CN111255522B - 一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，平衡盘过盈安装于高压涡轮盘上，其顶端设有篦齿封严结构，调整篦齿间隙能够改变平衡盘两侧压差，调整离心叶轮盘后和高压涡轮盘前压力，改变高压转子系统轴向力；平衡盘增加了一个轴向力来源，即平衡盘两侧的压差会在平衡盘上产生向后的轴向力，该轴向力由平衡盘传递至高压涡轮盘上并最终影响高压转子系统的轴向力，改变平衡盘径向尺寸同样可以改变轴向力；平衡盘轴向紧靠高压涡轮盘，径向圆柱面定位且为过盈配合，周向通过销钉固定；平衡盘低半径处有通气孔，气流冲击冷却高压涡轮盘低半径位置；平衡盘外有静止封严环，静止封严环上有通气孔，气流冲击冷却高压涡轮导向器内环。

Description

一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构
技术领域
本发明属于地面燃气轮机和航空发动机空气系统技术领域，涉及一种平衡盘结构，尤其涉及一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，所述平衡盘位于高压离心压气机与高压涡轮盘之间，通过改变平衡盘两侧压差、改变平衡盘径向尺寸，可实现对高压转子系统轴向力的调控。
背景技术
由于燃气轮机发动机空气系统中所有转盘上的轴向载荷共同决定了转子总的轴向载荷，因此，在发动机转子系统上增加新轮盘可以直接改变总轴向力。新增轮盘在转子系统中的位置、结构形式是确保结构方案可行且轴向力调整程度满足要求的关键。对于采用高压比离心压气机结构布局的中小型燃气轮机和航空发动机(属于燃气轮机的一种)，用于实现高压涡轮盘的冷却、封严以及高压转子轴向力调节等空气系统功能的空气一般来自于离心压气机出口根部引气，这一流路是高压转子系统中的高压载荷来源，如需大幅度调节高压转子轴向力，可将平衡盘结构设置于离心压气机与高压涡轮盘间。平衡盘除了引入新增轴向载荷外，还会改变离心叶轮盘和高压涡轮轮盘上的轴向载荷(这两个轮盘由于压力高、半径大，对高压转子系统总的轴向载荷影响最大，调控这两个腔的压力具有重要意义)，如何设计平衡盘结构及气路布局对于轴向力调节具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提出了一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，平衡盘过盈安装于高压涡轮盘上，其顶端有篦齿密封结构，调整篦齿间隙能够改变平衡盘两侧压差，调整离心叶轮盘后和高压涡轮盘前压力，改变高压转子系统轴向力；此外，新增的平衡盘增加了一个轴向力来源，即平衡盘两侧的压差会在平衡盘上产生向后的轴向力，该轴向力由平衡盘传递至高压涡轮盘上并最终影响高压转子系统的轴向力，改变平衡盘径向尺寸同样可以改变轴向力；平衡盘轴向紧靠高压涡轮盘，径向圆柱面定位且为过盈配合，周向通过销钉固定；平衡盘低半径处有通气孔，气流冲击冷却高压涡轮盘低半径位置；平衡盘外有静止封严环，静止封严环上有通气孔，气流冲击冷却高压涡轮导向器内环。
为实现该目标，本发明采用的技术方案为：
一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，包括设置在发动机高压转子轴上的离心叶轮盘和高压涡轮盘，所述离心叶轮盘的后轮毂与所述高压涡轮盘的前轮毂相互抵接，所述离心叶轮盘设置在离心压气机外机匣内，所述离心压气机外机匣的下游边缘延伸至所述高压涡轮盘的前轮缘处，且二者之间具有间隙，所述离心压气机外机匣的下游段上还设置有高压涡轮导向器并形成为高压涡轮导向器内环，其特征在于，
