CN110821712A - 一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构 - Google Patents

一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液体火箭发动机涡轮泵领域，提供一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，包括高温燃气出口管、低温壳体，低温壳体通过涡轮端轴承安装在转轴上，涡轮转子固定在转轴上，高温燃气出口管包括出口法兰、过渡段、小端、集气管和大端，在集气管的内表面周向设置导流支板；出口法兰、过渡段、小端、导流支板、集气管和大端为一体成型，采用高温合金材料制成；大端与小端分别设置在集气管上相对的两侧；高温燃气出口管与低温壳体通过螺母和螺栓连接；通过对高温燃气出口管内部型面进行三维优化，保证了高温燃气出口管流通顺畅且损失极小，提高了涡轮泵做功能力和涡轮泵效率。

Description

一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构
技术领域
本发明属于液体火箭发动机涡轮泵领域，具体涉及一种火箭发动机低温涡轮泵的高温燃气出口端组件结构。
背景技术
涡轮泵是液体火箭发动机中的关键零组件之一，由于其功率非常大，一般采用高温燃气涡轮驱动。尤其对于补燃循环发动机，在保证发动机性能的前提下需尽量降低高温燃气温度，以确保发动机高温燃气路的可靠性，而涡轮泵效率与高温燃气温度直接相关，系统调整计算表明，涡轮泵效率每提高1％，高温燃气温度可降低10K，因此设计出高效率的涡轮组件非常重要。而对于亚声速涡轮，涡轮高温燃气出口管的结构设计的好坏对涡轮泵效率的影响非常大。
另外，在较先进的液氧煤油发动机涡轮氧泵中，泵端介质为超低温液氧，其温度低达-183℃，涡轮端为高温富氧高温燃气，温度高达500℃。通常情况下，为了保证结构简单、紧凑，会将泵和涡轮同轴设计，涡轮高温燃气出口端直接与泵低温壳体相连，这会导致相关连接零件由于极大的温差产生温差应力和变形。因此，为了保证涡轮泵工作可靠性，如何保证低温液体介质和高温燃气的隔离问题，以及降低相关零件由于极大的温差产生的温差应力和变形问题也很重要。
针对上述两问题，为了保证发动机高温燃气路的可靠性，发动机设计时一方面为了提高涡轮泵效率，需对高温燃气出口端组件结构进行优化设计，另一方面要合理设计零部件的温差应力和变形。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，使得涡轮具有较高的效率的同时解决了低温部件和高温部件之间的温度差极大导致部件变形的问题，从而保证高温燃气路的可靠性。
本发明的基本构思是：结合3D打印技术，优化了高温燃气出口管的结构及内部型面，保证了高温燃气出口管流通顺畅且损失极小，从而提高了涡轮做功能力和涡轮泵效率。同时，对温燃气出口管与低温壳体的连接结构进行优化，在涡轮出口管内设置了导流锥零件，一方面将涡轮转子出口的高温燃气顺利导流至涡轮出口管的集气管内，另一方面，导流锥将高温燃气与低温壳体进行隔离，形成了一个区域较大、且较封闭的隔离腔，隔离腔内温度介于低温液氧和高温燃气之间，隔离腔的存在解决了低温部件和高温部件之间的温度梯度急剧变化导致部件变形的问题。通过对上述两方面进行优化保证涡轮泵的燃气路的工作可靠性。
本发明的技术解决方案是：提供一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，包括高温燃气出口管、低温壳体，低温壳体通过涡轮端轴承安装在转轴上，涡轮转子固定在转轴上，高温燃气出口管包括出口法兰、过渡段、小端、集气管和大端，在集气管的内表面周向设置有导流支板，集气管内腔截面积沿出口方向呈增大趋势，过渡段将集气管与出口法兰平滑过渡连接；出口法兰、过渡段、小端、导流支板、集气管和大端为一体成型，采用高温合金材料用3D打印的方法制成；大端与小端分别设置在集气管上相对的两侧；高温燃气出口管与低温壳体通过螺母和螺栓连接；通过对高温燃气出口管内部型面进行三维优化，保证了高温燃气出口管流通顺畅且损失极小，提高了涡轮泵做功能力和涡轮泵效率。
