CN113062798B - 燃气涡轮转子及后输出式涡桨发动机的涡轮结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮转子及后输出式涡桨发动机的涡轮结构，燃气涡轮转子的前端与压气机转子连接，且燃气涡轮转子与压气机转子通过拉杆沿轴向拉紧，燃气涡轮转子包括沿高温气流方向安装于拉杆上的多个燃气涡轮以及安装于燃气涡轮的轴部的多个导流盘，燃气涡轮包括轮盘和叶片，导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，且多个冷却通道通过燃气涡轮的叶片彼此相连通，通过使冷却气流经冷却通道依次流入多个燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流动，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护。本发明的燃气涡轮转子，通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护，将燃气涡轮的温度控制在合理范围，提高燃气涡轮的使用寿命。

Description

燃气涡轮转子及后输出式涡桨发动机的涡轮结构
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种燃气涡轮转子及后输出式涡桨发动机的涡轮结构。
背景技术
传统的涡轴/涡桨发动机通常采用减速器布置在压气机端的前置输出方案，因动力涡轮与减速器之间距离远，采用这种方式的动力涡轮与减速器之间需要通过一根细长轴连接，会带来一系列强度、转子动力学方面的问题。如动力轴设计太细，在高转速下细长轴挠度大容易引起转子动力学方面的问题，如果动力输出轴设计过粗则燃气涡轮盘的盘心孔就要增大，那么轮盘的盘心应力会升高、寿命会降低。传统的燃气涡轮的叶片由于温度较高一般属于空心冷却叶片，叶片的轴向固定方式一般在轮盘两侧设计有挡板通过螺栓压紧固定叶片，冷气从挡板和轮盘之间的间隙进入叶片内腔，这种结构导致轮盘上增加了偏心孔，在工作条件下偏心孔的应力很高易发生疲劳失效，使轮盘的使用寿命降低。此外，由于当燃气温度超过1000摄氏度后高温材料的力学性能会急剧下降，无法采用普通的燃气叶片，需要采用空心气冷叶片来降低叶片的工作温度，而空心气冷叶片结构复杂加工难度大，一般难以加工成带叶冠结构，叶尖泄漏损失大。
发明内容
本发明提供了一种燃气涡轮转子及后输出式涡桨发动机的涡轮结构，以解决现有的涡轮结构中涡轮盘的盘心应力大以及使用无叶冠结构的空心气冷叶片而造成叶片损失大的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种燃气涡轮转子，燃气涡轮转子的前端与压气机转子连接，且燃气涡轮转子与压气机转子通过拉杆沿轴向拉紧，燃气涡轮转子包括沿高温气流方向安装于拉杆上的多个燃气涡轮以及安装于燃气涡轮的轴部的多个导流盘，燃气涡轮包括轮盘和叶片，导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，且多个冷却通道通过燃气涡轮的叶片彼此相连通，通过使冷却气流经冷却通道依次流入多个燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流动，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护。
进一步地，导流盘包括套设于燃气涡轮的轴部的导流轴部、与导流轴部连接并挡于燃气涡轮的轮盘一侧的导流盘部以及与导流盘部连接并低靠于燃气涡轮的叶片根部的导流端部，导流盘与燃气涡轮之间的间隙包括导流轴部与燃气涡轮的轴部之间的间隙、导流盘部与燃气涡轮的轮盘之间的间隙以及导流端部与燃气涡轮的叶片根部之间的间隙，从而使燃气涡轮的轴部、轮盘以及叶片均受到冷却保护。
进一步地，燃气涡轮转子还包括安装于第一级的燃气涡轮的前轴上的前端压紧结构以及安装于拉杆上的后端压紧结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合沿轴向相对压紧，从而将多个燃气涡轮和多个导流盘夹紧固定。
进一步地，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，燃气涡轮的叶片夹紧固定于两个导流盘之间；或者燃气涡轮的叶片的一侧安装有限位结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，使燃气涡轮的叶片夹紧固定于导流盘与限位结构之间。
