CN113062780B - 一种涡轮外环轴向限位结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮外环轴向限位结构，涉及涡轮发动机技术领域，用于解决，用于限制涡轮外环在涡轮机匣内的轴向位移，该涡轮外环轴向限位结构包括：螺纹通孔，所述螺纹通孔设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣上；限位螺栓，与所述螺纹通孔配合，其贯穿涡轮机匣且与涡轮外环贴合；螺栓防松结构，与所述限位螺栓配合，用于防止限位螺栓松动。本发明中，限位螺栓代替螺旋挡圈解决了高温冷却后的变形失效问题；同时，通过设置的螺栓防松结构，提高限位螺栓的抗振动能力。

Description

一种涡轮外环轴向限位结构

技术领域

本发明属于涡轮发动机技术领域，具体是一种涡轮外环轴向限位结构。

背景技术

燃气涡轮发动机工作时转速高、温度高，其中涡轮部件因振动和热变形导致失效的问题非常突出，影响发动机安全稳定可靠地运行。在较长工作时间之后，振动及热变形容易导致涡轮外环轴向限位失效，使涡轮外环轴向串动量过大进而与转子叶片刮磨。

在现有技术中，对于涡轮外环轴向限位方案，通常在涡轮机匣内壁开槽，孔用螺旋挡圈装配在槽内起到对涡轮外环轴向限位的作用。螺旋挡圈作为一种经典的轴向限位结构，应用较为广泛，但在高温情况下螺旋挡圈容易变形，涨圈容易塑性变形弹力下降；易造成螺旋挡圈或涨圈脱离涡轮机匣，从而失去对涡轮外环的轴向限位，使涡轮外环脱离涡轮机匣，且螺旋挡圈无法在冷态时完全回弹至初始状态。同时，由于机匣、涡轮外环和螺旋挡圈等热变形不协调，会导致螺旋挡圈承受外环的剪切和挤压应力，多次工作后其变形逐步累积并最终失效，影响整个发动机的安全运行。对于大外径尺寸的螺旋挡圈而言，大尺寸的螺旋挡圈与涨圈造价高昂，且变形问题更为突出。因此，通常在尺寸不大的结构中使用螺旋挡圈进行轴向限位，这就使得螺旋挡圈轴向限位应用受到限制。

在现有技术中，还有一种涡轮外环轴向限位方案，是采用与涡轮外环相邻的零件对涡轮外环进行轴向限位。但是在采用涡轮外环相邻零件对涡轮外环进行轴向限位时，由于加工误差以及热变形不匹配的影响，限位零件与涡轮外环之间的间隙很难满足使用要求，当间隙偏小时，在热态下零件受热膨胀可能使间隙缩小至零，进而损坏零件；当间隙偏大时，在热态下可能使涡轮外环脱离涡轮机匣，影响发动机安全。

