CN111828105A - 涡轮机匣、涡轮及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及航空技术领域，尤其涉及一种涡轮机匣、涡轮及航空发动机。该涡轮机匣能够利用冷气对叶尖间隙进行调整，该叶尖间隙为涡轮机匣和涡轮转子之间的间隙，该涡轮机匣包括外匣、冷却环、引气管路和涡轮环，其中：外匣包括匣体部、第一突出部和第二突出部；冷却环上设有冷却孔，并与匣体部、第一突出部和第二突出部围成空腔；引气管路连通于空腔；涡轮环包括垂直设置的第一环部和第二环部，第二环部连接于第二突出部，第一环部和冷却环分开设置，第一环部和涡轮转子之间的间隙为叶尖间隙。由此，冷气能够经引气管路、空腔和冷却孔吹到涡轮环，并对涡轮转子进行降温，从而实现叶尖间隙的调整，且结构较为简单，使得涡轮机匣的成本也较低。

Description

涡轮机匣、涡轮及航空发动机

技术领域

本公开涉及航空技术领域，尤其涉及一种涡轮机匣、涡轮及航空发动机。

背景技术

在小型航空发动机中，涡轮用于将高温、高压燃气的内能转变为动能，而涡轮由导向器、涡轮转子及涡轮机匣构成，其中：导向器用于将发动机的燃气导向涡轮转子，涡轮转子在燃气的冲击下发生旋转并输出功率，涡轮机匣在涡轮转子发生故障断裂时能够包容涡轮转子，防止涡轮转子击穿发动机。

为保证发动机工作时的安全性，涡轮转子与涡轮机匣之间须留有一定的叶尖间隙。同时，叶尖间隙也对涡轮效率有着明显的影响，研究表明，叶尖间隙每增大1％，涡轮效率会下降约2％。因此，如何对叶尖间隙进行调整控制是涡轮研究方向之一。

目前，通常采用分段悬挂式涡轮机匣，并利用冷气对叶尖间隙进行调整控制，但是，分段悬挂式涡轮机匣的结构较为复杂，使得加工和装配的工艺要求较高，导致涡轮机匣的成本也较高。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种涡轮机匣、涡轮及航空发动机，该涡轮机匣能够调整叶尖间隙，且结构简单、加工和装配也较为方便，从而使得成本也较低。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种涡轮机匣，能够利用冷气对叶尖间隙进行调整，所述叶尖间隙为所述涡轮机匣和涡轮转子之间的间隙，所述涡轮转子安装在所述涡轮机匣中，所述涡轮机匣包括：

外匣，包括匣体部、第一突出部和第二突出部，所述第一突出部和所述第二突出部设于所述匣体部靠近所述涡轮转子的一侧；

冷却环，设于所述外匣靠近所述涡轮转子的一侧，并与所述匣体部、所述第一突出部和所述第二突出部围成空腔；所述冷却环上设有冷却孔；

引气管路，设于所述机匣远离所述涡轮转子的一侧，且连通于所述空腔；

涡轮环，包括垂直设置的第一环部和第二环部，所述第二环部连接于所述第二突出部远离所述第一突出部的一侧，所述第一环部和所述冷却环分开设置，所述第一环部和所述涡轮转子之间的间隙为所述叶尖间隙；

其中，所述冷气能够经所述引气管路、所述空腔和所述冷却孔吹到所述第一环部，并对所述涡轮转子进行降温，从而实现所述叶尖间隙的调整。

在本公开的一种示例性实施例中，所述冷却环包括第一端部、中间部和第二端部；所述第一端部连接于所述第一突出部，所述第二端部连接于所述第二突出部，所述中间部设有冷却孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二端部垂直于所述中间部和所述第一端部，所述第二端部连接于所述第二突出部和所述第二环部之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述涡轮机匣还包括：

连接件，穿过所述第二突出部、所述第二端部和所述第二环部设置，用于连接所述外匣、所述冷却环和所述涡轮环。

在本公开的一种示例性实施例中，所述冷却孔的数量为多个，多个所述冷却孔均匀分布在所述中间部上。

在本公开的一种示例性实施例中，所述冷却孔的开设位置正对所述涡轮转子。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一环部和所述第一端部之间留有豁口，所述冷气能够经所述豁口从所述涡轮环吹到所述涡轮转子。

