CN107246326A - 一种新型发动机供油支板机匣结构及包含该结构的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机供油支板机匣结构及包含该结构的发动机，供油支板机匣与低压涡轮导向器焊接固定到一起，供油支板机匣内的多个支板叶片沿圆周方向不均匀地布置，以避免发动机涡轮部件在高速运转条件下发生共振，至少一个支板叶片内设有滑油管路，并位于供油支板机匣内的正下方，各支板叶片在空间上呈三维扭转结构，同一支板叶片不同径向位置处的多个截面叶型中至少有两个截面叶型不相同，使得各支板叶片既能适应上游来流气流角度，又可为下游涡轮提供合适的流场，从而明显地降低气动损失，各支板叶片不同截面叶型的最大厚度位置布置在同一个轴向截面内，并位于同一径向角度线上，以保证三维扭转结构的支板叶片可顺利布置滑油管路。

Description

一种新型发动机供油支板机匣结构及包含该结构的发动机

技术领域

本发明涉及地面燃气轮机，尤其是航空发动机高温部件涡轮领域，更具体地说，是采用新型供油支板机匣结构，改进航空发动机高低压涡轮级间气动设计结构，降低气动损失，提高发动机性能。

背景技术

在地面燃气轮机，以及航空发动机中，为了向发动机高压以及低压后轴承提供滑油，需要布置滑油系统。为此，在高压涡轮以及低压涡轮之间的过渡段内设计支板。为满足包容滑油管的要求，支板厚度往往较大。现有的发动机设计中，为了设计、加工方便，同时受制于检测方法的限制，这些支板沿径向方向叶型相同，支板叶片为直叶片，且沿圆周方向对称均匀分布。但是这种设计带来以下问题：(1)直叶型支板无法适应上游来流气流角度，造成大的气动损失；(2)直叶型支板无法为下游涡轮级提供合适的气流角度，对下游涡轮气动性能不利，且增加了额外的低压涡轮设计难度；(3)直叶型支板对流场产生非常大的扰动，带来较大的气动激振力，易引发下游低压涡轮的低周疲劳，威胁发动机的运行；(4)为了保证过渡段有足够的强度，一般会设计多个支板，均布的支板容易带来发动机共振问题，对发动机安全运行不利。为了解决现有技术中存在的这些问题，迫切需要一种新型的供油支板机匣结构设计方案，解决各方面的矛盾，进一步提高发动机性能。

发明内容

本发明涉及一种用于改进现代地面燃气轮机，以及航空发动机热端部件涡轮的气动设计结构，通过采用该新型结构，可以有效地降低高、低压涡轮级间及下游低压涡轮气动损失，提高涡轮性能，进而提高发动机性能。

为实现该目标，本发明采用的技术方案为：

一种发动机供油支板机匣结构，包括位于上游的高压涡轮转子、位于下游的低压涡轮导向器以及位于所述高压涡轮转子与低压涡轮导向器之间过渡段内的供油支板机匣，其特征在于，

所述供油支板机匣通过焊接的方式与低压涡轮导向器固定到一起，其中，所述供油支板机匣的内、外流道尾缘部分与所述低压涡轮导向器的对应配合部位整环光顺焊接，以防止主流道内气流的泄漏并起到支撑的作用；

所述供油支板机匣的内环流道与外环流道之间设置有多个支板叶片，所述多个支板叶片沿周向不均匀地布置在所述供油支板机匣内，以避免发动机涡轮部件在高速运转条件下发生共振；所述多个支板叶片中至少一个支板叶片内布置有滑油管路，所述布置有滑油管路的支板叶片位于供油支板机匣内的正下方，所述滑油管路为向发动机轴承系提供滑油的供回油管路。

较优地，考虑到供油支板机匣与低压涡轮之间沿内、外流道的整环焊接需要，供油支板机匣的材料应当选用易于焊接的材料。

较优地，所述供油支板机匣内的各支板叶片在空间上呈三维扭转结构，同一支板叶片不同径向位置处的多个截面叶型中至少有两个截面叶型不相同，使得各支板叶片既能适应上游来流气流角度，又可以为下游涡轮提供合适的流场，从而明显地降低气动损失。

可选择地，各支板叶片的截面叶型采用叶根与叶尖两个截面叶型进行控制，此时支板叶片为直纹面叶型；支板叶型也可以采用三个及以上的截面叶型进行更精确地控制，以更加适应上游来流的气流角度，以及为下游低压涡轮提供更合适地气流角度。

较优地，为了确保三维扭转结构的支板叶片可以顺利地布置滑油管路，不管采用几个截面叶型进行支板叶片叶型的控制，多个截面之间的最大叶型厚度位置应当在同一个轴向截面内，且处于同一径向角度线上。

