CN107559090A - 涡轮外环的冷却组件 - Google Patents

Abstract

一种涡轮外环的冷却组件，包括涡轮机匣、悬挂连接件、外环和冲击板。悬挂连接件上设有进气孔和节流孔，其连接涡轮机匣并与其形成集气腔。外环连接悬挂连接件并与其形成第一腔室。外环的外表面分布有多个发散孔，各发散孔通过贯穿外环的气膜孔通道连通外环的内表面。冲击板上分布有多个冲击孔，冲击板在第一腔室内连接到外环，将第一腔室分为节气腔和冲击腔，冲击腔内沿周向设有分隔条以将冲击腔分为多个子腔，各子腔内分布有扰流柱。冲击孔在外环外表面的投影和发散孔交错排列。气流经进气孔进入集气腔再经节流孔进入节气腔，接着经冲击板上的冲击孔流入冲击腔的各子腔以冲击外环，最后经发散孔和气膜孔通道流出到外环的内表面形成冷却气膜。

Description

涡轮外环的冷却组件

技术领域

本发明主要涉及燃气轮机系统，尤其涉及燃气轮机系统中的涡轮外环的冷却组件。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。在飞机上使用的涡扇发动机是一种轻型燃气轮机。

图1示出一种大涵道比涡扇发动机的径向剖面图，沿着发动机旋转轴20的方向从左到右依次设有风扇11、增压级12、高压压气机13、燃烧室14、高压涡轮15、低压涡轮16、以及出口17。高压压气机13和高压涡轮15通过连接轴18连接。风扇11、增压级12和低压涡轮16通过连接轴19连接。气流轴向方向为a，气流经过大尺寸的风扇11后，分为方向b和方向c。方向b气流为外涵道气流，经风扇11出口后排出。方向c气流为主流道气流，依次经过增压级12、高压压气机13进行增压，在燃烧室14中经燃烧后成为高温高压燃气，之后在高压涡轮15及低压涡轮16中膨胀做功，从出口17处排出。

诸如涡扇发动机的燃气轮机中，高压涡轮作为高温高速旋转部件，其性能的高低直接影响发动机的工作效率。为更好的提高涡轮效率，在技术上要求提高燃气工质的温度，这就对涡轮的冷却技术提出了更高的要求。高压涡轮包括涡轮外环和涡轮动叶。涡轮外环是位于涡轮动叶径向对应的机匣内部位置处，用于调整叶尖间隙、防止机匣过热的环形组合构件。涡轮外环作为主流通道中与涡轮动叶配合工作的部件，工作环境温度一般在1300K以上，光靠材料本身的耐高温性能，无法长期承受高温恶劣环境。为了保证涡轮外环的安全可靠长久工作，必须对涡轮外环进行有效的冷却。现行冷却技术中，一般是将压气机出口一部分气流引到涡轮外环中进行冷却。但这种技术会导致做功气流减少，对发动机整体效率会有一定的减弱。为了保证发动机具有较高的效率，需要综合高效的外环冷却技术。

对外环采用空腔的复合冷却的方式是比较主流的技术，所采用的方式基本上围绕空腔位置、空腔大小、空腔排列、通气孔位置、排列方式、以及冷空气的流向等方式，实现对外环冷却结构的设计，空腔的设置越来越灵活，从最初的不区分空腔个数和位置，演变到后来的两排四个空腔，不但空腔的设置越来越差异化和多样化，而且实现的效果也越来越理想。这些技术中，组合使用且强化冷却方法种类较少，且未能将气流最大有效的分配利用。为了更大的提高冷却效率并实现冷却流量在不同冷却位置的精确控制，需要创造结合更多的冷却结构与组合方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种涡轮外环的冷却组件，具有更好的冷却效果。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种涡轮外环的冷却组件，包括涡轮机匣、悬挂连接件、外环和冲击板。悬挂连接件上设有进气孔和节流孔，该悬挂连接件连接该涡轮机匣并与该涡轮机匣形成集气腔。外环连接该悬挂连接件并与该悬挂连接件形成第一腔室，该外环的外表面分布有多个发散孔，各发散孔通过贯穿该外环的气膜孔通道连通该外环的内表面。冲击板上分布有多个冲击孔，该冲击板在该第一腔室内连接到该外环，将该第一腔室分为节气腔和冲击腔，其中该冲击腔内沿周向设有多个分隔条以将该冲击腔分为多个子腔，且各子腔内分布有扰流柱，该多个冲击孔的外环的外表面的投影和该多个发散孔交错排列。其中，气流经由该进气孔进入该集气腔再经由该节流孔进入节气腔，接着经由该冲击板上的冲击孔流入该冲击腔的各子腔以冲击该外环，最后经由该多个发散孔和气膜孔通道流出到该外环的内表面形成冷却气膜。

