CN112983563B - 一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆及涡轮支承结构 - Google Patents

一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆及涡轮支承结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于涡轮导向叶片的支承连接结构技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆、承力拉杆组件及涡轮支承结构，承力拉杆包括杆状的拉杆本体；该拉杆本体用于穿入涡轮导向叶片内，将涡轮机匣、涡轮导向叶片、轴承机匣紧固连接；所述拉杆本体的外侧壁不与涡轮导向叶片内内腔的内腔壁面贴合，不允许承力拉杆与涡轮导向叶片存在接触传热；在所述拉杆本体内设置有空气通道，所述空气通道使空气自拉杆本体的一端流入、另一端流出，以用于拉杆本体的降温，承力拉杆在横截面上采用非圆形的结构设计，呈扁形的结构；充分利用涡轮导向叶片内腔的空间，从而增大承力拉杆的横截面面积，提高拉杆本体承载能力。

Description

一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆及涡轮支承结构
技术领域
本发明属于涡轮导向叶片的支承连接结构技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆及涡轮支承结构。
背景技术
燃气轮机是一种将燃气的能量转变为有用功的内燃式动力机械，被广泛应用于航空航天器中。燃气轮机的工作过程是：压气机连续地从大气中吸入空气并对空气进行压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与燃烧室中喷入的燃气混合后燃烧，进而成为高温燃气，随即高温燃气流入到燃气涡轮处膨胀做功，并高温燃气推动涡轮带着压气机一起旋转；燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点，被广泛应用于发电、独立能源系统、机械驱动等领域。
燃气轮机自问世以来，由于其具有功率大、体积小、启动快、工作稳定以及可使用多种燃料等优点，获得国内外的广泛认可，同时国内外众多科技工作者也对其开展了大量的研究工作，并在较短时间内已经取得了跨越式的发展，在航空、船舶等动力机械领域以及电力、化工等工业领域都得到了广泛应用。在燃气轮机方面的技术水平的优劣也同时反映了一个国家科学技术水平和军事实力的高低。
在双转子燃气涡轮的燃气轮机中，涡轮所采用的支承结构往往是在涡轮后支板传力结构方案或者高低压涡轮间拉杆本体传力的结构方案；其中，高低压涡轮间支点传力方案是利用轴承机匣连接并支撑高低压涡轮之间的涡轮转轴，然后通过涡轮导向叶片连接到涡轮机匣上，从而使得涡轮转轴被支承到火焰筒的中部处，即是：一片涡轮导向叶片及与其对应相连的轴承机匣上的弧区部位和涡轮机匣上的弧线部位构成一个涡轮间支点，涡轮间支点用于支撑高压涡轮叶片与低压涡轮叶片之间位置的涡轮转轴；而这种高低压涡轮间支点传力方案的优点是能够缩短低压涡轮转轴长度，提高转子稳定性；以上涡轮支撑结构中，涡轮导向叶片与涡轮机匣或轴承机匣的连接和传力用的拉杆本体往往是采用实心圆柱形结构，当拉杆本体从涡轮导向叶片内部穿过并连接后，能够将涡轮导向叶片、涡轮机匣与轴承机匣三者联成框架承力结构。而这种圆柱形的拉杆本体结构的优点是结构简单，但是其也存在承载能力低，抗环境温度能力弱等不足，其原因是因为涡轮导向叶片内部空间较小，所能使用的圆柱形拉杆本体直径尺寸有限，并且涡轮导向叶片壁面温度较高，会对拉杆本体的热辐射会使拉杆本体温度升高，而拉杆本体产生热变形时，将会影响涡轮支撑结构的承力的均匀性和轴承机匣的同心度；因此，降低设计一种降低拉杆本体热变形的方案成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决涡轮间支点的实心传力拉杆容易传导热辐射发生变形并致使涡轮支承结构稳定性变差问题，本方案提供了一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆、承力拉杆组件及涡轮支承结构，采用中空结构的传力拉杆本体，实现气流在传力拉杆本体内部的流动，并利用流动的空气对拉杆本体进行冷却降温。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，包括杆状的拉杆本体；该拉杆本体用于将燃气轮机的涡轮导向叶片、涡轮机匣及轴承机匣三者紧固连接；涡轮导向叶片具有中空的内腔，所述拉杆本体能够穿入到该内腔内且不与内腔的壁面接触传热；在所述拉杆本体内设置有空气通道，所述空气通道自拉杆本体两端处与外部环境连通，以用于拉杆本体的冷却降温。
