CN105484871B - 一种利用退役涡扇发动机改制车载燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，属于燃机技术领域。包括进气支承机匣、中介机匣、高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器、高压涡轮盘、低压涡轮导向器、低压涡轮转子、涡轮后支承机匣、以及拆除加力及喷口调节的外部系统，其特征在于：所述进气支承机匣一端用于连接试车台进气道，另一端的喇叭口外环伸入中介机匣，与中介机匣内的内环相配合，进气支承机匣外周和中介机匣的转接外环连接件，进气支承机匣内环与中介机匣转接内环搭接。本发明能够满足用户对车载燃气轮机性能、可靠性、重量及尺寸要求的前提下有效降低制造成本。同时通过改变燃机进口可调导叶调节规律，保证车载燃气轮机在50％‑100％额定转速下均能稳定工作。

Description

一种利用退役涡扇发动机改制车载燃气轮机

技术领域

本发明属于燃机技术领域，特别是涉及一种利用退役涡扇发动机改制车载燃气轮机。

背景技术

目前利用涡扇航空发动机改制燃气轮机普遍采用在原结构的基础上研发新结构低压压气机及低压涡轮，同时为减小外涵空气流量新设计外涵道，形成双转子或单转子燃气发生器，匹配新结构的动力涡轮，形成用于发电或机械驱动用的燃气轮机。改制后的燃气轮机结构较原涡扇航空发动机结构相比需研发燃气轮机关键部件，转子支承分布及润滑、密封结构也需新设计，研制成本高。同时，燃气轮机稳定工作转速范围设计较窄(90％-100％最高转速)不能满足用户对车载燃气轮机用于机械驱动的要求。

发明内容

针对上述存在的技术问题，为了降低车载燃气轮机研制成本，减轻燃气轮机重量，同时在满足用户对车载燃气轮机性能及可靠性要求的前提下，本发明提供一种利用退役涡扇发动机改制车载燃气轮机。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，包括进气支承机匣、中介机匣、高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器、高压涡轮盘、低压涡轮导向器、低压涡轮转子、涡轮后支承机匣、以及拆除加力及喷口调节的外部系统，所述进气支承机匣一端用于连接试车台进气道，另一端的喇叭口外环伸入中介机匣，与中介机匣内的内环相配合，进气支承机匣外周和中介机匣的转接外环连接件，进气支承机匣内环与中介机匣转接内环搭接。

进一步地，所述进气支承机匣包括喇叭口外环、喇叭口内环、引气管路、密封组件、平衡盘、输出轴、封严篦齿，所述输出轴为空心阶梯轴，一端连接联轴器，联轴器通过齿轮箱连接负载，输出轴另一端与中介机匣内的后轴及帽罩配合连接，输出轴的外周分别与封严篦齿、密封盘配合连接，密封盘和中介机匣内的密封组件连接，由密封组件、密封盘、输出轴、封严篦齿及中介机匣形成平衡腔，在平衡腔上连接有测压管路和引气管路Ⅰ。

进一步地，所述涡轮后支承机匣内环连接帽罩，外环连接由外涵道、前堵盖和后堵盖围成的集气腔Ⅰ，后堵盖与排气道间连接过渡段，前堵盖与高压压 气机间连接引气管路Ⅱ。

进一步地，所述高压压气机的空心支板外周设置封板，形成集气腔Ⅱ，导向器组件和活门间的引气口外周设置封板形成集气腔Ⅲ，高压压气机的引气口和集气腔Ⅰ的第5级引气口分别通过管路连接引气管路。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过利用退役涡扇发动机高压压气机、燃烧室、涡轮等核心部件，去掉低压压气机、低压转子前轴承及机匣，改变空气引气流路，增加用于增大向前轴向力的平衡盘，前输出轴、进气支承机匣等措施，能够满足用户对车载燃气轮机性能、可靠性、重量及尺寸要求的前提下有效降低制造成本。同时通过改变燃机进口可调导叶调节规律，保证车载燃气轮机在50％-100％额定转速下均能稳定工作。

2.本发明保留退役涡扇发动机核心部件如中介机匣、高压压气机、燃烧室及涡轮等，增加进气支承机匣、输出轴等零部件，在满足整机可靠性及寿命的前提下，不需过多的研制经费投入即可实现用户对车载动力装置的尺寸小、重量轻、起动快并且能工作在较宽的转速范围的要求。产品产出投入比高，制造周期短，按年产10台计算，当年就收回研制成本。

