CN108412554B - 一种具有支撑定心及增压的轴及燃气轮机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有支撑定心及增压的轴及燃气轮机转子，所述轴上依次包括压气机安装部、涡轮安装部，涡轮安装部包括与涡轮连接的涡轮支撑部，涡轮支撑部的外径大于与其相邻的轴的其他部分的外径，且涡轮支撑部上设有增压机构。本发明的有益效果：结构和布局简单、易加工，通过涡轮支撑部，实现定心、支撑、增压的多个作用，在消耗极少部分有用功的情况下，使转子形变量减少，降低转子部件和静子部件发生擦碰的概率，优化了整个转子稳定性能，获取最佳的综合效益。

Description

一种具有支撑定心及增压的轴及燃气轮机转子

技术领域

本发明涉及一种轴结构及采用该轴结构的燃气轮机转子，具体涉及的是一种具有支撑定心及增压的轴结构及采用该轴结构的燃气轮机转子。

背景技术

当前，大多数燃气轮机转子级与级之间的连接方式是端齿连接，端齿连接的作用是可以实现运转中自动定心和传扭。与之同时，端齿啮合处山形齿之间的中空间隙实现从压气机端引气，经轴与涡轮盘之间的间隙引到涡轮盘末端冷却涡轮盘壁面和叶片，达到优化转子稳定性和提高高温部件的使用寿命。当转子升速时，在低转速下由于压气机引气压力不高、流量小。在发生微小故障或燃烧情况发生改变，可能引起燃气从末端倒灌回来，失去冷却气流的涡轮盘和叶片很容易在热膨胀的作用下与静子件擦碰。并且两端齿间的啮合十分依赖两端的螺栓预紧力压紧，当出现松动或者端齿出现磨损严重的情况，端齿连接的作用会失效，转子在高速运转的时候轻则发生转子碰摩，重则发生转子报废的重大事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种解决上述背景技术中涡轮盘和叶片与静子件擦碰及端齿连接失效的轴和采用该轴的燃气轮转子。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明一种具有支撑定心及增压的轴，所述轴上依次包括压气机安装部、涡轮安装部，涡轮安装部包括与涡轮连接的涡轮支撑部，涡轮支撑部的外径大于与其相邻的轴的其他部分的外径，且涡轮支撑部上设有增压机构。

优选的，压气机安装部包括依次连接的第一配合面、第一过渡段，涡轮安装部还包括依次连接在涡轮支撑部右侧的第二过渡段、第二配合面，涡轮支撑部连接第一过渡段,且涡轮支撑部的直径大于第一过渡段及第二过渡段的直径。

优选的，所述轴为一体式结构，第一过渡段的外径小于第一配合面的外径，第二过渡段的外径小于第二配合面的外径。

优选的，所述轴为空心轴，其内径为变内径。

优选的，所述轴的内径包括依次连接的小径段、大径段，大径段的直径大于小径段，小径段起始于轴的一端，终止于第一过渡段处，大径段起始于第一过渡段处，终止于轴的另一端。

优选的，小径段与大径段圆弧过渡连接。

优选的，所述涡轮支撑部包括支撑轴段，所述增压机构设置在支撑轴段上，所述增压机构为若干轴流压气机叶片，所述轴流压气机叶片均匀设置在支撑轴段上。

优选的，所述若干轴流压气机叶片形成多个渐扩流道，且渐扩流道的入口尺寸小于出口尺寸。

本发明还提供一种采用所述具有支撑定心及增压的轴的燃气轮机转子，包括轴、压气机、涡轮，所述压气机安装在压气机安装部，涡轮安装在涡轮安装部，且压气机与涡轮通过端齿啮合。

优选的，所述压气机安装部包括依次连接的第一配合面、第一过渡段，涡轮安装部还包括依次连接在涡轮支撑部右侧的第二过渡段、第二配合面，涡轮支撑部连接第一过渡段，所述压气机的一端与第一配合面过盈配合连接，另一端与涡轮端齿啮合，涡轮的另一端与第二配合面过盈配合，且涡轮与涡轮支撑部的接触处与涡轮上靠近压气机与涡轮端齿啮合处的边缘间隔设置。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明主要增加了涡轮支撑部，通过轴上的涡轮支撑部与涡轮连接，其优点是将端齿定心功能弱化了，在高速运转的时候，即使端齿失去自动定心功能、端齿啮合面啮合磨损，也能正常工作，实现支撑、定心作用，且设有增压机构，解决当转子升速时，在低转速下由于压气机引气压力不高的问题，实现增压的作用；