较优地，为防止支板叶片温度过高，导致滑油管路内部发生滑油结焦，需要保证支板叶片内腔的最大厚度大于滑油管外径，通常而言，该尺寸比滑油管的外径大1.5-3mm。

较优地，为了保证支板叶片具有一定的强度，支板的壁厚不应小于0.5mm。

较优地，支板叶片沿周向不均匀布置，经过转子动力学优化后，可以有效避免发动机涡轮部件的共振。

较优地，考虑到发动机回油管路布置的需要，不均布的支板叶片中，用于布置回油管路的支板叶片应当位于正下方，确保发动机的顺利回油。

较优地，由于支板叶片不均匀布置，为了确定角向原点，在所述供油支板机匣的外机匣上设置有角向原点参照基准，该基准可以为局部矩形凸台，圆柱形凸台，球状凸台等对称结构，作为机械加工与发动机组件装配的重要参考标志。

根据本发明的另一方面，还提供了一种包括上述发动机供油支板机匣结构的发动机，所述发动机为地面燃气轮机或航空发动机。

同现有的过渡段支板机匣结构相比，本发明的新型发动机供油支板机匣结构，具有以下显著的技术优点：(1)供油支板机匣中的多个支板叶片沿圆周方向不均匀分布，在发动机工作状态下，可以对发动机振动起到调频作用，避免高阶共振；(2)各支板叶片的叶根与叶尖截面叶型不同，支板叶片整体呈三维扭转结构，可以适应上游高压涡轮来流气流角，并为下游低压涡轮提供合适的气流角度，降低气动损失；(3)支板叶片的叶型采用适应流场的扭转设计，可以尽可能减小对上游高压涡轮出口流场的扰动，并可减少对下游涡轮带来的气动激振力，避免引发长时间工作下的低周疲劳，提高发动机运行安全性；(4)支板叶片由于采用三维扭转结构，降低了气动损失以及对流场的扰动，因此可以应用在不同功率等级的燃气轮机中，适应各种尺寸的滑油管路，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明的新型发动机供油支板机匣结构的装配示意图；

图2为本发明的新型发动机供油支板机匣结构示意图；

图3为本发明的新型发动机供油支板机匣结构中支板叶片示意图；

图4为本发明的新型发动机供油支板机匣结构的B-B剖视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的发动机供油支板机匣结构在发动机中的装配示意图。1为供油支板机匣，2为高压涡轮转子，3为低压涡轮导向器，4为滑油管路。其中，高压涡轮转子1位于上游，低压涡轮导向器3位于下游，供油支板机匣1位于高压涡轮转子2与低压涡轮导向器3之间的过渡段内，并通过焊接等方式与低压涡轮导向器3固定连接到一起。为了保证焊接效果、达到良好的支撑作用并防止主流道内气流的泄漏，供油支板机匣1上的焊接部位，外机匣尾缘105、内机匣尾缘106(图4中所示)与低压涡轮导向器3的对应配合部位整环焊接，并保证流道光顺。考虑到供油支板机匣1与低压涡轮导向器3之间沿内、外流道的整环焊接需要，供油支板机匣1的材料应当选用易于焊接的材料。

图2为本发明的发动机供油支板机匣结构的A向视图。101为供油支板机匣内沿周向布置的多个支板叶片，可以用于布置发动机滑油系统的供-回油管路。多个支板叶片101沿周向不均匀地布置在供油支板机匣1内，在发动机工作状态下，可以对发动机振动起到调频作用，以避免发动机涡轮部件在高速运转条件下发生共振。在本实施例中，沿周向布置有五个支板叶片101，各支板叶片101与角向原点(结构设计的正上方)的夹角103(本实施例中分别为α、β、γ、δ、ε)，经过发动机整机转子动力学优化后设计的各支板叶片沿周向不均布，因此可以避免发动机高速运转条件下发动机涡轮部件的共振问题。此外，由于支板叶片的一个重要作用是为发动机轴承系提供滑油系统的供-回油管路，因此用于布置回油管路的支板叶片101应当位于支板机匣结构1的正下方。

图3为支板叶片的三维结构示意图。与传统的直叶片(叶根与叶尖截面叶型相同)形式的支板结构不同，在本发明中，支板叶片101为三维扭转结构，在本实施例中，通过采用叶根与叶尖两个控制截面控制支板叶型，因此不同的叶根与叶尖控制截面叶型构造的扭转支板为直纹面。这种设计结构，一方面可以适应上游高压涡轮出口的带有预旋角度的来流，另一方面可以为下游低压涡轮提供所需的气流角度，同时，由于设计时考虑上游来流气流角度以及下游涡轮级所需流场，支板叶片对流场带来的影响相对较小，从而可以尽可能减小对上游高压涡轮出口流场的扰动，并可减少对下游涡轮带来的气动激振力，避免引发长时间工作下的低周疲劳，提高发动机运行安全性。综合之下，采用这种设计可以大幅度减小气动损失，提高发动机性能。