可选的：所述拉杆本体包括有杆身，所述杆身与涡轮导向叶片的内腔间隙配合，且杆身的外壁面与内腔的壁面不接触。
可选的：所述拉杆本体还包括有连接部，在该连接部处设置有拉紧连接孔，所述拉紧连接孔能够连接用于固定拉杆本体的拉紧螺钉。
可选的：所述拉杆本体的远离连接部的一端的外周壁向外凸起形成杆冒。
可选的：在杆身内设置有导热孔，在连接部处设置有排气孔，排气孔与导热孔连通并共同连成空气通道。
可选的：所述排气孔与拉紧连接孔并排设置并呈台阶孔状，该排气孔包括有同轴设置的内孔和外孔，外孔内可连接中空的销钉，销钉的中部设置有用于空气流通的中间孔。
可选的：导热孔远离连接部的一端呈台阶状或者呈发散状，并朝向燃气轮机的空气进口。
可选的：拉杆本体的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形；空气通道的横截面形状对应呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形。
一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆组件，包括有销钉、拉紧螺钉和所述的承力拉杆；销钉和拉紧螺钉并排的连接到承力拉杆的一端，拉紧螺钉用于连接并固定所述承力拉杆，销钉内设置有中间孔，该中间孔与空气通道相连通。
一种用于燃气轮机的涡轮支承结构，包括涡轮机匣、轴承机匣、涡轮导向叶片和所述的承力拉杆；涡轮机匣呈环形，轴承机匣呈环形并与涡轮机匣同轴，涡轮机匣和轴承机匣之间通过辐射状分布的多个涡轮导向叶片相连；承力拉杆将所对应的涡轮导向叶片固定连接到涡轮机匣与轴承机匣之间。
本发明的有益效果为：
1.本方案所设计的承力拉杆具有通气降温的功能：该承力拉杆能够引导冷却空气从异形结构承力拉杆的一端进入拉杆本体内部，从拉杆本体的另一端排出；当冷却空气从拉杆本体内部空腔流过时，冷却空气吸收了拉杆本体中的热量，拉杆本体壁面温度降低，热变形量小，承载能力增强，从而降低轴承机匣的变形，使涡轮转轴保持较好的同心度；
2.本方案所设计的承力拉杆具有径向支撑力增强效果：本方案中的承力拉杆在横截面上采用非圆形的结构设计，呈扁形的结构，由于涡轮导向叶片内腔的空间位置有限，该扁形结构的承力拉杆在涡轮机匣的周向上能够降低对空间的占用，而在涡轮机匣的径向上能够提供加强的支撑力，从而能够加强支撑力和使用寿命；本承力拉杆可以充分利用涡轮导向叶片内腔的空间，从而增大承力拉杆的横截面面积，提高拉杆本体在涡轮机匣径向方向上的承载能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是承力拉杆与销钉和拉紧螺钉的配合结构图；
图2是承力拉杆的俯视结构；
图3是另一种承力拉杆的俯视结构；
图4是第三种承力拉杆的俯视结构；
图5是第四种承力拉杆的俯视结构；
图6是承力拉杆配合连接轴承机匣、涡轮机匣和涡轮导向叶片的结构图；
图7是图6中A-A截面结构图。
图中：1-涡轮机匣；2-拉杆本体；21-杆身；22-导热孔；23-杆冒；24-连接部；241-拉紧连接孔；242-内孔；243-外孔；244-轴向端面；3-涡轮导向叶片；31-内腔；4-轴承机匣；5-销钉；51-中间孔；6-拉紧螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-7所示，本实施例设计了一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，包括杆状的拉杆本体2；拉杆本体2用于穿过涡轮导向叶片3的内腔31并将轴承机匣4、涡轮机匣1和涡轮导向叶片3三者紧固连接；并实现涡轮导向叶片3与轴承机匣4或涡轮机匣1的连接，该拉杆本体2能够穿过对应连接处设置所匹配设置的孔，将拉杆本体2穿入后，拉杆本体2能够将所连接处进行紧固连接，其连接方式与现有技术中的螺钉连接或者插销连接方式并无不同；但是由于现有的拉杆本体2多采用圆柱形结构，由于拉杆本体2在涡轮机匣1以及轴承机匣的周向上的空间占用较多，使得其连接处需要开设在周向上具有较大宽度的孔，从而对涡轮导向叶片3在设计时所需要计算应力的因素更多，因此，若采用圆柱形结构的拉杆本体2，在设计时，需要对连接处采用更高的材料结构，或者需要降低拉杆本体2的直径；两者都对涡轮导向叶片3的稳定性不利。