进一步地，燃气涡轮转子还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的后轴承，后轴承位于发动机机匣内的燃气轴承腔内，且燃气涡轮转子还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的用于对燃气轴承腔进行封严的轴承腔封严环。
进一步地，燃气涡轮转子包括沿气流方向排布的一级燃气涡轮和二级燃气涡轮，以及安装于一级燃气涡轮的前轴上的一级前导流盘、安装于一级燃气涡轮的后轴上的一级后导流盘、安装于二级燃气涡轮的前轴上的二级前导流盘。
进一步地，一级燃气涡轮的叶片为气冷空心结构，二级燃气涡轮的叶片采用实心单晶带冠结构，一级前导流盘与一级燃气涡轮之间的间隙中的一部分冷却气流流入一级燃气涡轮的叶片的内腔中，另一部分冷却气流沿着一级燃气涡轮的轮盘的轮缘依次流入一级后导流盘与一级燃气涡轮之间的间隙和二级前导流盘与二级燃气涡轮之间的间隙中，进而沿着二级燃气涡轮的轮盘的轮缘流出。
根据本发明的另一方面，还提供一种后输出式涡桨发动机的涡轮结构，涡轮结构包括上述燃气涡轮转子以及安装于燃气涡轮转子的后方的动力涡轮转子，动力涡轮转子的输出轴沿轴向向后延伸并与减速器齿轮传动系统连接。
进一步地，动力涡轮转子包括与减速器齿轮传动系统连接的动力涡轮输出轴、与动力涡轮输出轴连接的一级动力涡轮以及与一级动力涡轮连接的二级动力涡轮，动力涡轮输出轴依次穿过一级动力涡轮的轮盘和二级动力涡轮的轮盘的盘心孔，且一级动力涡轮的轮盘的前端设有朝前伸出并与动力涡轮输出轴连接的一级前法兰，二级动力涡轮的轮盘的前端设有朝前伸出并与一级动力涡轮的轮盘连接的二级前法兰。
进一步地，动力涡轮输出轴上安装有动力涡轮轴承，动力涡轮轴承位于发动机机匣内的动力涡轮轴承腔内，且动力涡轮轴承腔位于一级动力涡轮的轮盘和二级动力涡轮的轮盘的盘心孔与动力涡轮输出轴之间。
本发明具有以下有益效果：
本发明的燃气涡轮转子，通过在多个燃气涡轮的轴部上安装导流盘，使导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，并通过燃气涡轮的叶片通道使多个冷却通道彼此相通，使冷却气流从冷却通道流入燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流入下一个冷却通道，使得冷却气流流过多个燃气涡轮，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护，将燃气涡轮的温度控制在合理范围，提高燃气涡轮的使用寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的涡轮结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的燃气涡轮转子的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的动力涡轮转子的结构示意图。
图例说明：
1、燃气涡轮转子；11、一级燃气涡轮；12、二级燃气涡轮；13、一级前导流盘；14、一级后导流盘；15、二级前导流盘；16、后轴承；17、轴承腔封严环；18、前螺母；19、后螺母；110、圆弧端齿结构；2、动力涡轮转子；21、一级动力涡轮；22、二级动力涡轮；23、动力涡轮输出轴；24、一级前法兰；25、二级前法兰；26、动力涡轮轴承；27、动力涡轮轴承腔封严环；28、功率输出接头；3、压气机转子；4、燃烧室；5、减速器齿轮传动系统；6、螺旋桨；7、燃气轴承腔；8、动力涡轮轴承腔；9、拉杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的涡轮结构的结构示意图；图2是本发明优选实施例的燃气涡轮转子的结构示意图；图3是本发明优选实施例的动力涡轮转子的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例的燃气涡轮转子1，安装于发动机的拉杆9上，并位于燃烧室4的输出端，且燃气涡轮转子1的前端与压气机转子3连接，燃气涡轮转子1包括沿高温气流方向安装于拉杆9上的多个燃气涡轮以及安装于燃气涡轮的轴部上的多个导流盘，燃气涡轮包括轮盘和叶片，导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，且多个冷却通道通过燃气涡轮的叶片通道彼此相连通，通过使冷却气流经冷却通道依次流入多个燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流动，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护。在本实施例中，多个燃气涡轮通过圆弧端齿结构110连接，最前方的燃气涡轮通过圆弧端齿结构110与压气机转子3的转轴连接，通过燃气涡轮转子1将燃烧室4输出的高温燃气的一部分能量转化为机械能并传递至压气机转子3，从而驱动压气机转子3转动。
