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一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法，结构包括壳体、引气板、调节片和固定片，壳体入口处的内壁上设置有环形的引气板，引气板周向设置有若干朝向引气板中心的调节片，壳体底部内壁周向设置有若干固定片，固定片与壳体底部内壁之间有一夹角，固定片与壳体底部内壁形成固定夹子，固定夹子固定在发动机机匣外壁上，壳体底部设置有若干排气孔，本发明结构简单、能够对某型发动机高压涡轮转子叶尖间隙的主动控制，提高涡轮部件的工作效率，效果显著。

Description

一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法。
背景技术
涡轮作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其功能是将发动机的热能和动能转换为机械能。为提高涡轮的工作效率，保持各状态下合适的转子叶尖工作间隙，普遍采用间隙控制系统。有资料介绍，国外某型发动机试验表明，涡轮叶尖间隙每减小0.25mm，发动机排气温度降低10℃、涡轮效率提高1％，发动机排放大大降低。因此，发展发动机间隙控制技术深得航空发动机设计的重视。
间隙控制分为被动间隙控制和主动间隙控制，被动间隙控制的工作间隙靠机匣和转子工作自然变形形成，设计时按最严苛的状态设计间隙值，间隙不随发动机工作状态变化而主动调节，这样在低状态工作时间隙不合理可以显著影响发动机涡轮效率。主动间隙控制是通过设计一定的结构使得发动机工作在不同工作状态时机匣的变形可以主动调节，使涡轮转子工作在合理的间隙范围内，涡轮效率最佳，当前使用的主动间隙控制技术可以分为主动热控制、主动机械控制和主动压力控制3类，国内发动机主要发展主动热控制技术。
发明内容
发明目的：针对某型航空燃气涡轮风扇发动机的高压涡轮转子叶尖工作间隙的控制要求，提出一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法，利用主动热控制技术控制涡轮机匣的变形，以实现对高压涡轮转子叶尖工作间隙主动控制。
技术方案：
一种涡轮机匣热变形调节结构，包括壳体(5)、引气板(1)、调节片(2)和固定片(6)，所述的壳体(5)入口处的内壁上设置有环形的引气板(1)，所述的引气板(1)周向设置有若干朝向引气板(1)中心的调节片(2)，所述壳体(5)底部内壁周向设置有若干固定片(6)，所述的固定片(6)与壳体(5)底部内壁之间有一夹角，所述固定片(6)与壳体(5)底部内壁形成固定夹子，固定夹子固定在涡轮机匣(3)外壁上，所述的壳体(5)底部设置有若干排气孔(7)。
进一步，壳体(5)底部内壁面为锥形面，保证冷气环绕涡轮机匣(3)安装边，冷气不分离。
进一步，引气板(1)的内侧圆周面向壳体(5)入口方向外翻，加强引气板(1)的结构刚性，所述调节片(2)的内侧圆周面向壳体(5)入口方向外翻，加强调节片(2)的结构刚性。
进一步，排气孔(7)在壳体(5)底部周向均布。
进一步，引气板(1)形成的入口环面的通气面积是壳体(5)底部若干排气孔(7)总的排气面积的5倍。
进一步，调节片(2)以及固定片(6)的数量均为18个。
进一步，涡轮机匣热变形调节结构沿壳体(5 )圆周均分为三部分，每两个相邻部分之间通过可拆卸的连接件连接，便于拆装。
进一步，壳体(5)、引气板(1)、调节片(2)和固定片(6)均由高温合金材料制成。
进一步，引气板(1)焊接在壳体(5)入口处的内壁上，所述的调节片(2)焊接在引气板(1)周向环面上，所述固定片(6)焊接在壳体(5)底部内壁上。
调节结构的调节方法：
发动机起动阶段，高压涡轮由涡轮起动机带转，燃烧室工作，高压涡轮转子工作区域的温度迅速升高，涡轮转子叶片(4)的叶尖迅速向外伸长，这时外涵冷气流量较小，机匣热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣(3)进行冷却，同时涡轮机匣(3)热变形调节结构与涡轮机匣(3)形成一封闭腔，涡轮机匣(3)温度迅速升高，涡轮机匣(3) 迅速膨胀，与涡轮转子叶片(4)的尺寸同时增大，保证涡轮转子叶片(4)与涡轮机匣(3) 不接触，防止发生转静子碰磨；
发动机正常工作状态，外涵冷气流量通过引气板(1)形成的入口环面，进入到壳体(5) 内部的环腔，冷气环绕涡轮机匣(3)安装边流动，对涡轮机匣(3)进行冷却，降低涡轮机匣(3)的工作温度，从而减小涡轮机匣(3)的变形进而控制了涡轮转子的工作间隙，保证涡轮的工作效率，而后冷气从壳体(5)底部的排气孔(7)排出；