(2)再者，采用空心轴结构，能够传递扭矩的同时，节省材料，其空心部分采用变内径的结构，这样做的好处是平衡转子质量分布，使轴的刚度矩阵分布更加合理；

(3)其中具体的涡轮支撑部上的增压机构是由轴流压气机叶片的形式构成，并形成多个渐扩流道，且入口处的尺寸小于出口处的尺寸，使得在转子旋转的过程中这样的结构有利于扩压，且能够通过需要改变进出口尺寸的大小，获得不同的增压值；同时可以有效克服沿程压损，保证冷气流道始终保持通畅；

(4)涡轮与涡轮支撑部的连接方式为悬突结构，即涡轮与涡轮支撑部的接触点离涡轮的边缘有2-4mm的距离，其作用是转子在高速运转的时，可以延缓接触面发生滑移；

(5)支撑轴段与第一过渡段及第二过渡段均由圆弧过渡连接和和加工避空的结构，所述圆弧的圆角为10mm，应力较均匀，效果最佳。

附图说明

图1是本发明实施例一种具有支撑定心及增压的轴的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1中A处的放大图；

图4是图3中渐扩通道及过度圆角的尺寸示意图；

图5是本发明一种燃气轮机转子的结构示意图；

图6是图5的剖视图；

图7是图6中D处的放大图。

图中标号：轴1、压气机安装部11、第一配合面111、第一过渡段112、涡轮安装部12、涡轮支撑部121、支撑轴段1211、轴流压气机叶片1212、渐扩流道1213、第二过渡段122、第二配合面123、小径段13、大径段14、压气机2、涡轮3、齿啮合处4。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例一种具有支撑定心及增压的轴1，所述轴1上依次包括压气机安装部11、涡轮安装部12；涡轮安装部12包括与涡轮3连接的涡轮支撑部121，涡轮支撑部121的外径大于与其相邻的轴1的其他部分的外径，且涡轮支撑部121上设有增压机构，当出现松动或者端齿出现磨损严重的情况，端齿连接的作用会失效，此时，涡轮支撑部121同步实现支撑、定心、增压的多重效果。

作为进一步的优化方案，压气机安装部11包括依次连接的第一配合面111、第一过渡段112，第一过渡段112的外径小于第一配合面111的外径，其作用是为了产生冷气通道，且气体在此处能够实现增压，涡轮安装部12包括依次连接的涡轮支撑部121、第二过渡段122、第二配合面123，第二过渡段122的外径小于第二配合面123的外径，其作用是为了产生冷气通道，即可实现冷却压气机2(结合图5所示)的内表面和轴1的外表面，涡轮支撑部121连接第一过渡段112，涡轮支撑部121的外径等于或略小于涡轮3的内径，涡轮支撑部121处与第二配合面123处二者配合实现对涡轮3两端的支撑，当然除此之外，轴1上还可以在压气机安装部11的左端设置其他台阶、螺纹等连接结构，根据需要设置。

如图2所示，作为进一步的优化方案，所述轴1为一体式结构，且为空心轴，空心轴的内径为变内径，轴1的内径包括依次连接的小径段13、大径段14，小径段13和大径段14分别位于112的左端与右端，大径段14的直径大于小径段13，小径段13起始于轴1的左端，终止于第一过渡段112处，大径段14起始于第一过渡段112处，终止于轴1的右端，大径段14与压气机安装部11和涡轮安装部12处对应。

作为进一步的优化方案，小径段13与大径段14圆弧过渡连接。空心轴本身相较于实心轴的好处即是传递相同扭矩的条件下，空心轴更节省材料，结合图6所示，本发明中大径段14主要设置在压气机2与涡轮3的安装位置处，其主要目的是平衡燃气轮转子的质量分布，使轴1的刚度矩阵分布更加合理。

如图3-4所示，所述涡轮支撑部121包括支撑轴段1211及设置在支撑轴段1211上的增压机构，所述增压机构为若干轴流压气机叶片1212，所述轴流压气机叶片1212均匀设置在支撑轴段上1211，且支撑轴段1211的外径大于第一过渡段112及第二过渡段122的外径。所述轴流压气机叶片1212的个数为3-25片，最优的，轴流压气机叶片1212的个数为12-19片时，效果最佳，每一片的轴流压气机叶片1212外部轮廓呈“头大尾小”的叶片结构，并倾斜设置在支撑轴段1211上。所述若干轴流压气机叶片1212形成多个渐扩流道1213，因每一片的轴流压气机叶片1212靠近冷气进口处的尺寸大于冷气出口处的尺寸，使得渐扩流道1213的入口尺寸L1小于出口尺寸L2，使得转子旋转过程中，冷气经过渐扩流道1213后气体被增压，最后能够从涡轮3尾端的气孔中喷出。