根据本公开的另一个方面，提供一种涡轮，能够安装于航空发动机中，所述涡轮包括：

上述任意一项所述的涡轮机匣；

涡轮转子，安装在所述涡轮机匣中，所述涡轮转子和所述涡轮机匣之间的间隙为所述叶尖间隙；

导向器，连接于所述涡轮机匣，并与所述涡轮转子正对设置，用于将所述航空发动机的燃气导向所述涡轮转子，所述涡轮转子在所述燃气的冲击下发生旋转。

在本公开的一种示例性实施例中，所述航空发动机包括排气框架；

所述排气框架连接于所述涡轮机匣远离所述导向器的一端，冲击所述涡轮转子发生旋转后的燃气经所述排气框架排出。

根据本公开的再一个方面，提供一种航空发动机，所述航空发动机包括上述任意一项所述的涡轮。

本公开实施方式的涡轮机匣、涡轮及航空发动机，冷气能够经引气管路、空腔和冷却环上的冷却孔吹到涡轮环的第一环部，并对安装在涡轮机匣中的涡轮转子进行降温，防止涡轮转子因高温而产生过大的膨胀，进而导致涡轮转子刮蹭第一环部，并对涡轮和航空发动机造成损害，即：该涡轮机匣能够对涡轮机匣和涡轮转子之间的叶尖间隙进行调整。

相较于现有技术中涡轮环悬挂在冷却环上的技术方案，本申请中涡轮环的第一环部和冷却环分开设置，一方面，冷却环上不用再加工涡轮环的悬挂结构，冷却环的结构较为简单，同时，涡轮环中第一环部的结构也较为简单，不但使得加工过程较为方便，也降低了涡轮机匣的成本；另一方面，第二环部和第一环部垂直设置，操作人员将第二环部贴合于外匣的第二突出部远离第一突出部的一侧，即可实现冷却环的安装，第一环部和第二环部垂直设置的结构也保证了叶尖间隙的尺寸，从而使得装配也较为方便。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式涡轮机匣的结构示意图。

图2是本公开实施方式冷却环的结构示意图。

图3是本公开实施方式涡轮环的结构示意图。

图4是本公开实施方式涡轮的结构示意图。

图1～图3中：100、叶尖间隙；101、涡轮转子；1、外匣；11、匣体部；12、第一突出部；13、第二突出部；2、冷却环；21、空腔；22、第一端部；23、中间部；230、冷却孔；24、第二端部；3、引气管路；4、涡轮环；41、第一环部；42、第二环部；5、连接件；6、豁口。

图4中：100a、叶尖间隙；1a、涡轮机匣；2a、涡轮转子；3a、导向器；4a、排气框架。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

相关技术中，通常采用分段悬挂式涡轮机匣，具体而言，冷却环上加工有悬挂结构，涡轮环通过悬挂结构悬挂在冷却环上，使得冷却环和涡轮环的结构较为复杂，加工过程也较为繁琐。同时，外匣需要整环加工、喷涂后进行分段切割，切割过程中可能出现因热应力去除不充分导致的外匣变形，加工工艺也较为复杂。而且，在涡轮机匣和涡轮转子进行装配时很难保证叶尖间隙的一致，使得装配的难度也较高。

为了解决上述问题，本公开实施方式中提供一种涡轮机匣，如图1所示，该涡轮机匣可包括外匣1、冷却环2、引气管路3和涡轮环4，其中：

外匣1可包括匣体部11、第一突出部12和第二突出部13，第一突出部12和第二突出部13可设于匣体部11靠近涡轮转子101的一侧；冷却环2可设于外匣1靠近涡轮转子101的一侧，并与匣体部11、第一突出部12和第二突出部13围成空腔21；冷却环上可设有冷却孔230；引气管路3可设于外匣1远离涡轮转子101的一侧，且连通于空腔21；涡轮环4可包括垂直设置的第一环部41和第二环部42，第二环部42可连接于第二突出部13远离第一突出部12的一侧，第一环部41和冷却环2分开设置，第一环部41和涡轮转子101之间的间隙为叶尖间隙100。

由此，冷气能够经引气管路3、空腔21和冷却孔230吹到第一环部41，并对安装在涡轮机匣中的涡轮转子101进行降温，防止涡轮转子101因高温而产生过大的膨胀，进而导致涡轮转子101刮蹭第一环部41，即：该涡轮机匣能够对叶尖间隙100进行调整。