因此，本领域技术人员提供了一种涡轮外环轴向限位结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮外环轴向限位结构，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮外环轴向限位结构，包括：螺纹通孔，所述螺纹通孔设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣上；限位螺栓，与所述螺纹通孔配合，其贯穿涡轮机匣且与涡轮外环贴合；螺栓防松结构，与所述限位螺栓配合，用于防止限位螺栓松动。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述螺纹孔的个数、尺寸及位置，根据涡轮机匣直径尺寸、涡轮外环尺寸和个数确定，可以是12个，也可能是其他个数。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述涡轮机匣还包括：第一限位凹槽，设于所述涡轮机匣内侧一端；第二限位凹槽，设于所述涡轮机匣内侧另一端；机匣冲击孔，所述机匣冲击孔设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣上，机匣冲击孔可以引导涡轮机匣外部气流对涡轮外环和限位螺栓进行冷却。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述涡轮外环包括：第一限位凸台，设于所述涡轮外环外侧一端，且其与涡轮机匣第一限位凹槽相配合使用；第二限位凸台，设于所述涡轮外环外侧另一端，且其与涡轮机匣第二限位凹槽相配合使用。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一限位凸台和第二限位凸台与第一限位凹槽和第二限位凹槽为间隙配合，以保证涡轮外环在受热膨胀时有一定的缓冲空间，不会使涡轮机匣和涡轮外环在膨胀时受到损伤和挤压变形。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述限位螺栓紧固在螺纹通孔后，所述第一限位凸台和第二限位凸台可在第一限位凹槽和第二限位凹槽内进行轴向位移，以保证涡轮外环在受热膨胀时有一定的缓冲空间，不会使涡轮机匣和涡轮外环在膨胀时受到损伤和挤压变形。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述限位螺栓紧固在螺纹通孔后，应保证所述第一限位凸台和第二限位凸台无法从第一限位凹槽和第二限位凹槽内脱落，保证发动机的正常运行。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述限位螺栓头部类型为圆柱头、盘头或六角头等，限位螺栓头部设为开槽结构或钻孔结构。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述限位螺栓材质为高温合金，且其与所述涡轮机匣材质相同；高温合金分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa，或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述螺栓防松结构可采用防松保险丝、弹簧垫圈、锥形垫圈、止动垫圈或者所有可用于高温环境下的螺栓防松结构。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述防松保险丝环绕被锁件时，防松保险丝的绕向顺着被锁件拧紧的方向，确保给螺栓头施加力的方向使螺栓拧紧；防松保险丝可以是整圈环绕、螺栓两两一组缠绕或若干个螺栓作为一组缠绕。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过本发明设置的限位螺栓，代替传统方案的螺旋挡圈，解决了螺纹挡圈多次受热冷却后变形过大失效的问题，且限位螺栓材质为高温合金，与涡轮机匣材质相同；限位螺栓长度小，与螺纹挡圈的整圈式结构相比，其在高温冷却后的变形量小，可有效保证限位螺栓对涡轮外环的长时间轴向限位，保证发动机的安全、稳定地运行。

2、本发明设置的限位螺栓，其螺栓头部，可采用圆柱头、半沉头、沉头、盘头、六角头等类型之一；且其头部可以是开槽结构，也可以是钻孔结构；限位螺栓个数、尺寸及位置与涡轮机匣上的螺纹通孔相对应，根据涡轮机匣直径尺寸、涡轮外环尺寸和个数确定，可以是12个，也可能是其他个数。保证本发明的限位螺栓结构可广泛适用于各种类型的涡轮发动机，有效限制涡轮外环在涡轮机匣内的轴向位移，保证发动机的安全、稳定地运行。

3、通过本发明设置的螺栓防松结构，与限位螺栓配合使用，提高限位螺栓的抗振动能力。

4、本发明设置的螺栓防松结构可采用防松保险丝、弹簧垫圈、锥形垫圈、止动垫圈以及所有可用于高温环境下的螺栓防松结构，本发明提供了螺栓防松结构的多种方案，保证本发明的限位螺栓结构可广泛适用于各种类型的限位螺栓。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为一种涡轮外环轴向限位结构剖视图；

图2为图1中A部分局部放大图；

图3为一种涡轮外环轴向限位结构主视图；

图4为各类限位螺栓示意图；

图5为限位螺栓与螺栓防松结构组合图。

图中：1、涡轮机匣；101、螺纹通孔；102、第一限位凹槽；103、第二限位凹槽；104机匣冲击孔；2、涡轮外环；201、第一限位凸台；202、第二限位凸台；3、限位螺栓；4、螺栓防松结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，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。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。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。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，提供一种涡轮外环轴向限位结构，包括：螺纹通孔101，所述螺纹通孔101设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣1上；限位螺栓3，与所述螺纹通孔101配合，其贯穿涡轮机匣1且与涡轮外环2贴合；螺栓防松结构4，与所述限位螺栓3配合，用于防止限位螺栓3松动。

图1为一种涡轮外环轴向限位结构剖视图。图2为图1中A部分局部放大图。

如图1所示，在图示的实施例中，螺纹通孔101的个数、尺寸及位置，根据涡轮机匣1直径尺寸、涡轮外环2尺寸和个数确定，可以是12个，也可能是其他个数。

如图2所示，在图示的实施例中，涡轮机匣1还包括：第一限位凹槽102，设于所述涡轮机匣1内侧一端；第二限位凹槽103，设于所述涡轮机匣1内侧另一端，第一限位凹槽102和第二限位凹槽103凹槽面朝向一致；机匣冲击孔104，所述机匣冲击孔104设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣1上，机匣冲击孔104可以引导涡轮机匣1外部气流对涡轮外环2和限位螺栓3进行冷却；