本发明的燃气涡轮转子1，通过在多个燃气涡轮的轴部上安装导流盘，使导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，并通过燃气涡轮的叶片通道使多个冷却通道彼此相通，使冷却气流从冷却通道流入燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流入下一个冷却通道，使得冷却气流流过多个燃气涡轮，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护，将燃气涡轮的温度控制在合理范围，提高燃气涡轮的使用寿命。
导流盘包括套设于燃气涡轮的轴部上的导流轴部、与导流轴部连接并挡于燃气涡轮的轮盘一侧的导流盘部以及与导流盘部连接并低靠于燃气涡轮的叶片根部的导流端部，导流盘与燃气涡轮之间的间隙包括导流轴部与燃气涡轮的轴部之间的间隙、导流盘部与燃气涡轮的轮盘之间的间隙以及导流端部与燃气涡轮的叶片根部之间的间隙，从而使燃气涡轮的轴部、轮盘以及叶片均受到冷却保护。
燃气涡轮转子1还包括安装于第一级的燃气涡轮的前轴上的前端压紧结构以及安装于拉杆9上的后端压紧结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合沿轴向相对压紧，从而多个燃气涡轮和多个导流盘夹紧固定。在本实施例中，燃气涡轮转子1包括一级燃气涡轮11和二级燃气涡轮12。可选地，燃气涡轮转子1包括一级燃气涡轮11、二级燃气涡轮12以及三级燃气涡轮。
通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，燃气涡轮的叶片夹紧固定于两个导流盘之间；或者燃气涡轮的叶片的一侧安装有限位结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，使燃气涡轮的叶片夹紧固定于导流盘与限位结构之间。在本实施例中，燃气涡轮转子1包括沿气流方向排布的一级燃气涡轮11和二级燃气涡轮12，以及安装于一级燃气涡轮11的前轴上的一级前导流盘13、安装于一级燃气涡轮11的后轴上的一级后导流盘14、安装于二级燃气涡轮12的前轴上的二级前导流盘15。二级燃气涡轮12的叶片的后侧安装有限位结构。通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，使一级燃气涡轮11的叶片夹紧固定于一级前导流盘13与一级后导流盘14之间，二级燃气涡轮12的叶片夹紧固定于二级前导流盘15与限位结构之间。可选地，限位结构为限位凸台或限位锁片。
燃气涡轮转子1还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的后轴承16，后轴承16位于发动机机匣内的燃气轴承腔7内，且燃气涡轮转子1还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的用于对燃气轴承腔7进行封严的轴承腔封严环17。燃气涡轮的轴部包括位于轮盘前方的前轴以及位于轮盘后方的后轴。
在本实施例中，拉杆9的前端穿过压气机转子3并卡于压气机转子3的转轴的前端。拉杆9的后端位于燃气涡轮转子1的后方。前端压紧结构包括安装于最前方燃气涡轮的前轴上的前螺母18。后端压紧结构包括安装于拉杆9上并位于最后方的燃气涡轮的后方的后螺母19。后螺母19顶抵于后轴承16的内圈上。通过前螺母18和后螺母19沿轴向配合压紧，从而实现多个导流盘、多个燃气涡轮、轴承腔封严环17以及后轴承16的轴向限位。
燃气涡轮转子1包括沿气流方向排布的一级燃气涡轮11和二级燃气涡轮12，以及安装于一级燃气涡轮11的前轴上的一级前导流盘13、安装于一级燃气涡轮11的后轴上的一级后导流盘14、安装于二级燃气涡轮12的前轴上的二级前导流盘15。冷却气流依次流过一级前导流盘13与一级燃气涡轮11之间的冷却通道、一级燃气涡轮11的叶片通道、一级后导流盘14与一级燃气涡轮11之间的冷却通道、二级前导流盘15与二级燃气涡轮12之间的冷却通道以及二级燃气涡轮12的叶片通道。
