CN105386794A - 涡轮盘刚度自增强的涡轮结构 - Google Patents

涡轮盘刚度自增强的涡轮结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，包括壳体及设置在壳体内的一级和二级涡轮静子、具有轮盘刚度自增强结构的一级和二级涡轮转子、石墨环等；涡轮静子与壳体连接，一级和二级涡轮转子经轮盘刚度自增强结构连接后通过转轴固定于壳体中轴线上；设置于二级涡轮静子盘孔内的石墨环与二级涡轮转子篦齿结构形成接触式密封；涡轮转子高速旋转时，轮盘刚度自增强结构搭接紧度增大，一级和二级涡轮转子综合刚度增大，振动安全性提高。

Description

涡轮盘刚度自增强的涡轮结构
技术领域
本发明涉及一种涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，可应用于航空、航天及临近空间组合发动机。
背景技术
两级轮盘式涡轮广泛应用于航空、航天及临近空间组合发动机等领域，在发动机大推重比设计指标和发动机轴系转子动力学特性要求下，涡轮转子轮盘厚度在满足强度要求的前提下逐渐减薄；轮盘厚度减薄后刚度降低，轮盘自身频率下降，在高速旋转环境中与转动频率发生耦合作用导致振动安全性不足，影响涡轮工作可靠性。为提高高速旋转环境下轮盘刚度，在多级涡轮设计中普遍采用拉杆式和鼓式结构等，但是由于拉杆式和鼓式结构复杂、加工制造及装配工艺要求高，应用于两级涡轮时无明显优势。
发明的内容
为克服现有拉杆式、鼓式等轮盘刚度增强结构的不足，本发明提供一种结构简单可靠、重量轻、工艺简单的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构。
本发明的技术解决方案是：
本发明所提供的一种涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，包括壳体1、位于壳体1内的一级涡轮静子2、一级涡轮转子3、二级涡轮静子4、二级涡轮转子5，所述一级涡轮静子2、一级涡轮转子3、二级涡轮静子4、二级涡轮转子5沿燃气流动方向依次设置，其中一级涡轮转子3与二级涡轮转子5设置在转轴上，一级涡轮静子2与二级涡轮静子4设置在壳体1上，其特殊之处在于：
所述二级涡轮转子的盘毂搭接在一级涡轮转子的盘毂上形成内层环状搭接结构；其中一级涡轮转子盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子盘毂搭接部位的内表面过盈配合；
所述一级涡轮转子的轮盘靠近二级涡轮转子轮盘的一侧设置有与一级涡轮转子同轴的第一加强环，所述二级涡轮转子的轮盘靠近一级涡轮转子轮盘的一侧设置有与二级涡轮转子同轴的第二加强环，所述第二加强环搭接在第一加强环的外侧形成外层环状搭接结构；所述第一加强环的外表面与第二加强环内表面过盈配合。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：
为了使高温燃气依次从一级涡轮静子、一级涡轮转子、二级涡轮静子、二级涡轮转子之间的叶片通道流过，减少燃气泄漏损失，本发明在第二加强环的外表面还设置有篦齿，在二级涡轮静子4盘孔处设置有石墨环，涡轮不工作时篦齿与石墨环单边径向间隙为0.5mm，涡轮工作时发生结构变形，篦齿与石墨环形成接触式密封，以阻止高温燃气从二级涡轮静子盘孔处泄漏。
进一步的，为了方便涡轮结构的安装，本发明的壳体及壳体上设置的一级涡轮静子与二级涡轮静子均为中心对称分半结构。
再进一步的，本发明的第一加强环与一级涡轮转子的轮盘为一体式结构，第二加强环与二级涡轮转子的轮盘为一体式结构。该结构优点是简单可靠，一体式结构刚性好，有利于提高搭建结构整体刚度。
再进一步的，本发明内层环状搭接结构的搭接面为台阶环状。
再进一步的，本发明的一级涡轮转子盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子盘毂搭接部位的内表面按过盈量0.01～0.02mm搭接；第一加强环的外表面与第二加强环内表面过盈量0.01～0.02mm搭接。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用基于内层环状搭接结构和外层环状搭接结构的轮盘刚度自增强结构，利用一级涡轮转子和二级涡轮转子高速旋转时在固有的离心载荷和温度载荷作用下产生差异性结构变形的特点，不需要采用其它零件即可实现轮盘刚度的增强，具有结构简单可靠、重量轻的优点。
