CN107725479A - 一种旋转盘腔内部的转子罩壳结构及包含该结构的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可应用于地面燃气轮机、航空发动机等领域的向心入流转静系旋转盘腔内部的弯曲型转子罩壳结构。该结构具有独特的特点有：采用钣金成型的弯曲型转子罩壳结构应用在转静系旋转盘腔内部的低半径位置，通过该轻质转子罩壳结构，实现向内流动的气流在低半径位置旋转比的降低，从而实现减少气流向内流动过程中流动损失的目的。本发明的适用于向心转静系旋转盘腔内部的弯曲型转子罩壳结构具有轻质、结构简单、加工成本低以及可实现气流旋转比降低、提升盘腔内气流压力的效果，因而具有工程化应用的巨大前景。

Description

一种旋转盘腔内部的转子罩壳结构及包含该结构的发动机

技术领域

本发明属于燃气轮机和航空发动机技术领域，涉及一种旋转盘腔内部的转子罩壳结构，尤其涉及一种可应用在向心转静系旋转盘腔内部的实现二次空气系统分支流路气流压力调节的弯曲型转子罩壳结构。

背景技术

在燃气轮机和航空发动机空气系统中，气体经过旋转盘腔向内或向外流动是非常常见的流动结构，处于不同位置、具有不同结构的旋转盘腔流动有着各自不同的功用。比如：位于压气机端的旋转盘腔一般用于引气，此股气体经由压气机转子根部进入旋转盘腔向内流动到达盘心，再经过不同流路，到达燃气轮机不同位置，实现高温部件冷却、轴承腔封严等各种功能；从压气机所引空气进入涡轮盘腔，在盘腔中向外流动，由低半径的涡轮盘心向高半径盘缘流动以冷却涡轮盘，最后从涡轮转静子根部排入主流道以封严转静子根部，防止主流高温燃气倒灌进入涡轮盘腔。

二次空气系统内部气流沿转静系旋转盘腔内，向内流动发展的压力调节方法是一个在燃气轮机以及航空发动机领域均有重要实际工程意义的基础科学问题。在以往燃气轮机、航空发动机的结构设计中，向心转静系旋转盘腔内部的气流往往沿一个不规则的、相对较大的盘腔内部向内流动发展。而随着气流向低半径位置的运动发展，气流旋转比逐步升高，这将会导致盘腔内部低半径位置气流压力损失的增加，从而造成该分支流路下游引气压力的降低，这对该分支流路的压力变化规律影响将会是十分显著的。

针对传统向心转静系旋转盘腔内部结构设计方案中所面临的问题，迫切需要提出一种工程上可行、可实现盘腔内气流压力调节的新颖结构布局方案。

发明内容

针对现有向心转静系旋转盘腔内部所存在的上述问题，本发明旨在提供一种可应用于地面燃气轮机、航空发动机等领域的向心入流转静系旋转盘腔或多级高压压气机末级旋转盘腔内部的弯曲型转子罩壳结构，采用弯曲型转子罩壳结构应用在旋转盘腔内部的低半径位置，实现向内流动的气流在低半径位置旋转比的降低，从而实现减少气流向内流动过程中流动损失的目的。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种向心入流转静系旋转盘腔内部的转子罩壳结构，所述旋转盘腔由离心叶轮盘、离心压气机静子扩压器安装边、封严环构成，其特征在于，

所述离心压气机静子扩压器安装边包括临近离心叶轮盘并基本沿其高半径位置延伸的第一安装边以及由所述第一安装边的低半径末端向下并向后基本延伸至高压涡轮盘的第二安装边；

所述封严环临近高压涡轮盘设置，其顶部安装边与离心压气机静子扩压器安装边的第二安装边的末端连接，底部自由端与高压涡轮盘前端的轮毂间形成封严结构；

所述转子罩壳设置在旋转盘腔内部的低半径位置区，其型线整体呈弯曲型，包括临近所述离心叶轮盘设置并基于与其平行的第一罩壳部分以及环绕所述离心叶轮盘后端轮毂的第二罩壳部分，并且，所述转子罩壳一端卡设在所述第一安装边与第二安装边之间的过渡部，另一端套设在封严环底部自由端的外壁上。

本发明通过在向心转静系旋转盘腔的低半径位置设置弯曲型转子罩壳结构，利用转子罩壳与转盘表面缩小的法向距离，降低气流在旋转盘腔低半径位置大腔内部的的旋转比，从而实现该二次空气系统分支流路下游气流压力的提升。此外，盘腔转盘、静止固壁轴向间距的缩小，可改变气流在盘腔内部的流型。与传统大腔结构相比，这将改变气流向内流动发展过程中自由涡的运动规律，通过轴向间距的优化调节，实现盘腔内部气流旋转比的调节。

