CN107882599B - 整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机 - Google Patents

整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，通过在涡轮外环与支撑环之间留有一定的径向间隙，以释放涡轮外环的径向和周向的热应力，涡轮外环的热量向支撑环传递的较少，且涡轮外环的热变形不会受支撑环变形的影响，因此，涡轮外环与周围零件的匹配性及可靠性能好，提高了涡轮外环及其周围零件的使用寿命；涡轮外环与支撑环之间设有弹性件，以缓冲涡轮外环的径向变形，且使涡轮外环各个位置的径向变形量均匀，有效的保证了涡轮叶尖间隙均匀，进而保证了涡轮性能；另外，涡轮外环采用陶瓷基复合材料和整环结构，能够承受更高的温度，且减少了高压燃气从周向缝隙中泄露；相对于集成化的涡轮外环，涡轮外环损伤后方便进行更换。

Description

整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机
技术领域
本发明涉及涡轮发动机领域，特别地，涉及一种整体式涡轮外环连接结构。此外，本发明还涉及一种包括上述整体式涡轮外环连接结构的涡轮发动机。
背景技术
目前燃气涡轮发动机以及地面燃机涡轮前温度已高达1600～2000K，这使得直接与高温高压燃气接触的燃气涡轮导向叶片、涡轮外环、转子叶片等零部件成为了发动机中工作条件最恶劣的零部件之一。对于燃气涡轮外环而言，其不仅作为涡轮流道的一个重要静子件，也与涡轮机匣一起为涡轮转子叶尖提供最合适的间隙。涡轮外环虽然是静子件，但也直接接触高温燃气，同时由于燃气气流温度场的周向不均性导致涡轮外环的受热也是不均匀的，再加上与相邻零件的尺寸、材料也不尽相同，这些差异导致各个零件的变形也不同。因此涡轮外环不仅要保证较好的叶尖间隙，同时还要自身耐高温、热应力小，还要与相邻零件具有可靠的连接和良好的热匹配。
目前的燃气涡轮发动机涡轮外环通常材料高温合金金属材料，为了保证涡轮外环的强度寿命和可靠性，降低使用和维护成本，通常的做法是：
(1)在涡轮外环上打若干冷却孔，并从二次流空气系统中引出一定量的冷却空气对涡轮外环进行冷却，以降低涡轮外环工作状态下的零件金属温度；但是这种方案中，涡轮外环的冷却需要一定量的冷却空气，为了保证冷却后的涡轮外环的金属温度在材料的耐温范围内且预留一定的裕度，需要的冷气量可能会较大，这无疑会增加涡轮部件的总冷气量，影响整个涡轮部件性能。
(2)涡轮外环通过挂钩结构或螺栓连接安装在涡轮机匣的环槽上，由于涡轮机匣的温度水平较涡轮外环低，因此通常会将整环的涡轮外环分成若干扇形，涡轮外环在机匣的安装约束下径向热膨胀变形被限制，但这也仅仅使得涡轮外环的周向热变形在一定程度上无约束，热应力得到一定的释放从而减小了部分热应力，由于涡轮外环通过挂钩安装在涡轮机匣的环槽上，受到径向安装约束的限制，分段结构的涡轮外环受热膨胀变形完全不被约束的程度受限，必然导致热应力不能被完全释放。
(3)也有将涡轮外环集成在其他零件上的结构设计，例如在涡轮导向器的外伸环上对应转子叶片的位置集成设计外环，这也是整环式涡轮外环的另一种结构形式，也同样存在热应力无法完全释放的问题，另外受其结构形式的限制，不能用于温度较高的燃气涡轮部分，同时涡轮外环损伤后不能进行更换而导致整个零件报废，产品成本较高。
以上的结构设计，都存在热应力不能被完全释放且不同位置热变形不均匀的问题，影响涡轮的性能。
发明内容
本发明提供了一种整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，以解决现有的涡轮外环连接结构热应力不能完全释放及涡轮外环热变形不均匀的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种整体式涡轮外环连接结构，包括涡轮机匣、设置在涡轮机匣上的支撑环及与支撑环连接的涡轮外环，涡轮外环与支撑环之间设有用于释放涡轮外环热应力的径向间隙，支撑环与涡轮外环之间设有多个用于缓冲涡轮外环上的径向变形量，且使涡轮外环上不同位置的径向变形量均匀的弹性件。