2、本发明的内层环状搭接结构实现了在全工况范围内各级轮盘中轴线相对位置保持不变，在高速旋转环境下具有自动定心功能，从而抑制了由于高速旋转导致各级轮盘中轴线相对位置变化引起的振动增大问题。外层环状搭接结构通过在相应径向尺寸上轮盘间的相互辅助支撑，在全工况范围内提高轮盘整体刚度，轮盘自身振动频率增大，与转速频率保证安全的避开率，从而提高轮盘在高速旋转环境下的振动安全性。
3、本发明可通过调整篦齿密封环径向尺寸实现对轮盘轴向力的调节，结构简单有效。
附图说明
图1为本发明的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构剖面图；
图2为本发明的内层环状搭接结构；
图3为本发明的外层环状搭接结构和接触式密封结构。
其中附图标记为：1-壳体、2-一级涡轮静子、3-一级涡轮转子、4-二级涡轮静子、5-二级涡轮转子、6-石墨环、7-外层环状搭接结构、8-内层环状搭接结构、9-转轴、10-篦齿。
具体实施方式
本发明涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，是提高高速旋转环境下轮盘刚度的一种全新方案。轮盘刚度自增强结构由内层环状搭接结构和外层环状搭接结构组成，通过内层环状搭接结构实现了全工况范围内各级轮盘中轴线相对位置保持不变，在高速旋转环境下具有自动定心功能；外层环状搭接结构通过在相应径向尺寸上轮盘间的相互辅助支撑，提高轮盘整体刚度，从而提高轮盘在高速旋转环境下的振动安全性。
以下结合附图对本发明做详细说明：
如图1所示，本发明由壳体1及设置在壳体1内用于实现气流导向的一级涡轮静子2、一级涡轮转子3、二级涡轮静子4、二级涡轮转子5及石墨环6等组成。
一级涡轮转子3和二级涡轮转子5设置在转轴9上，二级涡轮转子的盘毂搭接在一级涡轮转子的盘毂上形成内层环状搭接结构；一级涡轮转子盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子盘毂搭接部位的内表面过盈配合；一级涡轮转子的轮盘靠近二级涡轮转子轮盘的一侧设置有与一级涡轮转子同轴的第一加强环，二级涡轮转子的轮盘靠近一级涡轮转子轮盘的一侧设置有与二级涡轮转子同轴的第二加强环，第二加强环搭接在第一加强环的外侧形成外层环状搭接结构；第一加强环的外表面与第二加强环内表面过盈配合。
壳体1为中心对称分半结构，壳体1内表面设置一级涡轮静子2和二级涡轮静子4安装边；涡轮静子经壳体1内表面安装边与壳体1固定连接；石墨环6通过径向配合和轴向限位结构固定于二级涡轮静子4盘孔内，与二级涡轮转子5篦齿10密封结构形成接触式密封。
如图2所示，本发明内层环状搭接结构8中一级涡轮转子3盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子5盘毂搭接部位的内表面按过盈量0.01～0.02mm搭接；如图3所示，本发明外层环状搭接结构7中一级涡轮转子3第一加强环的外表面与二级涡轮转子5第二加强环的内表面按过盈量0.01～0.02mm搭接。涡轮转子不旋转时，外层环状搭接结构二级涡轮转子的篦齿密封环与石墨环单边径向间隙为Y＝0.5mm。
工作时，驱动涡轮的高温高压燃气依次流经一级涡轮静子2、一级涡轮转子3、二级涡轮静子4和二级涡轮转子5，在涡轮静子内膨胀后驱动涡轮转子高速旋转对外输出功率。涡轮转子高速旋转时，流经一级涡轮静子2、一级涡轮转子3、二级涡轮静子4和二级涡轮转子5的燃气温度及压力逐步降低，一级涡轮转子的温度大于二级涡轮转子的温度。因此，涡轮转子高速旋转时，在离心载荷和温度载荷综合作用下，一级涡轮转子3盘毂搭接部位的外表面径向变形量大于二级涡轮转子5盘毂搭接部位的内表面径向变形量，内层环状搭接紧度增大，从而保证在全工况范围内各级轮盘中轴线相对位置保持不变，在高速旋转环境下具有自动定心功能，抑制了由于高速旋转导致各级轮盘中轴线相对位置变化引起的振动增大。一级涡轮转子3第一加强环的外表面径向变形量大于二级涡轮转子5第二加强环的内表面径向变形量，外层环状搭接紧度增大，通过在相应径向尺寸上轮盘间的相互辅助支撑，在全工况范围内提高轮盘整体刚度，轮盘自身振动频率增大，与转速频率保证足够的避开率，从而提高轮盘在高速旋转环境下的振动安全性。在涡轮转子高速旋转时，在离心载荷和温度载荷作用下，外层环状搭接结构径向尺寸增大，此时二级涡轮转子的篦齿与石墨环之间的间隙Y＝0mm，从而实现接触式密封。
本发明可通过调整外层环状搭接结构径向尺寸，对篦齿密封结构两侧高压区域和低压区域面积进行调整，从而调整一级涡轮转子3和二级涡轮转子5轴向力。