一级燃气涡轮11的叶片为气冷空心结构，二级燃气涡轮12的叶片采用实心单晶带冠结构，一级前导流盘13与一级燃气涡轮11之间的间隙中的一部分冷却气流流入一级燃气涡轮11的叶片的内腔中，另一部分冷却气流沿着一级燃气涡轮11的轮盘的轮缘依次流入一级后导流盘14与一级燃气涡轮11之间的间隙和二级前导流盘15与二级燃气涡轮12之间的间隙中，进而沿着二级燃气涡轮12的轮盘的轮缘流出。由于一级燃气涡轮11的工作温度高于二级燃气涡轮12的工作温度，因此一级燃气涡轮11的叶片采用气冷空心结构，使得一级燃气涡轮11在冷却通道内冷却气流的冷却保护下，还通过叶片内的冷却气流进行保护。高温燃气在经过一级燃气涡轮11后温度降低，二级燃气涡轮12通过冷却通道内冷却气流进行冷却保护后二级燃气涡轮12的温度便能控制在合理范围内，因此二级燃气涡轮12的叶片则采用实心单晶带冠结构，加工工艺简单，并减少了叶尖泄露损失，提高了燃气涡轮效率。可选地，当发动机需要提高功率，高温燃气的温度提高，一级燃气涡轮11的叶片和二级燃气涡轮12的叶片均采用气冷空心结构，冷却通道还与叶片的内腔连通。
如图1所示，本实施例的后输出式涡桨发动机的涡轮结构，涡轮结构包括上述燃气涡轮转子1以及安装于燃气涡轮转子1的后方的动力涡轮转子2，动力涡轮转子2的输出轴沿轴向向后延伸并与减速器齿轮传动系统5连接。减速器齿轮传动系统5的输出轴与螺旋桨6连接，通过将动力涡轮转子2安装于燃气涡轮转子1的后方，从而通过燃气涡轮转子1排出的高温燃气驱动动力涡轮转子2转动，进而使功率经减速器传动系统减速后传递至螺旋桨6，使螺旋桨6转动产生推动力。因此，燃气涡轮的轮盘的盘心孔仅穿设拉杆9，而无需穿设动力涡轮转子2的输出轴，使得燃气涡轮的轮盘的盘心孔的孔径减小，从而降低了燃气涡轮的轮盘的盘心应力，进一步地提高了燃气涡轮的使用寿命。此外，动力涡轮转子2的输出轴的跨距小，动力特性更好。
如图3所示，动力涡轮转子2包括与减速器齿轮传动系统5连接的动力涡轮输出轴23、与动力涡轮输出轴23连接的一级动力涡轮21以及与一级动力涡轮21连接的二级动力涡轮22，动力涡轮输出轴23依次穿过一级动力涡轮21的轮盘和二级动力涡轮22的轮盘的盘心孔，且一级动力涡轮21的轮盘的前端设有朝前伸出并与动力涡轮输出轴23连接的一级前法兰24，二级动力涡轮22的轮盘的前端设有朝前伸出并与一级动力涡轮21的轮盘连接的二级前法兰25。动力涡轮输出轴23的前端设有与一级前法兰24的法兰边连接的安装边。动力涡轮输出轴23的后端安装有用于与减速器齿轮传动系统5的输入轴连接的功率输出接头28。
动力涡轮输出轴23上安装有动力涡轮轴承26，动力涡轮轴承26位于发动机机匣内的动力涡轮轴承腔8内，且动力涡轮轴承腔8位于一级动力涡轮21的轮盘和二级动力涡轮22的轮盘的盘心孔与动力涡轮输出轴23之间。在本实施例中，动力涡轮轴承26包括动力涡轮前轴承以及动力涡轮后轴承16。动力涡轮前轴承和动力涡轮后轴承16分别位于一级动力涡轮21的盘心孔的中心处和二级动力涡轮22的盘心孔的中心处。动力涡轮轴上安装有用于对动力涡轮轴承腔8封严的动力涡轮轴承腔封严环17。
本发明的动力涡轮转子2，根据动力涡轮转子2的转速低的特点，将一级动力涡轮21和二级动力涡轮22的轮盘上的盘心孔增大，并通过在一级动力涡轮21的轮盘的前端设置一级前法兰24与动力涡轮输出轴23连接以及在二级动力涡轮22的轮盘的前端设置二级前法兰25与一级动力涡轮21连接，从而使得动力涡轮输出轴23在穿过一级动力涡轮21和二级动力涡轮22的轮盘上的盘心孔后，一级动力涡轮21的轮盘和二级动力涡轮22的轮盘的盘心孔与动力涡轮输出轴23之间具有动力涡轮轴承26和动力涡轮轴承腔8的安装空间。由此可知，一方面避免了动力涡轮轴承26和动力涡轮轴承腔8另外占用轴向空间，结构更紧凑，有利于减少发动机的整体尺寸，提高发动机的整体性能；另一方面动力涡轮轴承26位于动力涡轮转子2的重心附近，有效地减小动力涡轮转子2振动引起的弯矩。
由此可知，本发明的后输出式涡桨发动机的涡轮结构，燃气涡轮转子1与动力涡轮转子2仅有气动传动关系，而无机械连接结构，界面清晰，有利于单元体结构设计，便于发动机外场维护。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气涡轮转子，燃气涡轮转子(1)的前端与压气机转子(3)连接，且燃气涡轮转子(1)与压气机转子(3)通过拉杆(9)沿轴向拉紧，
其特征在于，