进一步地，支撑环与涡轮外环经防转螺栓连接，支撑环上设有与防转螺栓配合的安装孔，涡轮外环上设有与防转螺栓配合的定位孔；防转螺栓包括：头部和杆部，杆部包括：与头部连接且与安装孔配合的外螺纹段及与定位孔配合的圆柱段，圆柱段与定位孔间隙配合。
进一步地，安装孔包括：靠近涡轮外环一侧的的光孔段及远离涡轮外环一侧的内螺纹段，光孔段的孔径大于内螺纹段的孔径。
进一步地，弹性件套设在防转螺栓上，弹性件的一端与光孔段抵接，另外一端与涡轮外环抵接。
进一步地，涡轮外环的前端设有W型封严环，涡轮外环的后端设有V型封严环，用于防止涡轮外环周向缝隙的燃气泄露及防止二次流空气系统的冷气沿着涡轮外环外径侧泄露。
进一步地，V型封严环的外侧还设有用于涡轮外环轴向限位的挡圈
进一步地，涡轮外环采用耐高温的陶瓷基复合材料。
进一步地，涡轮外环上喷涂可磨耗涂层，可磨耗涂层与涡轮外环之间设有打底层。
进一步地，涡轮机匣采用GH907或GH909高温合金材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮发动机，其包括上述的整体式涡轮外环连接结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明的整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，通过在涡轮外环与支撑环之间留有一定的径向间隙，以释放涡轮外环的径向和周向的热应力，涡轮外环的热量向支撑环传递的较少，且涡轮外环的热变形不会受支撑环变形的影响，因此，涡轮外环与周围零件的匹配性及可靠性能好，提高了涡轮外环及其周围零件的使用寿命；涡轮外环与支撑环之间设有弹性件，以缓冲涡轮外环的径向变形，且使涡轮外环各个位置的径向变形量均匀，有效的保证了涡轮叶尖间隙的均匀，进而保证了涡轮的性能；另外，涡轮外环采用整环结构，减少了高压燃气从涡轮外环周向缝隙中泄露；相对于集成化的涡轮外环，涡轮外环损伤后方便进行更换。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的整体式涡轮外环连接结构的示意图。
附图标号说明：
1、涡轮机匣；2、支撑环；3、涡轮外环；4、防转螺栓；5、弹性件；6、V型封严环；7、W型封严环；8、挡圈；9、可磨耗涂层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种整体式涡轮外环连接结构，该连接结构包括：涡轮机匣1、涡轮机匣1上设有支撑环2及与支撑环2连接的涡轮外环3，涡轮外环3与支撑环2之间设有用于释放涡轮外环3热应力的径向间隙，涡轮外环3与支撑环2之间设有多个用于缓冲涡轮外环3径向变形且使涡轮外环3不同位置的径向变形量更加均匀的弹性件。
在本实施例中，支撑环2通过连接螺栓安装在涡轮机匣1上，涡轮外环3与支撑环2之间的间隙为图1中所示的径向间隙C1。通过径向间隙释放涡轮外环3的径向和周向的热变形，涡轮外环3的热量向支撑环2传递的较少，且涡轮外环3的热变形不会受支撑环2变形的影响，因此，涡轮外环3与周围零件的匹配性及可靠性能好，提高了涡轮外环3及其周围零件的使用寿命；另外，因为涡轮外环3在工作时，不同位置受热温度不同，就会造成受热变形不均匀，而直接影响涡轮叶尖间隙的不均匀，通过在不同热变形的位置设置弹性件5，以使涡轮外环3不同位置的径向变形量尽可能均匀，以有效保证涡轮性能。