因此，本实施例中拉杆本体2采用非圆柱形的异形结构，该异形结构采用呈扁形的结构设计，使得拉杆本体2在涡轮机匣1的周向上的占用空间更低，同时能够加强拉杆本体2的径向宽度，从而能够在涡轮机匣1的径向上能够提供加强的支撑力，使涡轮导向叶片3与轴承机匣4和涡轮机匣1在连接处稳定性好、使用寿命长。
该拉杆本体2横截面可以呈椭圆形，该结构中并未通过附图示出；在安装时，拉杆本体2截面椭圆形的长轴取向为与涡轮导向叶片3弦线方向相同。
该拉杆本体2横截面也可以呈倒角的长方形，当倒角角度较小时，此时，能够在长方形的短边侧保留平直的区域，如图3所示；而当倒角角度较大时，能够使得长方形的短边侧整体呈弧形，如图2所示。在安装时，该拉杆本体2的长边侧平行于涡轮导向叶片3的弦线方向。
该拉杆本体2横截面也可以呈倒角的梯形结构，当倒角角度较小时，此时，能够在梯形的底边保留平直的区域，如图5所示；而当倒角角度较大时，能够使得梯形的底边侧呈弧形，如图4所示。在安装时，该拉杆本体2梯形的高度线取向为与涡轮导向叶片3的弦线方向相同。
实施例2
如图1-7所示，本实施例设计了一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，包括杆状的拉杆本体2；该拉杆本体2用于穿入涡轮导向叶片3内，以紧固连接涡轮燃气轮机的涡轮导向叶片3、涡轮机匣1及轴承机匣4。
在所述拉杆本体2内设置有空气通道，该空气通道自拉杆本体2两端处连通外部环境，并能够用于拉杆本体2的降温；由于现有的圆柱形结构的拉杆本体存在抗温度能力弱的问题；在燃气轮机使用状态时，涡轮导向叶片3壁面温度较高，涡轮导向叶片3上的热量会以热辐射的方式传导到拉杆本体上，并使得使拉杆本体2温度升高，当拉杆本体2的温度升高，其拉杆本体2不仅强度将会降低，同时由于热膨胀将会使得拉杆本体发生变形；并且，由于涡轮机匣1、轴承机匣4和涡轮导向叶片3是通过拉杆本体2的紧固连接并联成框架的承力结构，当拉杆本体2发生变形时，将会影响轴承机匣4对涡轮转轴的支承力的均匀性，同时对轴承机匣4与涡轮机匣1的同心度也将造成影响。
本实施例中的拉杆本体2内设置有空气通道，能够将引入冷却空气进入拉杆本体2的内部，将涡轮导向叶片3通过辐射方式传导给拉杆本体2的热量带走，从而稳定拉杆本体壁面温度，从而降低拉杆本体2的热变形量。
本实施例中的拉杆本体2穿过涡轮导向叶片3端部设置的穿接孔，然后通过螺栓和销钉5与低压涡轮机匣1或者轴承机匣4联连接固定，形成框架式涡轮支点承力结构。所述拉杆本体2的外侧壁不能够贴合所述涡轮导向叶片3内腔31的侧壁，并以间隙配合的方式使得拉杆本体2的杆身21的外壁面不与涡轮导向叶片的内腔31侧壁贴合，从而使得拉杆本体2与涡轮导向叶片3更好的隔热，使涡轮导向叶片3上的热量难以传导到拉杆本体2上。冷却空气从异形结构承力拉杆的上端进入拉杆本体2内部，从拉杆本体2下端排出，当冷却空气从拉杆本体2内部的空气通道流过时，冷却空气吸收了拉杆本体2上的热量，从而降低拉杆本体壁面温度，拉杆本体2热变形量小；而当拉杆本体2的温度不高时，拉杆本体2的强度更大，不易变形，能够具有更强的径向承载，从而使得作为涡轮转轴支撑的轴承机匣4的变形量小，使涡轮转轴与涡轮机匣1能够保持较好的同心度。
实施例3
如图1-7所示，本实施例设计了一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，包括杆状的拉杆本体2；该拉杆本体2用于穿入涡轮导向叶片3内，以将燃气轮机的涡轮导向叶片3、涡轮机匣1及轴承机匣4三者紧固连接；所述拉杆本体2的外侧壁能够贴合所述涡轮导向叶片3并传导涡轮导向叶片3上的热量。