发动机停车阶段，涡轮转子转速迅速降低，涡轮转子叶片(4)的叶尖迅速收缩，这时外涵冷气流量较小，涡轮机匣(3)热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣(3)进行冷却，同时涡轮机匣(3)热变形调节结构与涡轮机匣(3)形成一封闭腔，高温的涡轮机匣(3)散热缓慢，涡轮机匣(3)缓慢收缩，与涡轮转子叶片(4)的尺寸同时减小，保证涡轮转子叶片(4)与涡轮机匣(3)不接触，防止发生转静子碰磨。
有益技术效果：提出一种涡轮机匣热变形调节结构及调节方法，结构简单、能够对某型发动机高压涡轮转子叶尖间隙的主动控制，提高涡轮部件的工作效率，效果显著。
附图说明
图1为机匣热变形调节结构的结构图；
图2为机匣热变形调节结构的工作示意图；
图3为机匣热变形调节结构的引气板和调节片连接示意图；
图4为机匣热变形调节结构的壳体和固定片连接示意图；
其中：1-引气板，2-调节片，3-涡轮机匣，4-涡轮转子叶片，5-壳体，6-固定片，7-排气孔。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1、2所示，一种涡轮机匣热变形调节结构，包括壳体5、引气板1、调节片2和固定片6，所述的壳体5入口处的内壁上设置有环形的引气板1，所述的引气板1周向设置有若干朝向引气板1中心的调节片2，所述壳体5底部内壁周向设置有若干固定片6，所述的固定片6与壳体5底部内壁之间有一夹角，所述固定片6与壳体5底部内壁形成固定夹子，固定夹子固定在涡轮机匣3外壁上，所述的壳体5底部设置有若干排气孔7。
所述的壳体5底部内壁面为锥形面，与壳体5外圆柱面的夹角为105°，保证冷气环绕机匣安装边，冷气不分离，提高表面的换热效果。
所述引气板1由厚度0.6mm的带材制造、冲压成形，引气板1内侧圆周面向壳体5入口方向外翻，翻边结构加强引气板1的结构刚性，减小变形，保证涡轮机匣热变形调节结构的结构稳定，确保引入的冷气在壳体5内的环腔分布均匀，所述调节片2由0.8mm厚的板材制成，内侧圆周面向壳体5入口方向外翻，加强了调节片2的结构刚性，同时翻边结构加大了装配时与涡轮机匣3装配的配合面积，防止与涡轮机匣3接触挤伤。
所述排气孔7在壳体5底部周向均布，孔径为7mm，保证流入壳体5内的气流在壳体5内均匀流动，对涡轮机匣3冷却均匀，从而涡轮机匣3变形周向均匀一致，并能够顺畅排出。
所述的引气板1形成的入口环面的通气面积是壳体5底部排气孔7总的排气面积的5 倍，进出后的面积比以及壳体5与涡轮机匣3形成的近似收缩的通道，使得流入壳体5内的气流流动加速，加强了表面对流换热的效果，能够最大限度的降低涡轮机匣3的温度，减少涡轮机匣3的热膨胀变形。
所述的调节片2以及固定片6的数量均为18个，前后对应装配的调节片2和固定片6，保证了涡轮机匣热变形调节结构能够支承稳定。圆周方向，均分为3部分，每个部分包含6个调节板2和6个固定片6，每部分的调节片2和固定片6在圆周上从端部开始均匀分布，保证了接头连接的支承稳定。
所述的涡轮机匣热变形调节结构沿壳体5圆周均分为三部分，每两个相邻部分之间通过可拆卸的连接件连接，便于拆装，如合页等连接件。
所述的壳体5、引气板1、调节片2和固定片6均由高温合金GH3030材料制成。GH3030是早期发展的80Ni-20Cr固溶强化型高温合金，化学成分简单，在800℃以下具有满意的热强性和高的塑性，并具有良好的抗氧化、热疲劳、冷冲压和焊接工艺性能。合金经固溶处理后为单相奥氏体，使用过程中组织稳定。主要产品是冷轧薄板，也可以供应棒材、环件、丝材和管材等变形产品。本结构使用的为冷轧薄板钣金冲压成形，结构简单，便于生产制造。
所述环形的引气板1焊接在壳体5入口处的内壁上，所述的调节片2焊接在引气板1周向环面上，所述固定片6焊接在壳体5底部内壁上。焊接形式能够保证零件之间的连接的可靠，同时可以减少了连接件的使用，从而减轻了结构的重量，起到发动机减重的目的。
调节结构的调节方法：
发动机起动阶段，高压涡轮由涡轮起动机带转，燃烧室工作，高压涡轮转子工作区域的温度迅速升高，涡轮转子叶片4的叶尖迅速向外伸长，这时外涵冷气流量较小，涡轮机匣 3热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣3进行冷却，同时机匣热变形调节结构与涡轮机匣3形成一封闭腔，涡轮机匣3温度迅速升高，涡轮机匣3迅速膨胀，与涡轮转子叶片4的尺寸同时增大，保证涡轮转子叶片4与涡轮机匣3不接触，防止发生转静子碰磨；
发动机正常工作状态，外涵冷气流量通过引气板1形成的入口环面，进入到壳体5内部的环腔，冷气环绕涡轮机匣3安装边流动，对涡轮机匣3进行冷却，降低涡轮机匣3的工作温度，从而减小涡轮机匣3的变形进而控制了涡轮转子的工作间隙，保证涡轮的工作效率，而后冷气从壳体5底部的排气孔7排出；当发动机工作状态变换时，外涵气流的流量、温度等参数也随着发动机同步变化，气流对涡轮机匣3的冷却效果也同步变化，从而实现对涡轮转子工作间隙的主动控制，保证涡轮的工作效率。