相较于现有技术中涡轮环4悬挂在冷却环2上的技术方案，本申请中的第一环部41和冷却环2分开设置，一方面，冷却环2上不用再加工涡轮环4的悬挂结构，冷却环2的结构较为简单，同时，第一环部41的结构也较为简单(第一环部41加工成规则圆环即可)，不但使得加工过程较为方便，也降低了涡轮机匣的成本；另一方面，第二环部42和第一环部41垂直设置，操作人员只要将第二环部42贴合于第二突出部13远离第一突出部12的一侧，即可实现冷却环2的安装，而且，第一环部41和第二环部42垂直设置的结构也保证了叶尖间隙100(第一环部41和涡轮转子101之间的间隙)的尺寸，从而使得装配也较为方便。

下面结合附图对本公开实施方式提供的涡轮机匣的各部件进行详细说明：

如图1所示，外匣1相当于涡轮机匣的外壳，该外匣1可包括匣体部11、第一突出部12和第二突出部13，其中：

第一突出部12可设于匣体部11靠近涡轮转子101的一侧，第二突出部13可与第一突出部12正对设置，也就是说，第二突出部13也可设于匣体部11靠近涡轮转子101的一侧，且第一突出部12、第二突出部13和匣体部11可形成“U”型结构，此处不再详细描述。

为了减小加工和装配的难度，匣体部11、第一突出部12和第二突出部13可一体成型，当然，匣体部11、第一突出部12和第二突出部13也可以为单独结构，并通过焊接、铆接等方式连接起来，此处不作特殊限定。

如图1所示，冷却环2可设于外匣1靠近涡轮转子101的一侧，并与匣体部11、第一突出部12和第二突出部13围成空腔21。同时，引气管路3可设于外匣1远离涡轮转子101的一侧，且连通于空腔21，从而使得冷气(用来对涡轮转子101进行降温)能够经引气管路3的端口进入到空腔21中，此处不再详细描述。

具体而言，如图2所示，该冷却环2可包括第一端部22、中间部23和第二端部24，其中：

第一端部22可连接于第一突出部12；第二端部24可垂直于第一端部22，并连接于第二突出部13远离第一突出部12的一侧；中间部23可设有冷却孔230，且冷却孔230的数量可以为多个，多个冷却孔230可均匀分布在中间部23上，从而将冷气均匀地导向涡轮环4。

同时，由于涡轮转子101和涡轮环4正对设置，所以冷却孔230的开设位置可正对涡轮转子101，进而增强冷气对涡轮转子101的降温效果。由此，冷气能够经引气管路3、空腔21和冷却孔230中吹到涡轮环4，并带走涡轮转子101上的热量，从而对涡轮转子101进行降温，此处不再详细描述。

举例而言，冷却环2上可设有2排、3排或4排冷却孔230，每排冷却孔230的数量可以为32～64，当然，冷却孔230的数量也可以为其他，此处不作特殊限定。

如图1和图3所示，涡轮环4可设于冷却环2和涡轮转子101，用于直接承受冷气的冲击，并间接地对涡轮转子101进行降温。

具体而言，该涡轮环4可包括第一环部41和第二环部42，其中：第一环部41和冷却环2分开设置，第一环部41和涡轮转子101之间的间隙为叶尖间隙100；第二环部42和第一环部41垂直设置，且第二环部42可连接于第二突出部13远离第一突出部12的一侧，此处不再详细描述。

由此，在涡轮转子101受热膨胀使得叶尖间隙100变小时，为了避免高速旋转的涡轮转子101和第一环部41发生刮蹭，将冷气经引气管路3、空腔21和冷却孔230中吹到第一环部41，并间接地对涡轮转子101进行降温。

当然，如图1所示，本公开实施方式的涡轮机匣还可包括连接件5，该连接件5可穿过第二突出部13、第二端部24和第二环部42设置，用于连接外匣1、冷却环2和涡轮环4。

举例而言，该连接件5可以为螺栓组件，此时，第二突出部13、第二端部24和第二环部42均需要设置相应的安装孔，螺栓组件的螺栓杆能够穿过安装孔设置，并与螺栓组件的螺母配合，从而实现外匣1、冷却环2和涡轮环4的固定，不但定位精度高、结构简单，也便于操作人员操作。

需要注意的是，如图1所示，第一环部41和第一端部22之间可留有豁口6，从而使得冷气能够经该豁口6从涡轮环4吹到涡轮转子101，也就是说，如图4所示，冷气完成涡轮转子101的冷却后仍可进入涡轮燃气的主流中，并参与涡轮的做功，此处不再详细描述。