本实施例的整体式涡轮外环连接结构，通过在涡轮外环与支撑环之间设有径向间隙，并在其之间设有多个弹性件，以缓冲径向变形量且使涡轮外环不同位置的径向变形量均匀，使涡轮外环的热变形得到释放，提高了涡轮外环与周围零件的匹配性能，也提升了涡轮的性能。
优选地，支撑环2与涡轮外环3经防转螺栓4连接，支撑环2上设有与防转螺栓4配合的安装孔，涡轮外环3上设有与安装孔对应的定位孔。防转螺栓4包括：头部和杆部，杆部包括：与头部连接且与安装孔配合的螺纹段及与定位孔配合的圆柱段。在本实施例中，涡轮外环3上设有至少三个定位孔，定位孔与圆柱段上的圆柱面为间隙配合，以用于缓冲涡轮外环3的径向变形。具体地，安装孔为通孔，定位孔为盲孔。
安装孔包括：靠近涡轮外环3一侧的光孔段及远离涡轮外环3一侧内螺纹段。其中光孔段的孔径大于内螺纹段的孔径。在本实施例中，弹性件5为弹簧，弹性件5套设在防转螺栓4上，弹性件5的一端抵接于光孔段，另外一端抵接于涡轮外环3上。
防转螺栓4与定位孔间隙配合，且在防转螺栓4上套设弹簧，在工作过程中，涡轮外环3的径向变形在弹簧的约束下会沿着防转螺栓4的轴向方向变形，也就是说其涡轮外环3与支撑环2连接处的径向变形没有被完全限制，并且进一步使涡轮外环3上各个位置均匀变形，使涡轮外环3的热变形完全自由膨胀。通过支撑环2及涡轮外环3的径向间隙使涡轮外环3的径向热变形得到释放，另外通过防转螺栓4将涡轮外环3与支撑环2连接，防转螺栓4与定位孔间隙配合且在防转螺栓4套设弹簧，使涡轮外环3在连接处的热变形得到了释放，并且使涡轮外环3上不同位置的径向变形均匀，提高了涡轮外环3与支撑环2之间的匹配性能。
具体地，在实际工作过程中，涡轮外环3的周向受热是不均匀的，也就是说涡轮外环3周向不同位置的径向变形是不均匀的，也就是说涡轮外环3上的径向变形量是不一样的，根据涡轮外环3上不同位置的热膨胀变形量确定弹簧的刚度和压缩量，使径向变形在弹簧的约束下，确保涡轮外环3上的径向变形尽可能均匀。在本实施例中，涡轮外环3上设有3个定位孔，通过防转螺栓4与弹簧5的配合，使涡轮外环3的径向变形是均匀的。在其他实施例中，根据需要涡轮外环3上不同位置的径向变形量来设置定位孔及弹簧的个数。
可选地，涡轮外环3的前端设置有W型封严环7，涡轮外环3的后端上设有V型封严环6，利用涡轮外环3前后端的封严环来密封涡轮外环3与支撑环2之间的间隙，一方面防止高压燃气从涡轮外环3的周向缝隙中泄露，另一方面防止工作中的二次流空气系统的冷气沿涡轮外环3外径侧泄露，影响涡轮的性能。在本实施例中，V型封严环6的外侧还设有挡圈8，以在轴向限位涡轮外环3，挡圈8为开口形挡圈。
优选地，涡轮外环3采用耐高温的陶瓷基复合材料。在本实施例中，涡轮外环3采用SiCf的陶瓷基符合材料，它的耐温能力比普通的额金属高出500度以上，因此，在发动机工作过程中无需冷却，取消了冷空气的引入，简化了加工工艺；另外，它的密度为普通金属材料的1/3，因此可比常用金属材料的涡轮外环3重量轻很多，其在1200℃温度下的拉伸强度和弹性模量均无明显下降，因此其承载能力与常用的金属涡轮外环相当。
可选地，涡轮外环3的内径还喷涂有耐高温的可磨耗涂层9，可磨耗涂层9与涡轮外环3之间设置打底层。在本实施例中，可磨耗涂层9的材料比涡轮叶片的材料更软更易磨耗，在发动机工作过程中，当叶片与外环涂层刮磨时，外环可磨耗涂层9被刮磨，不会损伤叶片。另外，打底层是基体材料与可磨耗涂层9的过渡层，是为了更好的保证可磨耗涂层9与基体材料的粘结力。
优选地，涡轮机匣1采用膨胀系数低的高温合金材料，对温度的敏感性较常规的高温合金弱，以减小叶尖间隙，达到控制叶尖间隙的目的。在本实施例中，膨胀系数低的高温合金材料例如：GH907、GH909等，上述材料的导热系数、比热和热膨胀系数均比常用的涡轮机匣材料GH4169的要低。在其他实施例中，涡轮机匣1可采用其他比现有的机匣材料线膨胀系数低的高温合金材料。现有的涡轮机匣1，在发动机起动时，涡轮机匣1的热惯性小，受热膨胀变化大；而涡轮转子的热惯性大，受热膨胀变化慢，所以涡轮机匣1受热后膨胀比涡轮转子快，会造成叶尖间隙增大，影响涡轮发动机的性能；而本实施例的涡轮机匣1采用对温度敏感性低的低膨胀高温合金材料，在发动机起动时涡轮机匣1受热膨胀变化小，而涡轮转子的热惯性不变，在发动机工作时涡轮转子受热膨胀可减小叶尖间隙，对涡轮发动机性能的实现有利。
