CN110761855B - 一种燃气涡轮发动机后机匣 - Google Patents

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Abstract

本申请属于燃气轮机设计技术领域，涉及一种燃气涡轮发动机后机匣。包括外机匣、内机匣以及设置在两者之间的多个承力框架，其中，外机匣的内壁周向设置有隔热屏，所述隔热屏在与承力框架连接处设置有凹向外机匣的槽口，所述槽口内设置有与所述隔热屏固定连接的支板限位套，支板限位套包括有延伸到承力框架两侧的侧板；承力框架的外侧包覆有整流支板，整流支板一端与承力框架连接，另一端搭接在所述支板限位套的侧板外侧上，所述承力框架与所整流支板之间形成第一冷气通道，所述承力框架内形成第二冷气通道，本申请的整流支板在热应力作用下伸长，在支板限位套的导向作用下，向外伸长，释放了热应力，从而使后机匣保持良好的刚性、可靠性及耐久性。

Description

一种燃气涡轮发动机后机匣
技术领域
本申请属于燃气轮机设计技术领域，特别涉及一种燃气涡轮发动机后机匣。
背景技术
燃气涡轮发动机的涡轮后机匣是发动机整机重要的连接、支承、传载和承力构件，主要由外机匣1、内机匣6、承力框架5、轴承座9等组成，承力框架5内布置有进回油管10、冷却空气通道等，典型的涡轮后机匣结构如图1所示。
涡轮后机匣承受着非常大的静力载荷、气动载荷和热应力。整个低压转子的后支点轴承安装在涡轮后机匣的轴承座上，其径向力传递到涡轮后机匣，再由涡轮后机匣上的后吊点传递到飞机上。由于转子支承在后机匣上，后机匣的变形会引起转子叶片与静子外环相磨，影响转子的稳定性，引发大的振动，影响涡轮效率。承力框架位于燃气流道内，直接承受燃气流冲刷，气动力和热应力都很大。因此，涡轮后机匣承受了固体载荷、热载荷和气动载荷，在设计上要求质量坚固可靠、机械刚性好，其可靠性与耐久性直接影响到发动机的安全。
承力框架决定了涡轮后机匣的工作稳定性。设计上，一方面它连接了内、外机匣，是涡轮后机匣的重要承力部件，需要有较好的刚性、具备抗热变形能力；另一方面它处于燃气流道中，需要设计成翼形结构，以减少流道气动损失。
目前主要有三种方案：一是常规方案；二是采用斜支板承力框架一体设计，可以部分抵消由于承力框架直接与高温燃气接触而产生的热应力及热变形；三是整流支板包裹承力框架设计，整流支板主要作用是将承力框架与高温燃气隔开，同时起到对涡轮后的燃气进行整流的作用，减少气动力损失。
整流支板包裹承力框架设计，见图2，可将承力框架承担的大部分热应力、气动力分担给整流支板，缓解了承力框架的载荷水平。整流支板4包裹在承力框架5外部，对承力框架起到辐射防护屏作用，整流支板与承力框架之间引入冷却空气，对承力框架和整流支板冷却。这种方案的优点是将承力框架与高温燃气隔开，以防止承力框架直接与高温燃气接触而产生大的热变形和热应力而影响发动机正常使用。另外整流支板还起到对涡轮后的燃气进行整流的作用，减少气动力损失，支板一般设计成翼形结构。
整流支板与内外机匣固定连接，整流支板受到热应力、振动应力和气动力的叠加作用，由于是钣金薄壁件，且尺寸较大，在使用过程中受到机匣传力及高温燃气影响，变形量大。承力框架温度水平低，变形量小。整流支板和承力框架热变形不协调，易出现焊点脱落、变形、裂纹等故障，影响涡轮后机匣的使用。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种燃气涡轮发动机后机匣，包括外机匣、内机匣以及设置在两者之间的多个承力框架，其中，所述外机匣的内壁周向设置有隔热屏，所述隔热屏在与承力框架连接处设置有凹向外机匣的槽口，所述槽口内设置有与所述隔热屏固定连接的支板限位套，支板限位套包括有延伸到承力框架两侧的侧板；
承力框架的外侧包覆有整流支板，整流支板一端与承力框架连接，另一端搭接在所述支板限位套的侧板外侧上，所述承力框架与所整流支板之间形成第一冷气通道，所述承力框架内形成第二冷气通道。
优选的是，整流支板的外半径小于所述隔热屏的槽口内径。
优选的是，所述内机匣包括多段扇形结构，各扇形结构之间具有空隙。
优选的是，隔热屏、支板限位套和承力框架通过螺栓定位，并固定连接到外机匣上。
优选的是，整流支板外半径与隔热屏内半径相同，且小于隔热屏的具有槽口部分的内径。
本发明提供了一种热固载荷独立设计的燃气涡轮发动机涡轮后机匣，与现有的整流支板包裹承力框架设计方案相比，有以下优点：
(1)整流支板与承力框架各自承担自己的载荷，降低了承力框架的热载荷，提高了可靠性和耐久性；
(2)整流支板与承力框架分开设计，可独立更换，提高了维修性；
(3)承力框架内外通道均有冷气流动，降低了后机匣整体热应力；
(4)整流支板与外机匣不连接，整流支板的变形不会引起外机匣的变形，减小了外机匣变形量；
(5)整流支板可向外自由膨胀，提高了热变形补偿能力；
(6)外机匣隔热屏降低了外机匣的温度水平，提高了外机匣的寿命。
附图说明
图1是典型的涡轮后机匣结构示意图。
图2是现有的整流支板包裹承力框架设计方案示意图。
图3是本申请燃气涡轮发动机后机匣结构示意图。
图4是本申请图3所示实施例的外机匣与承力框架连接示意图。