拉杆本体2包括有杆身21、杆冒23和连接部24，杆冒23位于杆身21的一端，连接部24位于远离杆冒23一端的杆身21上；所述杆冒23的远离连接部24的一端的外周壁向外凸起并形成了该杆冒23，该杆冒23的作用是用于该端与轴承机匣4之间的连接处的限位和拉紧；连接部24用于配合销轴和拉紧螺钉6拉紧，从而将拉杆本体2固定到涡轮机匣1与涡轮导向叶片3的连接处。
杆身21的内部设置有导热孔22，在连接部24处设置有排气孔，排气孔与导热孔22连通并形成连通外部环境的空气通道。空气通道能够将涡轮导向叶片3通过辐射方式传导给拉杆本体2的热量带走，使拉杆本体2壁面温度稳定，拉杆本体2的热变形量减小。涡轮导向叶片3上设置有用于杆身21穿入的穿接孔，所述杆身21与穿接孔间隙配合，且杆身21的外壁面与穿接孔的内侧壁分离；导热孔22远离连接部24的一端呈台阶状，并朝向燃气轮机的空气进口；从而能够使得进入燃气轮机空气进口的空气能够在杆身21处分流，使分流的空气经过导热孔22并带走杆身21内侧壁上的热量。
拉杆本体2的杆身21部分的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形；杆身21采用非圆柱形的扁形的结构设计，使得杆身21部分在涡轮机匣1的周向上的占用空间更低，同时能够加强拉杆本体2的宽度，从而使得杆身21部分在涡轮机匣1的径向方向上的支撑强度更高，能够提高涡轮导向叶片3、轴承机匣4和涡轮机匣1在连接处的支撑力、稳定性和使用寿命。
杆身21的内部设置有导热孔22的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形；导热孔22的横截面形状与杆身21的横截面相对应并呈等比例缩小的结构；从而使得拉杆本体2在铸造时整体上材质均匀性更好，在保证支撑力的基础上，也能够使得杆身21整体在热膨胀量或变形量更加均匀，在所述杆身21内设置有导热孔22，所能带走的热量更加均匀，从而避免局部聚热对杆身21强度的影响；以上结构中，一方面利用导热孔22进行均匀散热，另一方面利用导热孔22的形状保证杆身21壁的厚度均匀，保证当发生热膨胀时变形的均匀性。
在该连接部24处设置有拉紧连接孔241，该拉紧连接孔241可以是连通导热孔22的内螺纹孔，当所述拉紧连接孔241连接拉紧螺钉6时，能够通过拉紧螺钉6固定拉杆本体2，从而将涡轮导向叶片3、涡轮机匣1和轴承机匣4三者拉紧固定；在使用拉杆本体2进行连接时，可以使连接部24伸出涡轮导向叶片3外，从而降低连接部24与杆身21部分热变形量不统一的问题。
在连接部24处设置有排气孔，排气孔与拉紧连接孔241并排设置，并且可以呈台阶孔状，该排气孔包括有同轴设置的内孔242和外孔243，外孔243位于内孔242远离导热孔22的一端，外孔243通过内孔242与导热孔22连通；在该外孔243内可以设置中空的销钉5，该销钉5内设置中间孔51，中间孔51能够与内孔242相对并且两者的内径可以相同，内孔242和外孔243同轴设置，并且由内孔242、中间孔51和导热孔22共同构成连通外部环境的空气通道。连接部24具有平整的轴向端面244，该拉紧连接孔241和排气孔均置于该轴向端面244上。
实施例4
如图1所示，本实施例设计了一种涡轮导向叶片3的承力拉杆组件，包括有销钉5、拉紧螺钉6和承力拉杆等相互配合的组件。
承力拉杆包括杆状的拉杆本体2，拉杆本体2包括有杆身21、杆冒23和连接部24，杆冒23位于杆身21的一端，连接部24位于远离杆冒23一端的杆身21上；所述杆冒23的远离连接部24的一端的外周壁向外凸起并形成了该杆冒23，该杆冒23的作用是用于该端与轴承机匣4之间的连接处的限位；连接部24用于配合销轴或拉紧螺钉6拉紧，从而将拉杆本体2固定到涡轮机匣1与涡轮导向叶片3的连接处。
在该连接部24处设置有拉紧连接孔241和排气孔51，拉紧连接孔241和排气孔51的中心线方向平行于拉杆本体2的长度方向，该拉紧连接孔241可以是连通导热孔22的内螺纹孔；排气孔与拉紧连接孔241并排设置，并且可以呈台阶孔状，该排气孔包括有同轴设置的内孔242和外孔243，外孔243位于内孔242远离导热孔22的一端，外孔243通过内孔242与导热孔22连通。
销钉5和拉紧螺钉6并排的连接到承力拉杆的连接部24、243处，拉紧螺钉6用于连接到拉紧连接孔241内并固定拉杆本体2，从而使得涡轮导向叶片3与涡轮机匣1和轴承机匣4连接的部位更为牢固；销钉5内设置有中间孔51，该销钉5能够插接到排气孔上，销钉5的中部设置有中间孔51，中间孔51通过内孔242与导热孔22相连通。