进一步地，导流支板为等截面叶型沿周向拉伸的直叶片，将大端和小端连接，设置导流支板的目的在于一方面将涡轮出口高温燃气导入集气管内，另一方面增加了集气管的强度和刚度，防止其在高压环境下变形过大；导流支板的叶型和安装角度均不相同，叶型和安装角度的相关参数采用三维流场仿真软件优化得到，其目的在于在满足强度和刚度要求的前提下，使得导流支板在导流的同时产生最小的流动损失。
进一步地，为降低涡轮出口管燃气的能量损失，在小端的内表面拐角处设置倒圆角R，将涡轮转子出口的高温燃气气流平滑过渡至集气管内，减少了高温燃气在流经小端时的能量损失，提高了涡轮效率。
进一步地，小端与涡轮转子的配合面上设置有迷宫型密封结构Ⅰ，降低了涡轮顶部间隙高温燃气的泄漏量，进而提高涡轮泵效率。
进一步地，由于涡轮泵工作过程中会一直有液氧从低温液氧腔泄漏至高温燃气腔，为了降低液氧腔向高温燃气腔的泄漏量，在低温壳体与转轴配合的内孔表面设置有迷宫型密封结构Ⅱ，进而提高涡轮泵效率。
进一步地，为了降低低温壳体和转轴的碰磨风险，转轴上与低温壳体的迷宫型密封结构Ⅱ配合的区域采用镀银工艺处理。
进一步地，低温壳体和高温燃气出口管之间采用高温密封垫密封，高温密封垫为黄铜材料制成，保证低温壳体与高温燃气出口管的可靠连接。
进一步地，还包括导流锥，导流锥为回转体结构，包括连接的圆弧段和直线段，导流锥将高温燃气顺利过渡至集气管内，并将高温燃气与低温壳体隔开，在低温壳体和高温燃气腔之间形成了较封闭的隔离腔，，降低减小低温壳体的温差应力和变形，保证其安全可靠工作。
进一步地，导流锥为高温合金材料采用锻件机加而成，并与低温壳体采用螺纹连接，便于导流锥的安装。
进一步地，为了提高部件在高温富氧燃气下的工作安全性，与燃气接直接接触的导流锥表面、涡轮转子的表面和高温燃气出口管的内腔均涂覆有耐高温热障涂层。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明的涡轮高温燃气出口管的出口法兰、过渡段、集气管、大端、小端和导流支板采用一体成型，使各部件之间的连接平滑过渡，避免了传统焊接方式导致的热变形及精度低的问题。
2、结合3D打印制备方法，对集气管型面进行三维造型并优化，将其设计为内腔截面积沿出口方向呈增大的趋势，并采用过渡段将其与出口法兰平滑过渡连接，保证了燃气出口管内燃气流通顺畅，提高了涡轮做功能力。
3、在高温燃气出口管内设置导流支板，且导流支板的安装角度和叶型均为流场仿真软件优化得到，能够更顺利地将涡轮出口高温燃气导入集气管内，同时提高了高温燃气出口整体强度和刚度，提高了高温燃气出口管的工作可靠性。
4、在高温燃气出口管大端内孔处、低温壳体内孔表面均设置了迷宫型密封结构，降低了液氧向涡轮端和涡轮转子顶部间隙的泄漏量，进一步提高了涡轮泵效率。
5、在低温壳体与高温燃气出口管之间设置导流锥，导流锥可以顺利将涡轮转子出口高温燃气导流至出口管集气腔，同时，导流锥将高温燃气腔和低温壳体进行隔离，减小了低温壳体的温差，降低了温度应力和变形，从而提高涡轮整体的工作可靠性。
6、为了降低低温壳体和转轴的碰磨风险，在转轴上与低温壳体的迷宫型密封结构Ⅱ配合的区域增加了镀银工艺处理，为了提高高温部件在富氧高温燃气下的工作安全性，在导流锥表面、涡轮转子的表面和高温燃气出口管的内腔均涂覆耐高温热障涂层，进一步提高涡轮泵整体的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构示意图；
图2是图1中高温燃气出口管A-A截面剖视图；
图3是图1中高温燃气出口管的立体图；
图4是本发明迷宫型密封结构Ⅱ的结构示意图；
图5是图1中B部分的放大图。