附图说明

图1为本发明改制的燃气轮机结构示意图。

图2为原型涡扇发动机进气支承机匣、低压压气机及中介机匣结构示意图。

图3为本发明改制燃气轮机进气支承机匣、低压压气机及中介机匣结构示意图。

图4为原型涡扇发动机高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器结构示意图。

图5为本发明改制燃气轮机高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器结构示意图。

图6为图5的A-A剖视图。

图7为图5的B-B剖视图。

图8为原型涡扇发动机涡轮后支承机匣及混合器结构示意图。

图9为本发明改制燃气轮机涡轮后支承机匣、排气过渡段及整流帽罩结构示意图。

图10为本发明刷式封严结构示意图。

图11为本发明进气支承机匣与中介机匣流道连接结构示意图。

图12为图11的C向示意图。

图中：

1.进气支承机匣；101.低压压气机转子前轴承；

2.低压压气机；201.低压压气机第三级盘轴颈；202.紧固螺帽；

3.中介机匣；301.堵盖；302.中介机匣空心支板；303.低压压气机后轴承；304.低压压气机后轴；305.分流环；

4.高压压气机；401.高压压气机第5级引气口；402.卸荷腔；403.高压压气机第7级引气口；404.压气机可调导叶；405.高压压气机第5级引气至与卸荷腔引气混合管路；406.高压压气机第5级引气至中介机匣空心支板管路；

5.外涵道；501.部分外涵道；502.前堵盖；503.后堵盖；504.引气管路Ⅱ；505.集气腔Ⅰ；

6.燃烧室与高压涡轮导向器；601.燃烧室机匣空心支板；602.空气-空气换热器；603.集气腔Ⅱ；604.集气腔Ⅲ；605.燃烧室二股通道；606.涡轮冷却控制活门；607.高压涡轮导向器叶片；608.泄荷腔引气管路；

7.高压涡轮盘；

8.低压涡轮导向器叶片；

9.低压涡轮转子；901.低压涡轮盘；

10.涡轮后支承机匣；1001.涡轮后支承机匣空心支板；1002.低压涡轮后轴承机匣；

11.混合器；12.喇叭口外环；13.喇叭口内环；

14.进气支承机匣；1401.平衡腔测压管路；1402.引气管路；15.转接内环；16.转接外环；

17.刷式封严密封组件；1701.外罩；密封机匣1702；1703.刷环；

18.平衡盘；19.封严篦齿；20.输出轴；21.平衡腔，22.帽罩，23.过渡段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例：本例是针对用户对车载燃气轮机提出的技术要求(功率在4000kW-5000kW，重量≤1.5t，长度≤2.5m，)，提供的一种利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，本发明根据燃气轮机热力计算结果，去掉低压压气机，仅用高压涡轮做功带动低压涡轮(低压涡轮作为动力涡轮)可以满足功率要求。

如图1所示，本发明包括进气支承机匣14、中介机匣3、高压压气机4、燃烧室与高压涡轮导向器6、高压涡轮盘7、低压涡轮导向器8、低压涡轮转子9、涡轮后支承机匣10、以及拆除加力及喷口调节的外部系统，所述进气支承机匣14一端用于连接试车台进气道，另一端的喇叭口外环12伸入中介机匣3，与中介机匣3内的内环相配合，进气支承机匣1外周和中介机匣3的转接外环连接件，进气支承机匣1内环与中介机匣3转接内环搭接。

即：将原退役涡扇发动机(简称原型机)经部件分解、修理后发动机转、静子流道件保留中介机匣3及高压压气机4(其中低压压气机后轴承302及后轴303在中介机匣上)、燃烧室及高压涡轮导向器6、高压涡轮盘7、低压涡轮导向器8、低压涡轮转子9、涡轮后支承机匣10，外部系统及附件除加力及喷口调节外其他部分保留。