图5是图4的部分结构放大示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明提供了一种燃气涡轮发动机后机匣，主要解决以下问题：
1.整流支板包裹承力框架，承力框架内外均有冷气，解决了承力框架热应力大的问题；
2.整流支板与承力框架独立设计，即将受热件与受力件分开，将共同承担的载荷分开承担，提高了组件的可靠性；
3.整流支板固定在内机匣上，与外机匣不固定；整流支板只有周向约束，无径向约束，径向上由导引结构引导可自由伸缩，解决了整流支板与承力框架热变形不协调而引起二者相互作用，从而发生变形、裂纹等问题；
4.整流支板与外机匣不固定，整流支板末端设计了补偿热变形的结构，解决了整流支板受力会引起外机匣变形的问题；
5.设计了外机匣隔热屏，使后机匣始终保持较低的温度水平，降低了外机匣的热应力。
参考图3-图5，燃气涡轮发动机后机匣主要由外机匣1、外机匣隔热屏2、支板限位套3、整流支板4、承力框架5、内机匣6、前隔板7、后隔板8等组成。
整流支板4固定在内机匣6上，与外机匣1不固定。整流支板4外半径与外机匣隔热屏2内半径相同。外机匣隔热屏2周向在有承力框架5的位置处内凹。
(1)冷却特征
整流支板4外部为高温燃气，承力框架5和整流支板4形成的环形通道内为第I股冷气，承力框架5内部为第II股冷气。第I股和第II股冷气均由机匣外部引入：第I股冷气主要用于冷却整流支板，从机匣外部引入承力框架5和整流支板4形成的环形通道内，然后由整流支板4和支板限位套3搭接处的缝隙以及内机匣6的周向缝隙排入燃气流道；第II股冷气主要用于实现承力框架的冷却、支点封严、低压涡轮部件冷却等功能。
外机匣隔热屏2用于对外机匣1进行热防护，屏蔽主流道燃气对机匣的对流换热和辐射换热。
(2)定位特征
外机匣隔热屏2、支板限位套3和承力框架5通过螺栓定位固定连接到外机匣1上。前隔板7和后隔板8通过螺栓定位固定连接到承力框架5上。整流支板4包裹在承力框架5的外部，通过焊接方式定位连接到内机匣6上。内机匣6通过螺栓定位固定连接到前隔板7上。
(3)限位特征
整流支板4在大半径处与支板限位套3搭接，在周向、轴向和径向上限位，整流支板4可在支板限位套3引导下由于热变形而自由伸缩。
(4)补偿特征
外机匣隔热屏2在连接支板限位套3及整流支板5的位置处内凹，内凹区域大于整流支板末端覆盖区域，以补偿整流支板变形伸长后，周向、轴向、径向均与外机匣隔热屏2不发生接触，以免产生过大的挤压应力。
内机匣6设计为扇段结构，各扇段之间留有空隙，以补偿周向的热膨胀，见图3中B位置。
本专利发明了一种涡轮后机匣结构，应用了热膨胀补偿设计的原理。
长臂件(本申请的整流支板4)在热应力作用下会膨胀伸长，如果两端固定，在内应力作用下将发生弯曲变形甚至产生扭曲裂纹，本发明应用热膨胀补偿设计的原理，在长臂件一端固定定位，而另一端在伸长方向上不固定，预留有补偿空间，通过结构设计限位疏导，让其在补偿空间内变形伸长而不影响系统功能。
承力框架5的温度低于整流支板4的温度，而且整流支板4一般为薄壁钣金件，承力框架5一般为铸件，二者热变形极不协调，承力框架5的变形量小于整流支板4。
整流支板4在热应力作用下伸长，在支板限位套3的导向作用下，向外伸长，释放了热应力，从而使后机匣保持良好的刚性、可靠性及耐久性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种燃气涡轮发动机后机匣，包括外机匣(1)、内机匣(6)以及设置在两者之间的多个承力框架(5)，其特征在于：
所述外机匣(1)的内壁周向设置有隔热屏(2)，所述隔热屏(2)在与承力框架(5)连接处设置有凹向外机匣(1)的槽口，所述槽口内设置有与所述隔热屏(2)固定连接的支板限位套(3)，支板限位套(3)包括有延伸到承力框架(5)两侧的侧板；
承力框架(5)的外侧包覆有整流支板(4)，整流支板一端与承力框架(5)连接，另一端搭接在所述支板限位套(3)的侧板外侧上，所述承力框架(5)与所整流支板(4)之间形成第一冷气通道，所述承力框架(5)内形成第二冷气通道。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机后机匣，其特征在于，整流支板(4)的外半径小于所述隔热屏(2)的槽口内径。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机后机匣，其特征在于，所述内机匣(6)包括多段扇形结构，各扇形结构之间具有空隙。
4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机后机匣，其特征在于，隔热屏(2)、支板限位套(3)和承力框架(5)通过螺栓定位，并固定连接到外机匣(1)上。
5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机后机匣，其特征在于，整流支板(4)外半径与隔热屏(2)内半径相同，且小于隔热屏(2)的具有槽口部分的内径。
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