优选地，所述转子罩壳结构可采用S型弯曲型的型式，其曲率变化规律可与转盘表面接近，实现转动壁面与静止固壁表面法向距离的优化调节。

优选地，所述转子罩壳结构可采用厚度为0.5～1.2mm的板材经钣金成型而成，最终实现结构的轻质化设计目标。

优选地，所述转子罩壳结构的尾部设计翻边结构，以增加轻质薄板材的刚度。避免在气流激振作用力下，罩板发生声学疲劳失效。

优选地，所述转子罩壳结构的外圆位置可采用止口定位的型式实现其径向的定位目的，其轴向的定位可利用螺旋挡圈或者其它各型挡圈结构实现。

优选地，所述转子罩壳结构在外圆位置的任意角向位置应设置有凸台结构，避免薄板沿周向发生微动位移。

优选地，所述转子罩壳结构可采用耐温性能好的不锈钢或者高温合金板材等材料，实现长寿命设计要求。

优选地，在地面燃气轮机或航空发动机中，转子罩壳结构应当应用在采用多级轴流压气机的末级压气机位置或者末级采用离心压气机的离心压气机背腔位置，实现该分支流路气流向内流动发展过程中的压力调节。

同现有技术相比，本发明的向心入流转静系旋转盘腔内部的转子罩壳结构，可应用于地面燃气轮机、航空发动机等领域，该弯曲型转子罩壳结构应用在转静系旋转盘腔内部的低半径位置，通过该转子罩壳结构，缩小盘腔的空间尺度，改善气流在大尺度盘腔内的自由涡流动型式，实现向内流动的气流在低半径位置旋转比的降低，从而实现减少气流向内流动过程中流动损失的目的。此外，本发明的弯曲型转子罩壳结构还具有轻质、结构简单、加工成本低以及可实现气流旋转比降低、提升盘腔内气流压力的效果，因而具有工程化应用的巨大前景。

附图说明

图1为现有末级采用离心压气机的某型航空发动机离心压气机背部转静系旋转盘腔的内部结构布局示意图。

图2为本发明末级采用离心压气机的某型航空发动机离心压气机背腔采用转子罩壳结构的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

图1是现有末级采用离心压气机的某小型航空发动机传统盘腔结构示意图，其中，1为离心压气机；2为离心压气机外环；3为离心压气机静子扩压器安装边；4为蓖齿封严环；5为高压涡轮盘；6为高压涡轮转子叶片。可以看到，在该实用实例中，气流沿离心叶轮根部引入其转盘背腔的内部，转盘背腔由离心压气机1的离心叶轮盘、离心压气机静子扩压器安装边3、蓖齿封严环4构成，气流在转盘背腔内部流动发展过程中，逐渐发展到一个低半径位置的大腔结构中。在大腔的盘腔结构中，转盘附面层与静止固壁表面的附面层各自独立，因此气流遵循自由涡的运动发展规律，气流旋转比甚至会超过1.0，在这种情况下，气流的压力损失将会很大，从而伴随着很大的气流损失。从空气系统角度来看，这种结构布局方案中，该引气分支流路的气体压力沿流程降低明显。

图2是本发明的应用在该小型航空发动机末级离心压气机背腔位置的、采用弯曲型转子罩壳结构的向心入流转静系盘腔结构的一个应用实例。可以看到，在该实用实例中，旋转盘腔由离心压气机1的叶轮盘、离心压气机静子扩压器安装边3、封严环4构成，离心压气机静子扩压器安装边3包括临近离心叶轮盘并基本沿其高半径位置延伸的第一安装边以及由第一安装边的低半径末端向下并向后基本延伸至高压涡轮盘的第二安装边；封严环4临近高压涡轮盘5设置，其顶部安装边与离心压气机静子扩压器安装边3的第二安装边的末端连接，底部自由端与高压涡轮盘前端的轮毂间形成封严结构；转子罩壳7设置在旋转盘腔内部的低半径位置区，其型线整体呈弯曲型，包括临近离心叶轮盘1设置并基于与其平行的第一罩壳部分以及环绕离心叶轮盘后端轮毂的第二罩壳部分，并且，转子罩壳7一端卡设在第一安装边与第二安装边之间的过渡部，另一端套设在封严环4底部自由端的外壁上。