涡轮外环2包括：第一限位凸台201，设于所述涡轮外环2外侧一端，且其与涡轮机匣1第一限位凹槽102相配合使用；第二限位凸台202，设于所述涡轮外环2外侧另一端，且其与涡轮机匣1第二限位凹槽103相配合使用；第一限位凸台201和第二限位凸台202凸台面朝向一致。

优选的，在本实施例中，第一限位凸台201和第二限位凸台202与第一限位凹槽102和第二限位凹槽103为间隙配合，以保证涡轮外环2在受热膨胀时有一定的缓冲空间，不会使涡轮机匣1和涡轮外环2在膨胀时受到损伤和挤压变形。

图4为各类限位螺栓示意图。

如图4所示，在图示的实施例中，限位螺栓3头部类型为圆柱头、盘头或六角头等，限位螺栓3头部设为开槽结构或钻孔结构；限位螺栓3材质为高温合金，且其与所述涡轮机匣1材质相同；高温合金分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa，或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

优选的，在实际使用时，如图2所示，当限位螺栓3紧固在螺纹通孔101后，限位螺栓3螺柱部分与涡轮机匣1垂直度不大于0.08，限位螺栓3螺柱部分与涡轮外环2凸台平面的平行度不大于0.08，限位螺栓3螺柱部分受高温冷却后，其圆柱度应不大于0.08；

当限位螺栓3紧固在螺纹通孔101后，限位螺栓3螺柱部分位于涡轮外环2第一限位凸台201和第二限位凸台202之间，并且靠近凸台平面一面，但是，限位螺栓3螺柱部分与涡轮外环2凸台并不贴合，两者具有一定的横向间距，使得第一限位凸台201和第二限位凸台202可在第一限位凹槽102和第二限位凹槽103内进行轴向位移，以保证涡轮外环2在受热膨胀时有一定的缓冲空间，不会使涡轮机匣1和涡轮外环2在膨胀时受到损伤和挤压变形；

当限位螺栓3紧固在螺纹通孔101后，应保证所述第一限位凸台201和第二限位凸台202无法从第一限位凹槽102和第二限位凹槽103内脱落，保证发动机的正常运行。

图3为一种涡轮外环轴向限位结构主视图。

如图3所示，在图示的实施例中，螺栓防松结构4可采用防松保险丝、弹簧垫圈、锥形垫圈、止动垫圈以及所有可用于高温环境下的螺栓防松结构4。

以下所述主要对限位螺栓3和螺栓防松结构4做出具体阐述。

图5为限位螺栓与螺栓防松结构组合图。

在限位螺栓3和螺栓防松结构4组合的第一个实施例中，如图5所示，限位螺栓3头部类型为圆柱头，限位螺栓3头部设为开槽结构，螺栓防松结构4采用保险丝防松。

在限位螺栓3和螺栓防松结构4组合的第二个实施例中，如图5所示，限位螺栓3头部类型为圆柱头，限位螺栓3头部设为钻孔结构，螺栓防松结构4采用保险丝防松。

在限位螺栓3和螺栓防松结构4组合的第三个实施例中，如图5所示，限位螺栓3头部类型为六角头，限位螺栓3头部设为钻孔结构，螺栓防松结构4采用保险丝防松。

优选的，在实际使用时，防松保险丝材料为金属丝，直径(单位为毫米)为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8；

防松保险丝可以采用单股保险丝或双股保险丝，当防松保险丝为单股保险丝时，保险丝直径应比保险丝所用孔径至少小0.2mm；当防松保险丝为双股保险丝时，保险丝直径约为保险丝孔径的1/3倍～3/4倍，一般不小于0.8mm；