本发明还提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括上述的整体式涡轮外环连接结构，在此不再赘述。
通过以上的描述可以得知：本发明的整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，通过在涡轮外环与支撑环之间设有的径向间隙，以释放涡轮外环的径向和周向的热应力，涡轮外环的热量向支撑环传递的较少，且涡轮外环的热变形不会受支撑环变形的影响，另外，涡轮外环通过防转螺栓与支撑环连接，且防转螺栓与涡轮外环间隙配合，防转螺栓上套设有用于弹簧，使涡轮外环连接处的热变形得到释放，且使涡轮外环各个位置的径向变形量尽可能均匀，因此，涡轮外环与周围零件的匹配性及可靠性能好，有利于涡轮性能的实现；再者，涡轮外环采用陶瓷基复合材料，充分发挥陶瓷基复合材料耐高温和低密度的特点，可以不需要冷却空气和冷却孔，取消了冷却空气的引入，简化了加工工艺，有效的节约了冷却空气的用量，同时大大减少了涡轮外环重量；与常规的分段式涡轮外环相比，本发明的涡轮外环采用整环结构形式，可有效减小高压燃气从涡轮外环周向缝隙的泄露，有利于保证相邻零件正常工作和保证涡轮性能，同时还可有效降低涡轮外环热变形不协调而产生的热应力，从而提高了涡轮外环本身和其周围零件可靠性，延长了零件的使用寿命，推广利用价值高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种整体式涡轮外环连接结构，包括涡轮机匣(1)、设置在所述涡轮机匣(1)上的支撑环(2)及与所述支撑环(2)连接的涡轮外环(3)，其特征在于，
所述涡轮外环(3)与所述支撑环(2)之间设有用于释放所述涡轮外环(3)热应力的径向间隙，所述支撑环(2)与所述涡轮外环(3)之间设有多个用于缓冲所述涡轮外环(3)上的径向变形量，且使所述涡轮外环(3)上不同位置的径向变形量均匀的弹性件(5)；
所述支撑环(2)与所述涡轮外环(3)经防转螺栓(4)连接，所述支撑环(2)上设有与所述防转螺栓配合的安装孔，所述涡轮外环(3)上设有与所述防转螺栓(4)配合的定位孔，所述安装孔包括：靠近所述涡轮外环(3)一侧的的光孔段及远离所述涡轮外环(3)一侧的内螺纹段，所述光孔段的孔径大于所述内螺纹段的孔径，所述防转螺栓(4)包括：头部和杆部，所述杆部包括：与所述头部连接且与所述安装孔配合的外螺纹段及与所述定位孔配合的圆柱段，所述圆柱段与所述定位孔间隙配合，所述弹性件(5)套设在所述防转螺栓(4)上，所述弹性件(5)的一端与所述光孔段抵接，另外一端与所述涡轮外环(3)抵接，涡轮外环(3)的径向变形在弹性件(5)的约束下会沿着防转螺栓(4)的轴向方向变形；
所述涡轮外环(3)的前端设有W型封严环(7)，所述涡轮外环(3)的后端设有V型封严环(6)，用于防止所述涡轮外环(3)周向缝隙的燃气泄露及防止二次流空气系统的冷气沿着所述涡轮外环(3)外径侧泄露，所述V型封严环(6)的外侧还设有用于所述涡轮外环(3)轴向限位的挡圈(8)；
所述涡轮外环(3)采用耐高温的陶瓷基复合材料，所述涡轮机匣(1)采用GH907或GH909高温合金材料；
所述涡轮外环(3)上喷涂可磨耗涂层(9)，所述可磨耗涂层(9)与所述涡轮外环(3)之间设有打底层。
2.一种涡轮发动机，其特征在于，
包括权利要求1所述的整体式涡轮外环连接结构。
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