另外，本公开实施方式还提供一种涡轮，该涡轮能够安装于航空发动机中，如图4所示，该涡轮可包括涡轮外匣1a、涡轮转子2a和导向器3a，其中：

涡轮外匣1a已在上文详细描述，此处不再赘述；涡轮转子2a可装在涡轮外匣1a中，涡轮转子2a和涡轮外匣1a之间的间隙为叶尖间隙100a；导向器3a可连接于涡轮外匣1a，并与涡轮转子2a正对设置，用于将航空发动机的燃气导向涡轮转子2a，涡轮转子2a在燃气的冲击下发生旋转并输出旋转功率，此处不再详细描述。

当然，如图4所示，该航空发动机还包括排气框架4a，该排气框架4a可接于涡轮外匣1a远离导向器3a的一端，冲击涡轮转子2a发生旋转后的燃气能够经该排气框架4a排出，此处不再详细描述。

同时，本公开实施方式还提供一种航空发动机，该航空发动机包括上述任意一项的涡轮，该航空发动机中的涡轮能够对涡轮转子2a和涡轮外匣1a之间的叶尖间隙100a进行调整，不但避免了高速旋转的涡轮转子2a和涡轮外匣1a发生刮蹭，也保证了涡轮的工作效率。

应当理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。

Claims (10)

1.一种涡轮机匣，能够利用冷气对叶尖间隙进行调整，所述叶尖间隙为所述涡轮机匣和涡轮转子之间的间隙，所述涡轮转子安装在所述涡轮机匣中，其特征在于，所述涡轮机匣包括：

外匣，包括匣体部、第一突出部和第二突出部，所述第一突出部和所述第二突出部设于所述匣体部靠近所述涡轮转子的一侧；

冷却环，设于所述外匣靠近所述涡轮转子的一侧，并与所述匣体部、所述第一突出部和所述第二突出部围成空腔；所述冷却环上设有冷却孔；

引气管路，设于所述机匣远离所述涡轮转子的一侧，且连通于所述空腔；

涡轮环，包括垂直设置的第一环部和第二环部，所述第二环部连接于所述第二突出部远离所述第一突出部的一侧，所述第一环部和所述冷却环分开设置，所述第一环部和所述涡轮转子之间的间隙为所述叶尖间隙；

其中，所述冷气能够经所述引气管路、所述空腔和所述冷却孔吹到所述第一环部，并对所述涡轮转子进行降温，从而实现所述叶尖间隙的调整。

2.根据权利要求1所述的涡轮机匣，其特征在于，所述冷却环包括第一端部、中间部和第二端部；所述第一端部连接于所述第一突出部，所述第二端部连接于所述第二突出部，所述中间部设有冷却孔。

3.根据权利要求2所述的涡轮机匣，其特征在于，所述第二端部垂直于所述中间部和所述第一端部，所述第二端部连接于所述第二突出部和所述第二环部之间。

4.根据权利要求3所述的涡轮机匣，其特征在于，所述涡轮机匣还包括：

连接件，穿过所述第二突出部、所述第二端部和所述第二环部设置，用于连接所述外匣、所述冷却环和所述涡轮环。

5.根据权利要求3所述的涡轮机匣，其特征在于，所述冷却孔的数量为多个，多个所述冷却孔均匀分布在所述中间部上。

6.根据权利要求5所述的涡轮机匣，其特征在于，所述冷却孔的开设位置正对所述涡轮转子。

7.根据权利要求3所述的涡轮机匣，其特征在于，所述第一环部和所述第一端部之间留有豁口，所述冷气能够经所述豁口从所述涡轮环吹到所述涡轮转子。

8.一种涡轮，能够安装于航空发动机中，其特征在于，所述涡轮包括：

权利要求1～7任意一项所述的涡轮机匣；

涡轮转子，安装在所述涡轮机匣中，所述涡轮转子和所述涡轮机匣之间的间隙为所述叶尖间隙；

导向器，连接于所述涡轮机匣，并与所述涡轮转子正对设置，用于将所述航空发动机的燃气导向所述涡轮转子，所述涡轮转子在所述燃气的冲击下发生旋转。

9.根据权利要求8所述的涡轮，其特征在于，所述航空发动机包括排气框架；

所述排气框架连接于所述涡轮机匣远离所述导向器的一端，冲击所述涡轮转子发生旋转后的燃气经所述排气框架排出。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求8～9任意一项所述的涡轮。

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