如图2所示为原型涡扇发动机进气支承机匣、低压压气机及中介机匣结构示意图、如图3所示为本发明，所述进气支承机匣1包括喇叭口外环12、喇叭口内环13、引气管路1402、密封组件17、平衡盘18、输出轴20、封严篦齿19，所述输出轴20为空心阶梯轴，一端连接联轴器，联轴器通过齿轮箱连接负载，输出轴20另一端与中介机匣3内的后轴304及紧固螺帽202配合连接，输出轴20的外周分别与封严篦齿19、平衡盘18配合连接，平衡盘18和中介机匣3内的密封组件17连接，由密封组件17、平衡盘18、输出轴20、封严篦齿19及中介机匣3形成平衡腔21，在平衡腔21上连接有测压管路1401和引气管路Ⅰ1402。

如图4所示为原型涡扇发动机高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器结构示意图，如图5-7所示为本发明，所述涡轮后支承机匣10内环连接帽罩24，外环连接由外涵道501、前堵盖502和后堵盖503围成的集气腔Ⅰ505，后堵盖503与排气道间连接过渡段25，前堵盖502与高压压气机4间连接引气管路Ⅱ504。

图8为原型涡扇发动机涡轮后支承机匣及混合器结构示意图。如图9-12所示为本发明，所述高压压气机4的空心支板外周设置封板，形成集气腔Ⅱ603，导向器6和活门间的引气口外周设置封板形成集气腔Ⅲ604，高压压气机4的第5级引气口401和集气腔Ⅱ603的引气口分别通过管路连接引气管路Ⅰ1402。

本发明的具体实施过程如下：

将原退役涡扇发动机(简称原型机)经部件分解、修理后发动机转、静子流道件保留中介机匣3及高压压气机4(其中低压压气机后轴承302及后轴303在中介机匣上)、燃烧室及高压涡轮导向器6、高压涡轮盘7、低压涡轮导向器8、低压涡轮转子9、涡轮后支承机匣10，外部系统及附件除加力及喷口调节外其他部分保留。

对中介机匣3进行改制，在原外涵道进口处焊上厚度2-3mm不锈钢堵盖301，防止气流流出。新制喇叭口12和13、进气机匣14、转接外环16，利用原型机第四级整流叶片内环改制成转接内环15。转接外环为低碳钢锻件，承受进气机匣及喇叭口的作用力。

喇叭口由内环12和外环13组成，均为铸铝材料，进口喇叭口内、外环前端与车载进口空气稳压室相连，后端与进气机匣14相连；进气机匣整体铸铝结构，由内、外环及5组周向均布的整流空心支板组成，其中2个支板内分别有1个来自高压压气机第5级引气管路1402及1个的测压管路1401。进气机匣后安装边与转接外环16相连，为保证空气流动均匀，在进气机匣外环周向开与中介机匣空心支板型面及数量对应的槽，为保证装配，开槽尺寸比支板型面略大。进气机匣开槽的环形边插入中介机匣支板至中介机匣分流环305前端，在进气机匣开槽与中介机匣空心支板型面间隙处涂密封胶。进气进匣与转接内环15通过 止口搭接，防止流道空气泄漏。

保留低压压气机转子后轴承303、后轴304及润滑、密封结构，新制带传动法兰的前输出轴20，输出轴前端与车载齿轮箱联轴器相连，后端为花键套齿结构，插入低压压气机转子后轴304内原低压压气机第三级轴颈201与低压压气机转子后轴相配花键套齿处，套齿配合关系不变，保留原型机紧固螺帽202，保持与原型机低压压气机转子紧固方式不变。通过新制空气封严篦齿19与原型机低压压气机转子后轴承蜂窝配合，保持原密封配合尺寸不变。

新制增大向前轴向力的平衡盘18、刷式密封组件17，输出轴20、平衡盘18、刷式密封组件17组成平衡腔21，刷式密封组件上安装有高压压气机第5级后引出两个高压压气机第5级引气管路1402及两个测压管路1401，通过管路1402将高压压气机第5级后的空气进入平衡腔21，对平衡盘施加向前的轴向力，气体在平衡腔保持压力恒定，通过刷式密封组件17防止气体泄漏。其中刷式密封组件17由密封机匣1702、刷环1703及外罩1701组成，刷环由上万根刷丝及两端环形挡板焊接而成，工作时通过刷丝变形与平衡盘18上耐磨涂层接触密封。

改制高压压气机，在压气机第5级静叶处的机匣上周向增加5处引气口401。其中两处引气管路1402引至平衡腔21；两处引气管路405与卸荷腔引气管路608混合后形成管路504引至集气腔Ⅰ505，进而进入涡轮后支承机匣10空心支板1001中代替原型机外涵道5引至相同位置处空气；一处引气管路406代替原型机外涵道5内空气引至中介机匣空心支板302处空气管路，用于冷却及封严燃机各支点轴承。