Claims (8)

1.一种涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，包括壳体(1)、位于壳体(1)内的一级涡轮静子(2)、一级涡轮转子(3)、二级涡轮静子(4)、二级涡轮转子(5)，所述一级涡轮静子(2)、一级涡轮转子(3)、二级涡轮静子(4)、二级涡轮转子(5)沿燃气流动方向依次设置，其中一级涡轮转子(3)与二级涡轮转子(5)设置在转轴上，一级涡轮静子(2)与二级涡轮静子(4)设置在壳体(1)上，其特征在于：
所述二级涡轮转子的盘毂搭接在一级涡轮转子的盘毂上形成内层环状搭接结构(8)；其中一级涡轮转子盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子盘毂搭接部位的内表面过盈配合；
所述一级涡轮转子的轮盘靠近二级涡轮转子轮盘的一侧设置有与一级涡轮转子同轴的第一加强环，所述二级涡轮转子的轮盘靠近一级涡轮转子轮盘的一侧设置有与二级涡轮转子同轴的第二加强环，所述第二加强环搭接在第一加强环的外侧形成外层环状搭接结构(7)；所述第一加强环的外表面与第二加强环内表面过盈配合。
2.根据权利要求1所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：
所述第二加强环的外表面还设置有篦齿(10)，所述二级涡轮静子(4)盘孔处设置有石墨环(6)，所述篦齿(10)与石墨环(6)在涡轮转子高速旋转时形成接触式密封。
3.根据权利要求2所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：所述篦齿(10)与石墨环(6)在涡轮转子不旋转时单边径向间隙为0.5mm。
4.根据权利要求2所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：所述篦齿(10)的数量为3-5个。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：所述壳体(1)及壳体(1)上设置的一级涡轮静子(2)与二级涡轮静子(4)均为中心对称分半结构。
6.根据权利要求5所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：所述第一加强环与一级涡轮转子的轮盘为一体式结构，第二加强环与二级涡轮转子的轮盘为一体式结构。
7.根据权利要求5所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：内层环状搭接结构(8)的搭接面为台阶环状。
8.根据权利要求6所述的涡轮盘刚度自增强的涡轮结构，其特征在于：
所述一级涡轮转子盘毂搭接部位的外表面与二级涡轮转子盘毂搭接部位的内表面按过盈量0.01～0.02mm搭接，
所述第一加强环的外表面与第二加强环内表面过盈量0.01～0.02mm搭接。
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