮盘的应力图；

图8为仅设有调节凸块的压气机轮盘的应力图；

图9为设有调节凸块和平衡孔的压气机轮盘的应力图。

其中，1：动叶；2：压气机轮盘；3：持环；4：静叶；5：抽气口；6：气缸；7：静叶内环；10：压气机进口；20：压气机出口；30：基准线；31：轮缘；32：篦齿封严环；33：上腹板；34：中间体；35：下腹板；36：中心体；37：短距侧；38：长距侧；39：调节凸块；40：调节凸块与上腹板交点；41中间体短距侧与上腹板过渡圆角起点；42：斜面；43：平衡孔；44：孔壁延长线；45：平衡孔中心线；50：等值线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

现有的压气机转静子，如图1所示，其动叶1安装在轮盘2上，静叶4通过持环3安装于气缸6上。为了防止碰磨与剐蹭，动叶1与持环3在设计中存在间隙Δ1，静叶4与蓖齿封严环32在设计中存在间隙Δ2。然而太大的间隙会导致泄漏和效率损失，因此要合理设计Δ1与Δ2值。

由于动叶1的位移除了自身的变形还累积了轮盘的变形。为了达到控制间隙目的，通常要求压气机轮盘2和动叶1的变形都要均匀。动叶1通过旋转压缩空气。压气机中的空气由压气机进口10到压气机出口20，温度不断提升。由于压气机轮盘2尺寸大于动叶1，因此控制压气机轮盘2的变形，使其沿径向变形尽可能均匀至为重要。

为了保证透平的冷却及燃机的稳定运行和启停，需要从压气机的某几级中抽取一部分空气通入透平。抽气口5布置于静叶4与动叶1之间。受抽气口影响，抽气口5前的静叶内环8远宽于其他级静叶4，进而导致抽气口5前的压气机轮盘2严重不对称。非对称轮盘由轮缘31、上腹板33、下腹板35、中间体34、中心体36、蓖齿封严环32等组成。其中，如图2所示，图中的基准线30为设计时所采用的基准中心线，也是上腹板33和下腹板35主体的中心线，压气机轮盘2的左侧，即短距侧37距离基准线30较右侧，即长距侧38短。从图中可同时发现蓖齿封严环32右侧也长于左侧。该级压气机轮盘2在离心力作用下中间体34及其以上部分变形不均匀，发生了一定偏斜，尤其是蓖齿封严环32左侧翘曲严重，会对转静子间隙设计带来一定影响。同时该级压气机轮盘2上没有加工有用于平衡的平衡装置，使得对压气机轮盘2的加工偏心量要求极高，基于国内现有加工精度，需要付出较大代价才能实现。

因此，如图2-5所示，本实施例提供的一种压气机轮盘，包括由外缘向内依次分布的轮缘31、上腹板33、中间体34、下腹板35和中心体36，轮缘31、上腹板33、中间体34、下腹板35和中心体36为一体结构；上腹板33、下腹板35均关于压气机轮盘的基准线30对称，中间体34关于基准线30不对称，中间体34的一侧面为长距侧38，另一侧面为短距侧37，长距侧38距基准线30的距离大于短距侧37；轮缘31与上腹板33的过渡处还设有篦齿封严环32。

还包括调节凸块39，调节凸块39设置于上腹板33与中间体34在短距侧37的过渡处，调节凸块39的截面形状为直角三角形，调节凸块39的两直角面边分别与上腹板33和中间体34完全贴合，调节凸块39的斜面42与上腹板33与中间体34光滑相切过渡，即圆弧过渡，调节凸块39与上腹板33的交点40高于上腹板33与中间体34长距侧一端的过渡圆角的起点41。斜面42与基准线30的夹角小于43°，优选的，斜面42与基准线30的夹角为28-38°。

调节凸块39的斜面42上沿其周向开设若干平衡孔43。平衡孔43垂直于斜面42设置，且设置于斜面42的轴向中点上。平衡孔43的数量大于或等于12个，且平衡孔43沿周向均布于斜面42上。平衡孔43的数量可以整除圆周角360°，这样做的好处在于，动平衡时，便于计算对应平衡孔43中需要添加的平衡质量的大小。平衡孔43的内壁上还可设有螺纹，通过旋入称重后的螺栓或螺钉进行配重。

调节凸块39与布置于其上的平衡孔43实现了位移调节与平衡的组合功能。为了加工平衡孔43方便起见，平衡孔中心线45及孔壁延长线44与轮缘31及蓖齿封严环32不相交，以避免加工中的干涉。

在本实施例中，调节凸块39的斜面42与基准线30的夹角为30°，平衡孔43垂直于调节凸块39的斜面42，且平衡孔43的深度不超过基准线30。可以强化调节凸块39的位移调整作用，弱化平衡孔对轮盘强度的影响。平衡孔的个数为24。

实施例二

本实施例提供的一种转子，包括如实施例一中所述的压气机轮盘。

本发明实施例的径向位移云图，如图6所示，虚线线框代表变形前的模型，布有等值线50的实线线框代表变形后的轮盘。从图6可发现，采用本发明提供的压气机轮盘及转子后，等值线50与基准线30接近垂直，压气机轮盘2变形相对均匀化，蓖齿封严环32左侧翘曲现象消失。同时采用本发明方案先后，压气机轮盘的应力对比如图7-9所示，经对比可发现压气机轮盘32的最大应力无明显提高，表明本发明方案强度是可靠的。

综上所述，本发明具有以下优点：针对受抽气口及流道影响造成的压气机轮盘的不对称，本发明提供的压气机轮盘，组合了调整变形及平衡的功能，有效地控制了压气机轮盘的变形，同时降低了对压气机轮盘加工偏心的要求。本发明的实施方案既便于加工有保证了强度，可带来有效地经济效益。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种压气机轮盘，其特征在于，包括由外缘向内依次分布的轮缘、上腹板、中间体、下腹板和中心体，所述轮缘、上腹板、中间体、下腹板和中心体为一体结构，所述上、下腹板均关于所述压气机轮盘的基准线对称，所述中间体关于所述基准线不对称，所述中间体的一侧面为长距侧，另一侧面为短距侧，所述长距侧距所述基准线的距离大于所述短距侧；还包括调节凸块，所述调节凸块设置于所述上腹板与所述中间体短距侧的过渡处，所述调节凸块的截面形状为类直角三角形，所述调节凸块的两直角面边分别与所述上腹板和中间体完全贴合，所述调节凸块的斜面上沿其周向开设若干平衡孔。

2.根据权利要求1所述的压气机轮盘，其特征在于，所述斜面与基准线的夹角小于43°。

3.根据权利要求2所述的压气机轮盘，其特征在于，所述斜面与基准线的夹角为28-38°。

4.根据权利要求1所述的压气机轮盘，其特征在于，所述平衡孔垂直于所述斜面设置，且设置于所述斜面的轴向中点上。

5.根据权利要求1所述的压气机轮盘，其特征在于，所述平衡孔的数量大于或等于12个，且所述平衡孔沿周向均布于所述斜面上。

6.根据权利要求5所述的压气机轮盘，其特征在于，所述平衡孔的数量可以整除圆周角360°。

7.根据权利要求1所述的压气机轮盘，其特征在于，所述平衡孔的内壁上设有螺纹。

8.根据权利要求1所述的压气机轮盘，其特征在于，所述轮缘与所述上腹板的过渡处还设有篦齿封严环。

9.根据权利要求8所述的压气机轮盘，其特征在于，所述篦齿封严环、上腹板、中间体、下腹板和中心体的过渡处均采用圆弧过渡。

10.一种转子，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的压气机轮盘。