在对保险丝缠绕工作时，应使用专用工具打保险丝，如用手绞时应力度适宜，安装后的保险丝松紧要适中，不宜拉得过紧或过松；

螺栓组连接防松的保险丝，应绞紧保险丝端头，绞紧部分长度为10mm～15mm，然后去除多余部分。

下面，对本发明的工作原理进行简要的说明：

首先，对涡轮机匣1进行改装，在涡轮机匣1上均匀加工出12处螺纹通孔101；然后，将涡轮外环2装配在涡轮机匣1内，将涡轮外环2第一限位凸台201和第二限位凸台202分别置于涡轮机匣1第一限位凹槽102和第二限位凹槽103内，涡轮外环2各凸台与涡轮机匣1各凹槽为间隙配合；然后，将各限位螺栓3对应装配在涡轮机匣1螺纹通孔101内，限位螺栓3紧固在螺纹通孔101后，应保证涡轮外环2各凸台可以在涡轮机匣1各凹槽内进行少量的轴向位移，同时，还应保证涡轮外环2各凸台不会从涡轮机匣1各凹槽中脱落，以保证涡轮发动机的正常工作；待各限位螺栓3紧固后，按照操作规范将防松保险丝缠绕在限位螺栓3上，此为本发明的安装方法；

当燃气涡轮发动机工作时，其转速高、温度高，使得涡轮外环2承受高温与振动，当涡轮外环2各凸台与涡轮机匣1各凹槽受热膨胀时，各凸台与各凹槽的间隙配合设置、各凸台可以在各凹槽内进行少量的轴向位移设置为涡轮外环2受热膨胀时提供了一定的缓冲空间，避免涡轮机匣1和涡轮外环2在膨胀时受到损伤和挤压变形；同时，限位螺栓3在受到振动有松动趋势时，本发明设置的防松保险丝可有效避免限位螺栓3的松动。

上述即为本发明的工作原理。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“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”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种涡轮外环轴向限位结构，用于限制涡轮外环(2)在涡轮机匣(1)内的轴向位移，其特征在于，包括:

螺纹通孔(101)，所述螺纹通孔(101)设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣(1)上；

限位螺栓(3)，与所述螺纹通孔(101)配合，其贯穿涡轮机匣(1)且与涡轮外环(2)贴合；

螺栓防松结构(4)，与所述限位螺栓(3)配合，用于防止限位螺栓(3)松动；

所述涡轮机匣(1)还包括：

第一限位凹槽(102)，设于所述涡轮机匣(1)内侧一端；

第二限位凹槽(103)，设于所述涡轮机匣(1)内侧另一端；

机匣冲击孔(104)，所述机匣冲击孔(104)设有若干个，且其均匀设于所述涡轮机匣(1)上；

所述涡轮外环(2)还包括：

第一限位凸台(201)，设于所述涡轮外环(2)外侧一端，且其与涡轮机匣(1)第一限位凹槽(102)相配合使用；

第二限位凸台(202)，设于所述涡轮外环(2)外侧另一端，且其与涡轮机匣(1)第二限位凹槽(103)相配合使用；

所述第一限位凸台(201)、第二限位凸台(202)与第一限位凹槽(102)、第二限位凹槽(103)为间隙配合；

所述限位螺栓(3)紧固在螺纹通孔(101)后，第一限位凸台(201)和第二限位凸台(202)可在第一限位凹槽(102)和第二限位凹槽(103)内进行轴向位移。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮外环轴向限位结构，其特征在于，所述限位螺栓(3)紧固在螺纹通孔(101)后，以限制第一限位凸台(201)和第二限位凸台(202)无法从第一限位凹槽(102)和第二限位凹槽(103)内脱落。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮外环轴向限位结构，其特征在于，所述限位螺栓(3)头部类型包括圆柱头、盘头或六角头，所述限位螺栓(3)头部设为开槽结构或钻孔结构。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮外环轴向限位结构，其特征在于，所述限位螺栓(3)材质为高温合金，且其与所述涡轮机匣(1)材质相同。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮外环轴向限位结构，其特征在于，所述螺栓防松结构(4)包括防松保险丝、弹簧垫圈、锥形垫圈或止动垫圈。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮外环轴向限位结构，其特征在于，所述防松保险丝环绕被锁件时，防松保险丝的绕向顺着被锁件拧紧的方向，确保给螺栓头施加力的方向使螺栓拧紧；防松保险丝采用整圈环绕、螺栓两两一组缠绕或若干个螺栓作为一组缠绕。

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