燃气涡轮转子(1)包括沿高温气流方向安装于拉杆(9)上的多个燃气涡轮以及安装于燃气涡轮的轴部的多个导流盘，燃气涡轮包括轮盘和叶片，导流盘与燃气涡轮之间的间隙形成冷却通道，且多个冷却通道通过燃气涡轮的叶片通道彼此相连通，
通过使冷却气流经冷却通道依次流入多个燃气涡轮的叶片通道中，并沿燃气涡轮的轮盘的轮缘流动，从而通过冷却气流对多个燃气涡轮进行冷却保护；
燃气涡轮转子(1)包括沿气流方向排布的一级燃气涡轮(11)和二级燃气涡轮(12)，以及安装于一级燃气涡轮(11)的前轴上的一级前导流盘(13)、安装于一级燃气涡轮(11)的后轴上的一级后导流盘(14)、安装于二级燃气涡轮(12)的前轴上的二级前导流盘(15)；
一级燃气涡轮(11)的叶片为气冷空心结构，二级燃气涡轮(12)的叶片采用实心单晶带冠结构，
一级前导流盘(13)与一级燃气涡轮(11)之间的间隙中的一部分冷却气流流入一级燃气涡轮(11)的叶片的内腔中，另一部分冷却气流沿着一级燃气涡轮(11)的轮盘的轮缘依次流入一级后导流盘(14)与一级燃气涡轮(11)之间的间隙和二级前导流盘(15)与二级燃气涡轮(12)之间的间隙中，进而沿着二级燃气涡轮(12)的轮盘的轮缘流出。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮转子，其特征在于，
导流盘包括套设于燃气涡轮的轴部的导流轴部、与导流轴部连接并挡于燃气涡轮的轮盘一侧的导流盘部以及与导流盘部连接并低靠于燃气涡轮的叶片根部的导流端部，
冷却通道包括导流轴部与燃气涡轮的轴部之间的间隙、导流盘部与燃气涡轮的轮盘之间的间隙以及导流端部与燃气涡轮的叶片根部之间的间隙，从而使燃气涡轮的轴部、轮盘以及叶片均受到冷却保护。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮转子，其特征在于，
燃气涡轮转子(1)还包括安装于第一级的燃气涡轮的前轴上的前端压紧结构以及安装于拉杆(9)上的后端压紧结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合沿轴向相对压紧，从而将多个燃气涡轮和多个导流盘夹紧固定。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮转子，其特征在于，
通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，燃气涡轮的叶片夹紧固定于两个导流盘之间；
或者燃气涡轮的叶片的一侧安装有限位结构，通过前端压紧结构和后端压紧结构配合压紧，使燃气涡轮的叶片夹紧固定于导流盘与限位结构之间。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮转子，其特征在于，
燃气涡轮转子(1)还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的后轴承(16)，后轴承(16)位于发动机机匣内的燃气轴承腔(7)内，且燃气涡轮转子(1)还包括安装于最后一级的燃气涡轮的轴部上的用于对燃气轴承腔(7)进行封严的轴承腔封严环(17)。
6.一种后输出式涡桨发动机的涡轮结构，其特征在于，涡轮结构包括权利要求1-5任一所述的燃气涡轮转子(1)以及安装于燃气涡轮转子(1)的后方的动力涡轮转子(2)，动力涡轮转子(2)的输出轴沿轴向向后延伸并与减速器齿轮传动系统(5)连接。
7.根据权利要求6所述的后输出式涡桨发动机的涡轮结构，其特征在于，
动力涡轮转子(2)包括与减速器齿轮传动系统(5)连接的动力涡轮输出轴(23)、与动力涡轮输出轴(23)连接的一级动力涡轮(21)以及与一级动力涡轮(21)连接的二级动力涡轮(22)，
动力涡轮输出轴(23)依次穿过一级动力涡轮(21)的轮盘和二级动力涡轮(22)的轮盘的盘心孔，且一级动力涡轮(21)的轮盘的前端设有朝前伸出并与动力涡轮输出轴(23)连接的一级前法兰(24)，二级动力涡轮(22)的轮盘的前端设有朝前伸出并与一级动力涡轮(21)的轮盘连接的二级前法兰(25)。
8.根据权利要求7所述的后输出式涡桨发动机的涡轮结构，其特征在于，
动力涡轮输出轴(23)上安装有动力涡轮轴承(26)，动力涡轮轴承(26)位于发动机机匣内的动力涡轮轴承腔(8)内，且动力涡轮轴承腔(8)位于一级动力涡轮(21)的轮盘和二级动力涡轮(22)的轮盘的盘心孔与动力涡轮输出轴(23)之间。
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