所述平衡盘结构还包括一平衡盘，所述平衡盘在轴向上设置在所述离心叶轮盘与高压涡轮盘之间，且所述平衡盘在轴向上临近所述高压涡轮盘设置，所述平衡盘的中心安装孔以过盈方式固定设置在所述高压涡轮盘的前轮毂上，所述离心压气机外机匣的内壁上设置一倾斜布置并向下游延伸的静止封严环，所述静止封严环的末端与所述平衡盘的顶部外轮缘之间形成篦齿封严结构并具有篦齿间隙；
所述平衡盘的低半径处设有通气孔，所述静止封严环的与所述高压涡轮导向器内环相对的壁面上也设置有通气孔，
所述离心叶轮盘、平衡盘与所述离心压气机外机匣三者之间的空间形成为离心叶轮背腔，所述平衡盘、高压涡轮盘与所述离心压气机外机匣三者之间的空间形成为高压涡轮前腔，
所述离心叶轮盘的出口根部与所述离心压气机外机匣之间具有狭缝，从所述狭缝进入所述离心叶轮背腔中的高压气流分别通过所述平衡盘低半径处的通气孔、平衡盘顶部的篦齿间隙、静止封严环上的通气孔进入所述高压涡轮前腔，并最终通过所述高压涡轮盘前轮缘处的间隙排入主流。
优选地，所述平衡盘轴向紧靠所述高压涡轮盘，径向圆柱面定位且为过盈配合，周向通过销钉固定在所述高压涡轮盘上。
优选地，进入所述离心叶轮背腔中的高压气流，通过所述静止封严环上的通气孔后，冲击冷却所述高压涡轮导向器内环。
优选地，所述平衡盘与高压涡轮盘的冷态径向过盈量较大，且选材时需保证不同工作状态(离心力、温度导致的平衡盘、高压涡轮盘径向变形不一致)始终为过盈配合。
优选地，所述销钉与设置在所述平衡盘、高压涡轮盘上的销钉孔为过盈配合，过盈量为0.01～0.02mm，在销钉最外侧使用点焊将其与平衡盘连接，以防止销钉脱出。
优选地，所述平衡盘的顶部外轮缘上设有封严篦齿，所述静止封严环的末端设置有蜂窝或石墨涂层，允许转子运转过程中所述平衡盘上的封严篦齿与封严环发生刮磨。
优选地，所述离心压气机外机匣的内壁上设有安装边，所述静止封严环的前端通过连接件固定设置在所述安装边上。
同现有技术相比，本发明的用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，通过改变篦齿间隙、改变平衡盘低半径处的通气孔尺寸、改变静止封严环上的通气孔尺寸等均可改变平衡盘两侧的压差，进而改变高压转子系统轴向力；并可通过改变平衡盘的径向尺寸改变高压转子系统轴向力；通过改变平衡盘上通气孔的径向高度、直径、数量、夹角等可以改变冲击气流对高压涡轮盘的冷却效果，实现对高压涡轮盘的温度控制；通过改变封严环上的通气孔的直径、数量、排列方式等可以改变冲击气流对高压涡轮导向器内环的冷却效果。
附图说明
图1所示为本发明的用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构及其中的流路系统示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
如图1所示，本发明的用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，包括设置在发动机高压转子轴上的离心叶轮盘1、高压涡轮盘2，还包括一平衡盘3，平衡盘3位于离心叶轮盘1与高压涡轮盘2之间。离心叶轮盘1的后轮毂与高压涡轮盘2的前轮毂相互抵接，离心叶轮盘1设置在离心压气机外机匣12内，离心压气机外机匣12的下游边缘延伸至高压涡轮盘2的前轮缘处，且二者之间具有间隙，离心压气机外机匣12的下游段上还设置有高压涡轮导向器10并形成为高压涡轮导向器内环。