改制燃烧室及高压涡轮导向器组件6，其中燃烧室机匣空心支板601外部利用相同材料焊接成一个集气腔Ⅱ603。原型机泄荷腔402中的空气通过燃烧室机匣空心支板601直接排到外涵道中，外涵道中空气最终与涡轮出口的燃气掺混排出发动机。改制燃气轮机泄荷腔中的空气通过集气腔Ⅱ603后再经过两处引气管路608排出与高压压气机第5级静叶出口引出两处引气管路405汇合后经过混合管路504进入集气腔505，然后进入涡轮后支承机匣空心支板1001，用于冷却低压涡轮盘901及涡轮后轴承机匣1002。另外，将原燃烧室及高压涡轮导向器组件上空气-空气换热器602拆下，在外部焊接环形机匣形成集气腔Ⅲ604。改制后的燃气轮机燃烧室二股通道605内空气直接进入集气腔Ⅲ604，再经过涡轮冷却控制活门606后可直接冷却高压涡轮导向器叶片607后半部，涡轮冷却控制活门606固定至最大位置。

改制外涵道机匣5形成部分外涵道501，新制前堵盖502、后堵盖503，通过装配形成集气腔Ⅰ505。

新制整流帽罩22及过渡段23，涡轮后支承机匣10内、外环分别对应连接便于出口气流均匀流出，其中过渡段23与车载排气装置相连，便于排出燃气。

燃气轮机流道部件改制后需进行装配，装配顺序为：中介机匣3、高压压气机4、低压压气机后轴承303及低压压气机后轴304、燃烧室及高压涡轮导向器组件6、高压涡轮盘7、低压涡轮导向器组件8、低压涡轮转子9、涡轮后支承 机匣组件10(已安装完成有部分外涵道501、前、后堵盖组成的集气腔Ⅰ 505)、转接外环16、输出轴20(已安装封严篦齿19及平衡盘18)、紧固螺帽202、转接内环15、刷式密封组件17、进气机匣14、喇叭口内环19、喇叭口外环12、过渡段23及整流帽罩22。

根据带动的机械负荷情况，调整压气机进口空气量。在50％-70％最高转速下，压气机进口可调导叶404角度相对开度0-100％，通过调整燃料量，实现燃机输出轴50％-100％最高转速下稳定工作。

Claims (4)

1.一种利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，包括进气支承机匣、中介机匣、高压压气机、燃烧室及高压涡轮导向器、高压涡轮盘、低压涡轮导向器、低压涡轮转子及涡轮后支承机匣，其特征在于：所述进气支承机匣一端用于连接试车台进气道，另一端的喇叭口外环伸入中介机匣，与中介机匣内的内环相配合，进气支承机匣外周和中介机匣的转接外环连接件，进气支承机匣内环与中介机匣转接内环搭接。

2.根据权利要求1所述利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，其特征在于：所述进气支承机匣包括喇叭口外环、喇叭口内环、引气管路Ⅰ、密封组件、平衡盘、输出轴、封严篦齿，所述输出轴为空心阶梯轴，一端连接联轴器，联轴器通过齿轮箱连接负载，输出轴另一端与中介机匣内的后轴及帽罩配合连接，输出轴的外周分别与封严篦齿、平衡盘配合连接，平衡盘和中介机匣内的密封组件连接，由密封组件、平衡盘、输出轴、封严篦齿及中介机匣形成平衡腔，在平衡腔上连接有测压管路和引气管路Ⅰ。

3.根据权利要求1所述利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，其特征在于：所述涡轮后支承机匣内环连接帽罩，外环连接由外涵道、前堵盖和后堵盖围成的集气腔Ⅰ，后堵盖与排气道间连接过渡段，前堵盖与高压压气机间连接引气管路Ⅱ。

4.根据权利要求1所述利用退役涡扇发动机改制的车载燃气轮机，其特征在于：所述高压压气机的空心支板外周设置封板，形成集气腔Ⅱ，导向器和活门间的引气口外周设置封板形成集气腔Ⅲ，高压压气机的第5级引气口和集气腔Ⅱ的引气口分别通过管路连接引气管路Ⅰ。