在本发明的一实施例中，该外环的内表面按照主燃气方向包括分离的内表面前段和内表面后段，该内表面前段与该内表面后段之间的弧形位置，布置耐磨耐高温的涂层。

在本发明的一实施例中，各气膜孔通道在该外环的内表面的出口位于该涂层上。

在本发明的一实施例中，该冲击腔分为4个子腔。

在本发明的一实施例中，每个子腔内分别设有一排冲击孔，每排冲击孔是沿周向排列。

在本发明的一实施例中，各排冲击孔之间的中心间距为孔直径的4至10倍，同排孔之间的间距为孔径3至10倍之间。

在本发明的一实施例中，沿主燃气方向，第一和第四个子腔内分别设有一排气膜孔通道，第二和第三个子腔内分别设有两排气膜孔通道，每排气膜孔通道是沿周向排列。

在本发明的一实施例中，各扰流柱为圆柱体，其直径范围是1mm至2.5mm。

在本发明的一实施例中，各冲击孔的直径范围是0.3mm至1.5mm。

在本发明的一实施例中，各冲击孔出口至外环的外表面的最近距离为冲击孔直径的2至5倍。

在本发明的一实施例中，各气膜孔通道的横截面是圆形，各气膜孔通道的横截面和各发散孔的直径范围是0.3mm至1.5mm。

在本发明的一实施例中，各气膜孔通道的中心线与发动机轴线的夹角范围为15°至90°。

在本发明的一实施例中，各分隔条的宽度在1mm至3mm之间。

在本发明的一实施例中，该外环由多个扇形的外环基体构成。

在本发明的一实施例中，相邻外环基体的冲击腔之间设有气膜孔通道。

与现有技术相比，本发明通过冲击孔密集冲击外环表面，形成强烈的冲击换热，外环上的扰流柱增大了表面换热系数，从而增强换热效果，实现高效冷却；而且外环轴向分腔的安排，有利于对冷却气流精确地分配，更加合理地利用冷却气体；另外，组合分腔分流通道有助于增强基体内部换热效果。气流在经过前段及后段进口通道后，冲击基体通道的内壁，形成冲击/发散的冷却结构，在中间分腔分流通道内，安排扰流柱，形成冲击/扰流/发散的冷却结构，换热效果优于单一平直通道内的换热。出气口处形成气膜，阻隔高温燃气，降低基体温度。

附图说明

图1是大涵道比涡扇发动机的径向剖面图。

图2A是本发明一实施例的涡轮外环的冷却组件的径向局部剖面图。

图2B是图2A的局部视图。

图3是本发明一实施例的冲击板示意图。

图4是本发明一实施例的外环示意图。

图5是本发明一实施例的冲击孔、扰流柱、分散孔位置关系示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图2A是本发明一实施例的涡轮外环的冷却组件的径向局部剖面图。图2B是图2A的局部视图。如图2A、2B所示，本发明是应用于燃气轮机的涡轮外环的一种组合冷却的冷却组件。本发明将涡轮外环及其冷却组件周向360°平均分为多个扇形段分块结构，每个结构基本相同。