实施例5
如图1所示，本实施例设计了一种用于燃气轮机的涡轮支承结构，包括涡轮机匣1、轴承机匣4、涡轮导向叶片3和实施例1-实施例4的承力拉杆；涡轮机匣1呈环形，轴承机匣4呈环形并与涡轮机匣1同轴，涡轮机匣1和轴承机匣4之间通过辐射状分布的多个涡轮导向叶片3相连；每个涡轮导向叶片3与涡轮机匣1或轴承机匣4的连接处均由承力拉杆连接固定。
上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：包括杆状的拉杆本体(2)；该拉杆本体(2)用于将燃气轮机的涡轮导向叶片(3)、涡轮机匣(1)及轴承机匣(4)三者紧固连接，一片涡轮导向叶片及与其对应相连的轴承机匣上的弧区部位和涡轮机匣上的弧线部位构成一个涡轮间支点，涡轮间支点用于支撑高压涡轮叶片与低压涡轮叶片之间位置的涡轮转轴；涡轮导向叶片(3)具有中空的内腔，所述拉杆本体(2)能够穿入到该内腔内且不与内腔的壁面接触传热；在所述拉杆本体(2)内设置有空气通道，所述空气通道自拉杆本体(2)两端处与外部环境连通，以用于拉杆本体(2)的冷却降温。
2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：所述拉杆本体(2)包括有杆身(21)，所述杆身(21)与涡轮导向叶片(3)的内腔间隙配合，且杆身(21)的外壁面与内腔的壁面不接触。
3.根据权利要求2所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：所述拉杆本体(2)还包括有连接部(24)，在该连接部(24)处设置有拉紧连接孔(241)，所述拉紧连接孔(241)能够连接用于固定拉杆本体(2)的拉紧螺钉(6)。
4.根据权利要求3所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：所述拉杆本体(2)的远离连接部(24)的一端的外周壁向外凸起形成杆冒(23)。
5.根据权利要求3所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：在杆身(21)内设置有导热孔(22)，在连接部(24)处设置有排气孔，排气孔与导热孔(22)连通并共同连成空气通道。
6.根据权利要求5所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：所述排气孔与拉紧连接孔(241)并排设置并呈台阶孔状，该排气孔包括有同轴设置的内孔(242)和外孔(243)，外孔(243)内可连接中空的销钉(5)，销钉(5)的中部设置有用于空气流通的中间孔。
7.根据权利要求6所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：导热孔(22)远离连接部(24)的一端呈台阶状或者呈发散状，并朝向燃气轮机的空气进口。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆，其特征在于：拉杆本体(2)的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形；空气通道的横截面形状对应呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形。
9.一种用于燃气轮机涡轮间支点的承力拉杆组件，其特征在于：包括有销钉(5)、拉紧螺钉(6)和权利要求1-7任意一项所述的承力拉杆；销钉(5)和拉紧螺钉(6)并排的连接到承力拉杆的一端，拉紧螺钉(6)用于连接并固定所述承力拉杆，销钉(5)内设置有中间孔(51)，该中间孔(51)与空气通道相连通。
10.一种用于燃气轮机的涡轮支承结构，其特征在于：包括涡轮机匣(1)、轴承机匣(4)、涡轮导向叶片(3)和权利要求1-7任意一项所述的承力拉杆；涡轮机匣(1)呈环形，轴承机匣(4)呈环形并与涡轮机匣(1)同轴，涡轮机匣(1)和轴承机匣(4)之间通过辐射状分布的多个涡轮导向叶片(3)相连；承力拉杆将所对应的涡轮导向叶片(3)固定连接到涡轮机匣(1)与轴承机匣(4)之间。
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