平衡盘3的中心安装孔过盈安装于高压涡轮盘2上，轴向紧靠定位，周向通过销钉4固定。离心压气机外机匣12的内壁上通过安装边固定设置一倾斜布置并向下游延伸的静止封严环5，静止封严环5的末端与平衡盘3的顶部外轮缘之间形成篦齿封严结构并具有篦齿间隙。平衡盘3的低半径处设有通气孔7，静止封严环5的与高压涡轮导向器内环相对的壁面上也设置有通气孔9，离心叶轮盘1、平衡盘3与离心压气机外机匣12三者之间的空间形成为离心叶轮背腔6，平衡盘3、高压涡轮盘1与离心压气机外机匣12三者之间的空间形成为高压涡轮前腔，离心叶轮盘1的出口根部与离心压气机外机匣12之间具有狭缝。来自于离心压气机转子出口的气流通过离心叶轮背腔狭缝后进入离心叶轮背腔6中，离心叶轮背腔6中的气流分为三股，一股通过平衡盘3盘身低半径处的通气孔7后冲击冷却高压涡轮盘2；一股经过平衡盘3与静止封严环5的间隙8后进入高压涡轮盘前腔；一股经过静止封严环5上的通气孔9后冲击冷却高压涡轮导向器内环，三股气流在高压涡轮盘前腔汇合后经过轮缘封严11进入主流，以防止高温燃气进入高压涡轮盘前腔导致高压涡轮盘超温。改变平衡盘3的径向尺寸可以直接改变轴向载荷受力面，从而改变转子轴向力；改变间隙8(平衡盘3上有篦齿结构，静止封严环5上有蜂窝结构，允许刮磨，因此此间隙8可以在很小到很大范围内调节)，改变通气孔7、通气孔9的尺寸可以调整离心背腔6及高压涡轮前腔的压力，从而改变离心叶轮盘1及高压涡轮盘2的轴向载荷。改变通气孔7、通气孔9除了可以调整轴向力外，还可以改变高压涡轮盘2及高压涡轮导向器10内环的温度分布。
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 (6)

1.一种用于调节发动机高压转子系统轴向力的平衡盘结构，包括设置在发动机高压转子轴上的离心叶轮盘和高压涡轮盘，所述离心叶轮盘的后轮毂与所述高压涡轮盘的前轮毂相互抵接，所述离心叶轮盘设置在离心压气机外机匣内，所述离心压气机外机匣的下游边缘延伸至所述高压涡轮盘的前轮缘处，且二者之间具有间隙，所述离心压气机外机匣的下游段上还设置有高压涡轮导向器并形成为高压涡轮导向器内环，其特征在于，
所述平衡盘结构还包括一平衡盘，所述平衡盘在轴向上设置在所述离心叶轮盘与高压涡轮盘之间，且所述平衡盘在轴向上临近所述高压涡轮盘设置，所述平衡盘的中心安装孔以过盈方式固定设置在所述高压涡轮盘的前轮毂上，所述离心压气机外机匣的内壁上设置一倾斜布置并向下游延伸的静止封严环，所述静止封严环的末端与所述平衡盘的顶部外轮缘之间形成篦齿封严结构并具有篦齿间隙；
所述平衡盘的低半径处设有通气孔，所述静止封严环的与所述高压涡轮导向器内环相对的壁面上也设置有通气孔，
所述离心叶轮盘、平衡盘与所述离心压气机外机匣三者之间的空间形成为离心叶轮背腔，所述平衡盘、高压涡轮盘与所述离心压气机外机匣三者之间的空间形成为高压涡轮前腔，
所述离心叶轮盘的出口根部与所述离心压气机外机匣之间具有狭缝，从所述狭缝进入所述离心叶轮背腔中的高压气流分别通过所述平衡盘低半径处的通气孔、平衡盘顶部的篦齿间隙、静止封严环上的通气孔进入所述高压涡轮前腔，并最终通过所述高压涡轮盘前轮缘处的间隙排入主流。
2.根据权利要求1所述的平衡盘结构，其特征在于，所述平衡盘轴向紧靠所述高压涡轮盘，径向圆柱面定位且为过盈配合，周向通过销钉固定在所述高压涡轮盘上。
3.根据权利要求1所述的平衡盘结构，其特征在于，进入所述离心叶轮背腔中的高压气流，通过所述静止封严环上的通气孔后，冲击冷却所述高压涡轮导向器内环。
4.根据权利要求2所述的平衡盘结构，其特征在于，所述销钉与设置在所述平衡盘、高压涡轮盘上的销钉孔为过盈配合，过盈量为0.01～0.02mm，在销钉最外侧使用点焊将其与平衡盘连接，以防止销钉脱出。
5.根据权利要求1所述的平衡盘结构，其特征在于，所述平衡盘的顶部外轮缘上设有封严篦齿，所述静止封严环的末端设置有蜂窝或石墨涂层，允许转子运转过程中所述平衡盘上的封严篦齿与封严环发生刮磨。
6.根据权利要求1所述的平衡盘结构，其特征在于，所述离心压气机外机匣的内壁上设有安装边，所述静止封严环的前端通过连接件固定设置在所述安装边上。
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