外环210为以发动机中心线为中心回转形成的圆弧形结构，连接位于主燃气通道201的气流上游的圆周形前端面202与位于气流下游的圆周形后端面203。整圈外环210可由24个相同且周向相邻的外环基体211组成。涡轮外环210与涡轮动叶250径向对应。本实施例围绕外环210构造冷却组件200。除了外环210外，冷却组件200还包括涡轮机匣220、悬挂连接件230和冲击板240。悬挂连接件230连接涡轮机匣220并与涡轮机匣220形成集气腔204。外环210连接悬挂连接件230并与悬挂连接件230形成第一腔室。冲击板240在第一腔室内连接到外环210，将第一腔室分为节气腔205和冲击腔206。冲击腔206与外环210共有的弧形交界面定义为外环外表面212。外环210与主燃气通道201的弧形交界面按照主燃气方向(主燃气通道201的箭头方向)分别定义为内表面前段213a和内表面后段213b，二者相互分离。内表面前段213a与内表面后段213b之间的弧形位置，布置耐磨耐高温涂层214。涂层214与外环210相连。外环210靠近前端面202位置布置安装嵌槽215a以便与悬挂连接件230连接，靠近后端面203位置布置嵌槽215b与C型紧固件260连接。

在本发明的实施例中，冲击板240可通过焊接方式连接于外环210。

悬挂连接件230上设有进气孔231和节流孔232。进气孔231可引入来自气源的气体，节流孔232连通集气腔204和节气腔205。

冲击板240上分布有多个冲击孔241，以连通节气腔205和冲击腔206。例如可以沿着主燃气方向从前到后布置多排冲击孔241，每排冲击孔是沿周向排列，每排数量5至20个。图3是本发明一实施例的冲击板示意图。结合参考图3所示，每个外环基体211上，进一步在冲击腔206内沿周向设有多个分隔条242以将冲击腔206分为4个子腔206a-206d。分隔条242与冲击板240的下表面和外环的外表面212接触。可以理解，在本发明的实施例中，子腔的数目是可以变化的。冲击孔241的分布可以结合子腔的设置。具体地说，每个子腔内都布置一排冲击孔241。

图4是本发明一实施例的外环示意图。图5是本发明一实施例的冲击孔、扰流柱、分散孔位置关系示意图。结合参考图4和图5所示，每个外环基体211上，各子腔206a-206d内分布有扰流柱243，扰流柱243可布置在子腔中需要强化换热的地方。扰流柱243与冲击板240的下表面和外环的外表面212接触。外环210的外表面212分布有多个发散孔216，各发散孔216通过径向贯穿外环210的气膜孔通道217连通外环的内表面。更具体地说，各气膜孔通道217在外环的内表面的出口位于涂层214上。发散孔216的分布可以结合子腔的设置。具体地说，沿主燃气方向，第一和第四个子腔206a、206d内分别设有一排气膜孔通道217，第二和第三个子腔206b、206c内分别设有两排气膜孔通道217。各排气膜孔通道217均是沿周向排列，沿周向的分布密集程度是按流量分配要求布置。周向上，每个外环基体211上每个子腔安排上下各一个气膜孔通道218，用于相邻外环基体周向的冷却。

继续参考图5所示，多个冲击孔241在外环的外表面212上的投影与多个发散孔216是交错排列。

在本发明的实施例中，冲击孔241优选为圆形，直径范围为0.3mm至1.5mm，更优选为0.4mm。各排冲击孔之间的中心间距d1为孔直径的4至10倍，同排孔之间的间距d2为孔径3至10倍之间。另外，各冲击孔241出口至外环210的外表面212的最近距离为冲击孔直径的2至5倍，优选距离为4倍。

在本发明的实施例中，各扰流柱243为圆柱体，其直径范围是1mm至2.5mm。各扰流柱243高度为冲击腔240的高度，范围为1mm至2mm。

在本发明的实施例中，各气膜孔通道217的横截面是圆形，各气膜孔通道的横截面和各发散孔的直径范围是0.3mm至1.5mm，优选0.4mm。各气膜孔通道217的通道中心线与发动机轴线的夹角范围是15°至90°，优选45°。