支板叶型也可以采用三个及以上的截面叶型进行更精确地控制，以更加适应上游来流的气流角度，以及为下游低压涡轮提供更合适地气流角度。为了确保三维扭转结构的支板叶片可以顺利地布置滑油管路，不管采用几个截面叶型进行支板叶片叶型的控制，多个截面之间的最大叶型厚度位置应当在同一个轴向截面内，且处于同一径向角度线上。为防止支板叶片温度过高，导致滑油管路内部发生滑油结焦，需要保证支板叶片内腔的最大厚度大于滑油管外径，通常而言，该尺寸比滑油管的外径大1.5-3mm。为了保证支板叶片具有一定的强度，支板叶片的壁厚不应小于0.5mm。

由于支板叶片101沿周向不均匀布置，因此为了确定供油支板机匣1的角向零点，在供油支板机匣1的正上方设计有角向定位凸台102，如图2所示。该角向定位凸台102在整个零件的使用寿命周期中始终存在，对于加工及发动机装配均可以起到非常重要的定位作用，可以提高生产效率，为了保证凸台作为基准的准确性，该凸台为无余量设计部位，在铸造过程中即存在于零件毛坯上，与其他部位特征之间的相对位置关系通过模具进行保证。此外，该定位凸台也作为轴向的参考基准之一。如图4所示，尺寸104代表该基准前端面与支板最大厚度位置的轴向尺寸，用于控制支板的最大厚度位置。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型发动机供油支板机匣结构，包括位于上游的高压涡轮转子、位于下游的低压涡轮导向器以及位于所述高压涡轮转子与低压涡轮导向器之间过渡段内的供油支板机匣，其特征在于，

所述供油支板机匣通过焊接的方式与低压涡轮导向器固定到一起，其中，所述供油支板机匣的内、外机匣尾缘部分与所述低压涡轮导向器的对应配合部位整环光顺焊接，以防止主流道内气流的泄漏并起到支撑的作用；

所述供油支板机匣的内机匣与外机匣之间设置有多个支板叶片，所述多个支板叶片沿圆周方向不均匀地布置在所述供油支板机匣内，以避免发动机涡轮部件在高速运转条件下发生共振；

所述多个支板叶片中至少一个支板叶片内设有滑油管路，所述布置有滑油管路的支板叶片位于供油支板机匣内的正下方，所述滑油管路为向发动机轴承系提供滑油的供回油管路。

2.根据权利要求1所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，布置在供油支板机匣内部的多个沿周向不均布的支板叶片，各支板叶片的角向位置分布经过发动机转子动力学优化确定。

3.根据权利要求1所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，所述供油支板机匣内的各支板叶片在空间上呈三维扭转结构，同一支板叶片不同径向位置处的多个截面叶型中至少有两个截面叶型不相同，使得各支板叶片既能适应上游来流气流角度，又可以为下游涡轮提供合适的流场，从而明显地降低气动损失。

4.根据权利要求3所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，各支板叶片的截面叶型采用叶根与叶尖两个截面叶型进行控制，此时支板叶片为直纹面叶型。

5.根据权利要求3所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，支板叶片也可以采用三个及以上的截面叶型进行更精确地控制，以更加适应上游来流的气流角度，以及为下游低压涡轮提供更合适地气流角度。

6.根据权利要求3至5所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，不管采用几个截面叶型对支板叶片的整体叶型进行控制，各所述支板叶片不同截面叶型的最大厚度位置布置在同一个轴向截面内，并位于同一径向角度线上，以保证三维扭转结构的支板叶片可以顺利地布置滑油管路。

7.根据权利要求6所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，各所述支板叶片内腔的最大厚度的尺寸大于滑油管路的外径尺寸，通常而言，该尺寸比滑油管路的外径大1.5-3mm，以防止支板叶片温度过高，导致滑油管路内部发生滑油结焦。优选地，所述支板叶片的壁厚不应当小于0.5mm，以保证支板叶片具有一定的强度。

8.根据权利要求6所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，所述供油支板机匣的材料应当选用易于焊接的材料，以满足供油支板机匣与低压涡轮导向器之间沿内、外流道的整环焊接需要。

9.根据上述权利要求1至8所述的新型发动机供油支板机匣结构，其特征在于，在所述支板机匣外环的某一角向位置，比如正上方设计有角向定位结构，该定位结构可以为矩形凸台，圆柱形凸台，球形凸台等对称结构，且在零件的整个使用寿命过程中始终保留。

10.一种发动机，具有上述权利要求1至9中任意一项所述的新型发动机供油支板机匣结构，所述发动机为地面燃气轮机或航空发动机。