如图4所示，所述支撑轴段1211与左端的第一过渡段112及右端的第二过渡段122均由圆弧过渡连接，应力分布更加均匀，增加轴1的寿命，所述圆弧的圆角R1＝10mm，应力较均匀，效果最佳，支撑轴段1211与左端的第一过渡段112连接处设有压气机3内孔避空位，有利于加工。

如图5-7所示，本发明还提供一种采用具有支撑定心及增压的轴的燃气轮机转子，包括轴1、压气机2、涡轮3，压气机2与涡轮3均安装在轴1上，所述压气机2安装在压气机安装部11，涡轮3安装在涡轮安装部12，且压气机2与涡轮3通过端齿啮合，图中4为端齿啮合处。

作为进一步优选的技术方案，压气机安装部11由左至右包括依次连接的第一配合面111、第一过渡段112，涡轮安装部12由左至右包括依次连接的涡轮支撑部121、第二过渡段122、第二配合面123，涡轮支撑部121的左端连接第一过渡段112的右端，所述压气机2的左端与第一配合面111过盈配合连接，右端与涡轮3齿啮合，涡轮3的右端与第二配合面123过盈配合，如图5所示，涡轮3与涡轮支撑部121的接触位置的最左端与涡轮3的左边缘间隔设置。间隔的距离为2-4mm。且若干轴流压气机叶片1212与涡轮3内表面的接触面积为10-18mm²时，效果较佳。

本发明使用时，高温部件所需要的冷气由齿啮合处4经涡轮支撑部121的多个渐扩流道1213，因渐扩流道1213的入口尺寸小于出口尺寸，气体经过渐扩流道1213后被增压，然后通过涡轮3与轴1之间的间隙通道，最后从涡轮3尾部的孔中喷射而出。与之同时冷气经压气机2的进口到达压气机2与轴1之间的间隙通道，冷却压气机2内壁面和轴1外壁面，使温度更加均匀，进而转子寿命提高。

本发明的结构和布局简单、易加工，在不改变大多数结构的情况下节省很大成本，仅通过涡轮支撑部121，实现定心、支撑、增压的多个作用，在消耗极少部分有用功的情况下，使转子形变量减少，降低转子部件和静子部件发生擦碰的概率，优化了整个转子稳定性能，获取最佳的综合效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种具有支撑定心及增压的轴，其特征在于，所述轴上依次包括压气机安装部、涡轮安装部，涡轮安装部包括与涡轮连接的涡轮支撑部，涡轮支撑部的外径大于与其相邻的轴的其他部分的外径，且涡轮支撑部上设有增压机构；压气机安装部包括依次连接的第一配合面、第一过渡段，涡轮安装部还包括依次连接在涡轮支撑部右侧的第二过渡段、第二配合面，涡轮支撑部连接第一过渡段,且涡轮支撑部的直径大于第一过渡段及第二过渡段的直径；所述轴为一体式结构，第一过渡段的外径小于第一配合面的外径，第二过渡段的外径小于第二配合面的外径；

所述涡轮支撑部包括支撑轴段，所述增压机构设置在支撑轴段上，所述增压机构为若干轴流压气机叶片，所述轴流压气机叶片均匀设置在支撑轴段上；所述若干轴流压气机叶片形成多个渐扩流道，且渐扩流道的入口尺寸小于出口尺寸；涡轮与涡轮支撑部的接触位置的最左端与涡轮的左边缘间隔设置。

2.根据权利要求1所述的一种具有支撑定心及增压的轴，其特征在于，所述轴为空心轴，其内径为变内径。

3.根据权利要求2所述的一种具有支撑定心及增压的轴，其特征在于，所述轴的内径包括依次连接的小径段、大径段，大径段的直径大于小径段，小径段起始于轴的一端，终止于第一过渡段处，大径段起始于第一过渡段处，终止于轴的另一端。

4.根据权利要求3所述的一种具有支撑定心及增压的轴，其特征在于，小径段与大径段圆弧过渡连接。

5.一种采用上述权利要求1-4任一所述具有支撑定心及增压的轴的燃气轮机转子，其特征在于，包括轴、压气机、涡轮，所述压气机安装在压气机安装部，涡轮安装在涡轮安装部，且压气机与涡轮通过端齿啮合。

6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机转子，其特征在于，所述压气机安装部包括依次连接的第一配合面、第一过渡段，涡轮安装部还包括依次连接在涡轮支撑部右侧的第二过渡段、第二配合面，涡轮支撑部连接第一过渡段，所述压气机的一端与第一配合面过盈配合连接，另一端与涡轮端齿啮合，涡轮的另一端与第二配合面过盈配合，且涡轮与涡轮支撑部的接触处与涡轮上靠近压气机与涡轮端齿啮合处的边缘间隔设置。