发动机停车阶段，涡轮转子转速迅速降低，涡轮转子叶片4的叶尖迅速收缩，这时外涵冷气流量较小，机匣热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣3进行冷却，同时机匣热变形调节结构与涡轮机匣3形成一封闭腔，高温的涡轮机匣3散热缓慢，涡轮机匣3缓慢收缩，与涡轮转子叶片4的尺寸同时减小，保证涡轮转子叶片4与涡轮机匣3不接触，防止发生转静子碰磨。
经计算，某型发动机使用涡轮机匣热变形调节结构后，起动阶段能够保证涡轮机匣3 与涡轮转子叶片4的间隙始终保持在0.73mm以上，在正常工作阶段，间隙能够保持在0.52mm 左右，在停车阶段，间隙始终大于0.52mm，发动机最终冷却后，间隙变为1.3mm。涡轮机匣热变形调节结构能够确保发动机在起动、停车阶段不发生转静子碰磨故障，在大状态正常工作时发动机有足够的使用效率。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：包括壳体(5)、引气板(1)、调节片(2)和固定片(6)，所述的壳体(5)入口处的内壁上设置有环形的引气板(1)，所述的引气板(1)周向设置有若干朝向引气板(1)中心的调节片(2)，所述壳体(5)底部内壁周向设置有若干固定片(6)，所述的固定片(6)与壳体(5)底部内壁之间有一夹角，所述固定片(6)与壳体(5)底部内壁形成固定夹子，固定夹子固定在涡轮机匣(3)外壁上，所述的壳体(5)底部设置有若干排气孔(7)。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述的壳体(5)底部内壁面为锥形面，保证冷气环绕涡轮机匣(3)安装边，冷气不分离。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述引气板(1)的内侧圆周面向壳体(5)入口方向外翻，加强引气板(1)的结构刚性，所述调节片(2)的内侧圆周面向壳体(5)入口方向外翻，加强调节片(2)的结构刚性。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述排气孔(7)在壳体(5)底部周向均布。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述引气板(1)形成的入口环面的通气面积是壳体(5)底部若干排气孔(7)总的排气面积的5倍。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述的调节片(2)以及固定片(6)的数量均为18个。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述的涡轮机匣热变形调节结构沿壳体(5 )圆周均分为三部分，每两个相邻部分之间通过可拆卸的连接件连接，便于拆装。
8.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述的壳体(5)、引气板(1)、调节片(2)和固定片(6)均由高温合金材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种涡轮机匣热变形调节结构，其特征在于：所述引气板(1)焊接在壳体(5)入口处的内壁上，所述的调节片(2)焊接在引气板(1)周向环面上，所述固定片(6)焊接在壳体(5)底部内壁上。
10.一种如权利要求1-9任一所述调节结构的调节方法，其特征在于：
发动机起动阶段，高压涡轮由涡轮起动机带转，燃烧室工作，高压涡轮转子工作区域的温度迅速升高，涡轮转子叶片(4)的叶尖迅速向外伸长，这时外涵冷气流量较小，机匣热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣(3)进行冷却，同时涡轮机匣(3)热变形调节结构与涡轮机匣(3)形成一封闭腔，涡轮机匣(3)温度迅速升高，涡轮机匣(3)迅速膨胀，与涡轮转子叶片(4)的尺寸同时增大，保证涡轮转子叶片(4)与涡轮机匣(3)不接触，防止发生转静子碰磨；
发动机正常工作状态，外涵冷气流量通过引气板(1)形成的入口环面，进入到壳体(5)内部的环腔，冷气环绕涡轮机匣(3)安装边流动，对涡轮机匣(3)进行冷却，降低涡轮机匣(3)的工作温度，从而减小涡轮机匣(3)的变形进而控制了涡轮转子的工作间隙，保证涡轮的工作效率，而后冷气从壳体(5)底部的排气孔(7)排出；
发动机停车阶段，涡轮转子转速迅速降低，涡轮转子叶片(4)的叶尖迅速收缩，这时外涵冷气流量较小，涡轮机匣(3)热变形调节结构内的引气量较小，无法对涡轮机匣(3)进行冷却，同时涡轮机匣(3)热变形调节结构与涡轮机匣(3)形成一封闭腔，高温的涡轮机匣(3)散热缓慢，涡轮机匣(3)缓慢收缩，与涡轮转子叶片(4)的尺寸同时减小，保证涡轮转子叶片(4)与涡轮机匣(3)不接触，防止发生转静子碰磨。
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