附图标记：1-转轴，2-涡轮端轴承，3-低温壳体，31-迷宫型密封结构Ⅱ，4-螺母，5-螺栓，6-高温密封垫，7-高温燃气出口管，71-出口管法兰，72-过渡段，73-小端，77-迷宫型密封结构Ⅰ，74-小端，75-集气管，76-大端，81-圆弧段，82-直线段，9-涡轮转子，10-隔离腔，11-高温燃气腔，12-低温液氧腔，R-小端的内表面拐角处的过渡圆角。
具体实施方式
补燃循环发动机其工作方式为：燃料和氧化剂通过泵增压以后，分出少部分流量的燃料和全部流量氧化剂进入预燃室，在预燃室燃烧产生高温、高压富氧燃气用来驱动主涡轮工作，富氧燃气通过涡轮后管路进入主燃烧室，在此处与泵后大部分的燃料汇合并充分燃烧，从喷管排出。本发明基于提高涡轮泵效率以降低高温燃气温度从而保证涡轮泵整体工作的可靠性构思，对高温燃气出口管的结构进行优化来提高涡轮泵效率，同时通过对高温燃气出口管与涡轮的连接组件的结构优化，包括设置导流锥将高温燃气腔和低温壳体进行隔离，来提高涡轮的部件与高温燃气出口管部件连接、工作的可靠性，从上述两方面来提高涡轮整体工作的可靠性。
具体的，如图1至3所示，本发明的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，包括转轴1、涡轮端轴承2、低温壳体3、螺母4、螺栓5、高温密封垫6、高温燃气出口管7、导流锥、涡轮转子9；低温壳体3通过涡轮端轴承2安装在转轴1上，涡轮转子9为锻件机加零件，与转轴1采用渐开线花键连接；高温燃气出口管7与低温壳体3通过螺母4和螺栓5连接，低温壳体3和高温燃气出口管7之间采用高温密封垫6密封，高温密封垫6为黄铜材料机加而成，可以在压力高达20MPa、温度高达500℃的燃气中起密封作用。
如图2和3所示，高温燃气出口管7包括出口法兰71、过渡段72、小端73、集气管75和大端76，过渡段72将集气管75与出口法兰71平滑过渡连接；大端76与小端73分别设置在集气管75上相对的两侧。出口管法兰71内孔为圆形，外圆为多个减重梅花瓣结构，在法兰面设置了多个螺纹通孔，便于与下游管道连接，具体的，高温燃气出口管的出口法兰71、过渡段72、小端73、集气管75和大端76和导流支板74采用高温合金材料3D打印技术一体成型，使得高温燃气出口管内各部件之间平滑连接，从而减少高温燃气在流经高温燃气出口管的能量损失。集气管75的腔内截面积是沿法兰出口71的方向呈逐渐增大趋势。大端76与小端73同轴设置，高温燃气从小端73出来后，被其内表面设置的导流支板74导向集气管75内，并从集气管75流经过渡段72到达出口法兰71。在高温燃气出口管7的大端76设置螺纹盲孔，高温燃气出口管7与低温壳体3通过该螺纹盲孔采用螺母4和螺栓5连接。为了降低高温燃气在出口管7内的损失，在小端73的内表面拐角处设置倒圆角R，R的尺寸为R3至R5，将涡轮转子出口的高温燃气气流平滑过渡至集气管75内。为了便于加工装卡，可以在高温燃气出口管小端73的外表面增加较大的平面，用于工装支撑面。
在集气管75的内表面周向均布有多个导流支板74，导流支板74为等截面叶型沿周向拉伸的直叶片，将大端76和小端73连接，导流支板74的叶型和安装角度均不相同，相关参数采用三维流场仿真软件优化得到，在满足高温燃气出口管强度和刚度要求的前提下，保证支板在导流的同时产生最小的流动损失。
如图1和4所示，为了进一步提高涡轮泵效率，小端73与涡轮转子9接触的配合面上设置迷宫型密封结构Ⅰ77，降低涡轮顶部间隙的泄漏量。如图5所示，在低温壳体3与转轴1配合的内孔表面设置迷宫型密封结构Ⅱ31，为了降低液氧腔向高温燃气腔的泄流量。为了进一步保证涡轮工作的可靠性，转轴1上与低温壳体3的迷宫型密封结构Ⅱ31配合的区域采用镀银工艺处理，降低低温壳体3和转轴1的碰磨风险。
为了保证涡轮工作的可靠性，如图1所示，在低温壳体与高温燃气出口管之间设置导流锥，导流锥为高温合金材料采用锻件机加而成，并与低温壳体3采用螺纹连接。