在离心叶轮背腔低半径位置处布置弯曲型的转子罩壳结构7，转子罩壳自身的型线设计采用S型或各类锥形型式，其曲率变化规律与转盘表面接近，实现转动壁面与静止固壁表面法向距离的调节。转子罩壳与转盘表面的轴向间距可优化后得到，利用转盘、罩板的静止固壁表面的法向距离调整气流的流型及其对应的压力变化规律，实现盘腔内部气流向内流动发展过程中的压力调整。该转子罩壳结构7的采用，将会缩小低半径位置盘腔的容积，从而使得转盘附面层与静止固壁表面的附面层靠近并相互影响，这将会使盘腔内气流偏离自由涡的运动规律，降低气流沿流程的压力损失。实现气体沿盘腔内部的压力调节目标。

转子罩壳7为钣金成型的轻质转子罩壳结构，钣金厚度在0.5mm～1.2mm之间，转子罩壳采用耐温水平较高的不锈钢板材或高温合金板材经模具多次冲压后成型，利用罩壳与转动盘之间缩小盘腔空间，降低盘腔低半径位置区以自由涡型式发展的气流旋转比，增加盘腔内部低半径位置区的气流压力，实现盘腔内气流损失降低的目的。进一步的，转子罩壳7尾部设计有翻边结构9，以增加钣金罩壳薄板零件的刚性，避免盘腔内部向内流动气流沿罩壳表面流动过程中对罩壳形成激振，并引发声学或各类疲劳失效的故障。转子罩壳轴向采用螺旋挡圈8或者卡圈的挡环结构，实现罩壳的轴向限位目的。转子罩壳与对象件之间采用外圆止口定位的型式。为避免在气流激振作用力下罩壳的自旋转效应，在罩板外圆的任意角向位置设有防转凸台结构。

需要说明的是，不同实用例中的具体结构型式设计和罩壳选材，应综合考虑发动机总体空气系统的要求以及发动机总体寿命的要求。重点考虑气流激振频率、二次空气系统下游分支流路上气流压力要求等因素。这些环境参数的不同将会导致罩壳结构设计的具体型式发生改变。在实际应用例中应根据实际的需要进行细致分析，最终确认该结构的全部设计参数。

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)

1.一种向心入流转静系旋转盘腔内部的转子罩壳结构，所述旋转盘腔由离心叶轮盘、离心压气机静子扩压器安装边、封严环构成，其特征在于，

所述离心压气机静子扩压器安装边包括临近离心叶轮盘并基本沿其高半径位置延伸的第一安装边以及由所述第一安装边的低半径末端向下并向后基本延伸至高压涡轮盘的第二安装边；

所述封严环临近高压涡轮盘设置，其顶部安装边与离心压气机静子扩压器安装边的第二安装边的末端连接，底部自由端与高压涡轮盘前端的轮毂间形成封严结构；

所述转子罩壳设置在旋转盘腔内部的低半径位置区，其型线整体呈弯曲型，包括临近所述离心叶轮盘设置并基于与其平行的第一罩壳部分以及环绕所述离心叶轮盘后端轮毂的第二罩壳部分，并且，所述转子罩壳一端卡设在所述第一安装边与第二安装边之间的过渡部，另一端套设在所述封严环底部自由端的外壁上。

2.根据权利要求1所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳为钣金成型的轻质转子罩壳结构，利用罩壳与转动盘之间缩小盘腔空间，降低盘腔低半径位置区以自由涡型式发展的气流旋转比，增加盘腔内部低半径位置区的气流压力，实现盘腔内气流损失降低的目的。

3.根据权利要求1所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳采用钣金成型的方式，钣金厚度在0.5mm～1.2mm之间。

4.根据权利要求1所述的转子罩壳结构，其特征在于，上述罩壳尾部设计有翻边结构，以增加钣金罩壳薄板零件的刚性，避免盘腔内部向内流动气流沿罩壳表面流动过程中对罩壳形成激振，并引发声学或各类疲劳失效的故障。

5.根据权利要求1所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳自身的型线设计采用S型或各类锥形型式，其曲率变化规律与转盘表面接近，实现转动壁面与静止固壁表面法向距离的调节。

6.根据上述权利要求所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳轴向采用螺旋挡圈或者卡圈的挡环结构，实现罩壳的轴向限位目的。

7.根据上述权利要求所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳与对象件之间采用外圆止口定位的型式。

8.根据上述权利要求所述的转子罩壳结构，其特征在于，为避免在气流激振作用力下罩壳的自旋转效应，在罩板外圆的任意角向位置设有防转凸台结构。

9.根据上述权利要求所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳结构应用在燃气轮机或航空发动机多级轴流压气机的末级位置，或应用在末级采用离心压气机的各类中小型航空发动机的离心压气机转盘后腔位置。

10.根据上述权利要求所述的转子罩壳结构，其特征在于，所述转子罩壳采用耐温水平较高的不锈钢板材或高温合金板材经模具多次冲压后成型。