在本发明的实施例中，各分隔条242的宽度在1mm至3mm之间，优选2mm。分隔条242的高度为冲击腔240的高度。

扰流柱103形状为圆柱体，其直径范围为1mm至2.5mm，高度为冲击腔119的高度，范围为1mm至2mm。

本发明实施例的冷却组件的冷却过程是：冷却气流经悬挂连接件230上的进气孔231，进入集气腔204，通过悬挂连接件230上节流孔114充分节流后进入节气腔205，气流在此通过冲击板240上的冲击孔241冲击外环210的外表面212上的冲击腔206，其进一步分为由分隔条242隔成的四个子腔206a-206d。冲击腔206中设置的扰流柱243可增大湍流度与表面换热系数，增强换热效果。气流进一步经发散孔216进入气膜孔通道217，沿程与外环基体211的壁面对流换热，带走一部分热量，在耐磨耐高温涂层214出口处，高速气流形成气膜保护层，隔离高温燃气，降低温度。

本发明上述实施例的冷却组件相比已有技术具有以下优点：

1)冲击孔密集冲击外环表面，形成强烈的冲击换热，外环上的扰流柱增大了表面换热系数，从而增强换热效果，实现高效冷却。

2)外环轴向分腔的安排，有利于对冷却气流精确地分配，更加合理地利用冷却气体。

3)组合分腔分流通道有助于增强基体内部换热效果。气流在经过前段及后段进口通道后，冲击基体通道的内壁，形成冲击/发散的冷却结构，在中间分腔分流通道内，安排扰流柱，形成冲击/扰流/发散的冷却结构，换热效果优于单一平直通道内的换热。出气口处形成气膜，阻隔高温燃气，降低基体温度。

4)外环基体的热边耐高温耐磨涂层的使用，一方面防止动叶与外环的磨损，增加外环使用寿命；另一方面，耐高温涂层可以阻碍高温燃气与基体的接触，实现温度的降低。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种涡轮外环的冷却组件，包括：

涡轮机匣；

悬挂连接件，其上设有进气孔和节流孔，该悬挂连接件连接该涡轮机匣并与该涡轮机匣形成集气腔；

外环，连接该悬挂连接件并与该悬挂连接件形成第一腔室，该外环的外表面分布有多个发散孔，各发散孔通过贯穿该外环的气膜孔通道连通该外环的内表面；

冲击板，其上分布有多个冲击孔，该冲击板在该第一腔室内连接到该外环，将该第一腔室分为节气腔和冲击腔，其中该冲击腔内沿周向设有多个分隔条以将该冲击腔分为多个子腔，且各子腔内分布有扰流柱，该多个冲击孔在外环的外表面的投影和该多个发散孔交错排列；

其中，气流经由该进气孔进入该集气腔再经由该节流孔进入节气腔，接着经由该冲击板上的冲击孔流入该冲击腔的各子腔以冲击该外环，最后经由该多个发散孔和气膜孔通道流出到该外环的内表面形成冷却气膜。

2.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，该外环的内表面按照主燃气方向包括分离的内表面前段和内表面后段，该内表面前段与该内表面后段之间的弧形位置，布置耐磨耐高温的涂层。

3.根据权利要求2所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各气膜孔通道在该外环的内表面的出口位于该涂层上。

4.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，该冲击腔分为4个子腔。

5.根据权利要求4所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，每个子腔内分别设有一排冲击孔，每排冲击孔是沿周向排列。

6.根据权利要求5所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各排冲击孔之间的中心间距为孔直径的4至10倍，同排孔之间的间距为孔径3至10倍之间。

7.根据权利要求4所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，沿主燃气方向，第一和第四个子腔内分别设有一排气膜孔通道，第二和第三个子腔内分别设有两排气膜孔通道，每排气膜孔通道是沿周向排列。

8.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各扰流柱为圆柱体，其直径范围是1mm至2.5mm。

9.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各冲击孔的直径范围是0.3mm至1.5mm。

10.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各冲击孔出口至外环的外表面的最近距离为冲击孔直径的2至5倍。

11.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各气膜孔通道的横截面是圆形，各气膜孔通道的横截面和各发散孔的直径范围是0.3mm至1.5mm。

12.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，各气膜孔通道的中心线与发动机轴线的夹角范围为15°至90°。

13.根据权利要求1所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，该外环由多个扇形的外环基体构成。

14.根据权利要求13所述的涡轮外环的冷却组件，其特征在于，相邻外环基体的冲击腔之间设有周向贯穿的气膜孔通道。