具体的，导流锥为回转体结构，具体的包括平滑连接的圆弧段81和直线段82，导流锥的轴线与转轴1重合，导流锥与低温壳体3之间形成较为封闭的隔离腔10，导流锥在转轴上安装时，圆弧段81安装到低温壳体3与燃气出口管7连接的一端，直线段82安装到低温壳体3位于燃气出口管7内的一端，保证能够最大程度上将高温燃气与低温壳体3隔离，导流锥的设置一方面将高温燃气顺利过渡至集气管75内，另一方面，将高温燃气与低温壳体3隔开，使隔离腔10内的温度介于低温液氧和高温燃气之间，隔离腔10的存在解决了低温部件与高温部件之间的温度梯度急剧变化导致部件变形的问题。为了便于导流锥装配，在导流锥的外表面设计多个安装孔。
为了进一步保证涡轮工作的可靠性，在导流锥表面、涡轮转子9的表面和高温燃气出口管7的内腔均涂覆有耐高温热障涂层，为了提高部件在高温富氧燃气下的工作可靠性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，包括高温燃气出口管(7)、低温壳体(3)，其特征在于：所述低温壳体(3)通过涡轮端轴承(2)安装在转轴(1)上，所述涡轮转子(9)固定在所述转轴(1)上，所述高温燃气出口管(7)包括出口法兰(71)、过渡段(72)、小端(73)、集气管(75)和大端(76)，在所述集气管(75)的内表面周向设置导流支板(74)，集气管(75)的腔内截面积沿出口方向呈逐渐增大的趋势；所述过渡段(72)将集气管(75)与出口法兰(71)平滑过渡连接；所述出口法兰(71)、过渡段(72)、小端(73)、导流支板(74)、集气管(75)和大端(76)一体成型；所述大端(76)与所述小端(73)分别设置在所述集气管(75)上相对的两侧；所述高温燃气出口管(7)与低温壳体(3)通过螺母(4)和螺栓(5)连接。
2.根据权利要求1所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述导流支板(74)为等截面叶型沿周向拉伸的直叶片，将所述大端(76)和小端(73)连接，所述导流支板(74)的叶型和安装角度通过三维流场仿真软件得到。
3.根据权利要求1或2所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述小端(73)的内表面拐角处设置倒圆角R。
4.根据权利要求3所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述小端(73)与涡轮转子(9)的配合面设置有迷宫型密封结构Ⅰ(77)。
5.根据权利要求3所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：在低温壳体(3)与转轴(1)配合的内孔表面设置有迷宫型密封结构Ⅱ(31)。
6.根据权利要求5所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述转轴(1)上与低温壳体(3)的迷宫型密封结构Ⅱ(31)配合的区域采用镀银工艺处理。
7.根据权利要求1所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述低温壳体(3)和所述高温燃气出口管(7)之间采用高温密封垫(6)密封，所述高温密封垫(6)为黄铜材料制成。
8.根据权利要求1所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：还包括导流锥，所述导流锥为回转体结构，包括连接的圆弧段(81)和直线段(82)，导流锥与所述低温壳体(3)之间形成隔离腔(10)。
9.根据权利要求8所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述导流锥为高温合金材料制成，并与低温壳体(3)采用螺纹连接。
10.根据权利要求8所述的低温涡轮泵高温燃气出口端连接结构，其特征在于：所述导流锥、涡轮转子(9)的表面和高温燃气出口管(7)的内腔均涂覆有耐高温热障涂层。
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