CN113931872A - 一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机的压气机转子技术领域，具体涉及一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，相邻级工作叶轮之间设置有内鼓筒和外鼓筒；所述内鼓筒能够拉紧工作叶轮，以平衡腹板在轴向方向上的应力。本方案中的加强型转子结构，在达到结构强度、刚度、稳定性等性能加强的同时，对混合式转子的原始形状改变量小，转子零件及其连接的稳定可靠，还能够能显著提高转子结构的刚性；由于采用内外双层鼓筒的结构，能够提升其抗冲击性能，在自然风的冲击力或海浪颠簸等自然因素经由外机匣传递的冲击力的作用下，均能保证转子的稳定运转，在转子径向以及轴向上都具有更强的刚度以及更加合理的应力分布，延长了转子结构的使用寿命。

Description

一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构

技术领域

本发明属于燃气轮机的压气机转子技术领域，具体涉及一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构。

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，在多个领域中被广泛应用，比如：应用于民用发电领域中或作为动力装置应用于飞机或大型船舶中。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，并利用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。

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。

压气机是燃气轮机的重要部件之一，用来对进入燃机的空气进行增压，空气压力达到预定值后，能够作为后续组件（如燃烧室）的气源。压气机转子作为压气机中至关重要的部件，是一个高速旋转并对气流做功的组合件。在高转速条件下，组成转子的零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的振动负荷。若传力或定心方案设计不当，可能造成转子结构运行失稳，严重时甚至存在损毁的风险；同时可能使转子结构的平衡不好、刚性不足，造成高速旋转过程中产生剧烈抖动的情况。

压气机转子的基本结构形式有鼓式、盘式和混合式等，鼓式、盘式和混合式的转子各有其优缺点，并且在各型燃机中也都有应用。其中，混合式转子是由叶轮、鼓筒和轴等部分组成的结构。鼓筒可以和叶轮做成一体或者单独制成，扭矩由轴、鼓、盘进行逐级传递。这种混合式转子兼有鼓式转子抗弯、刚性好及盘式转子强度好、承载能力高等优点，其应用前景广泛。

目前，压气机的混合式转子为了保证安全可靠，一般根据工作中影响螺栓预紧力的各个因素，比如转子和螺杆材料受热后引起的膨胀量差、转子所受弯矩、轴向力等因素严格控制螺栓预紧力的大小，以使得螺栓内应力和转子刚度在合理范围内变化。但是，在实际工作中，压气机转子工作环境恶劣复杂且多变，相邻级叶轮之间的连接螺栓自身应力状态不稳定，在高周循环工作过程中极易产生疲劳损坏，同时影响整个转子结构的刚性，并引发振动等未知问题。

因此，有必要设计一种压气机的新型加强型转子结构，能够提高连接的安全可靠性的同时，对工作时产生的应力进行部分或全部的补偿抵消，从而达到提升转子结构的刚度、使压气机能够在复杂环境中安全可靠运行的目的。

发明内容

为了解决现有技术中的压气机的转子结构在高速旋转的工作状态时承受的应力影响转子结构稳定性和可靠性的问题，本方案提供了一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构。

本发明所采用的技术方案为：

一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，包括多级工作叶轮；相邻级工作叶轮之间设置有内鼓筒和外鼓筒；所述工作叶轮靠近其轮缘的内侧位置处设置有腹板；工作叶轮的中心呈圆盘状，在该圆盘部分外边沿即为轮缘，工作叶轮的叶片连接在轮缘，而腹板位于轮缘内侧并与邻近轮缘；所述内鼓筒能够拉紧工作叶轮，使腹板沿压气机的轴向的方向预变形，以平衡腹板在轴向方向上的应力。在安装时各级外鼓筒与工作叶轮轮缘处相互贴紧，各级的工作叶轮和与之相连的前一级的内鼓筒之间均预留一定的轴向间隙，转子结构在装配时，通过螺栓拉紧的方式来消除或消减各级工作叶轮之间的轴向间隙，使内鼓筒的端面与转子叶盘的内鼓筒连接止口之间通过螺丝拉紧，从而使前一级的工作叶轮的腹板随之发生微变形，并产生相应的预应力。而通过精确的计算并调节各级工作叶轮与内鼓筒之间的间隙，能够以保证各级工作叶轮微变形量相互协调，从而使得整个转子结构所形成的连接框架的内部应力合理分布，从而能够有效的平衡转子在自身回转所产生的离心力、叶片受到的气动力以及转子轴向力等共同作用力下在腹板轴向应力。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述腹板的微变形量可调。在使用螺栓拉紧腹板前，所述工作叶轮与以其前一级的内鼓筒之间的轴向间隙可以定义为第一间隙；而在螺栓拉紧腹板后，所述工作叶轮与以其前一级的内鼓筒之间的轴向间隙可以定义为第二间隙；在螺栓拉紧腹板后，工作叶轮与以其前一级的内鼓筒之间可以为间隙配合、过渡配合和过盈配合中的一种，并且当两者间隙配合时，该第二间隙的间隙量也可以通过控制螺栓的松紧度进行调节，从而使得转子结构的整体内应力获得良好的平衡，从而有效提高了压气机工作状态下转子结构的刚性，避免其产生剧烈振动，同时保证螺栓不会出现应力过大的情况，并防止引起腹板大面积变形和断裂的情况发生。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述外鼓筒抵紧于相邻级工作叶轮之间，所述内鼓筒与对应工作叶轮之间具有轴向间隙；当使用螺栓拉紧内鼓筒与工作叶轮时，所述轴向间隙被消除或消减并使腹板微变形。本结构中是利用间隙结构以及间隙量的大小控制转子结构内部的应力变化，该实现方式简单实用，可操作性强，无需大面积改动转子结构的内部结构；保证转子结构及其内部连接结构的稳定性和可靠，显著提高转子结构的刚性，防止发生剧烈振动，在确保安全运行的同时，大大增加了压气机转子部件的寿命。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述螺栓采用精密螺栓，精密螺栓包括有螺杆和螺母；螺杆先后穿过内鼓筒和工作叶轮，并与螺母相连。精密螺栓能够加强转子部件的刚性和稳定性。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述腹板的外侧设置有外鼓筒连接止口，所述外鼓筒与相邻两级工作叶轮的外鼓筒连接止口相抵，并提供平行于压气机轴向方向的支撑力。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构于：所述腹板的内侧设置有内鼓筒连接止口，所述内鼓筒与相邻两级工作叶轮的内外鼓筒连接止口相连，并提供平行于压气机轴向方向的拉紧力。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：每一级工作叶轮的外侧均具有转子叶片，不同级工作叶轮的转子叶片长度不同，且对应的腹板的微变形量也不同。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述多级工作叶轮包括二级工作叶轮、三级工作叶轮、四级工作叶轮、五级工作叶轮、六级工作叶轮和七级工作叶轮；其中，所述二级工作叶轮位于其他级工作叶轮的前侧，所述七级工作叶轮位于压气机的后侧。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述七级工作叶轮的后侧连接有封严篦齿盘，在封严篦齿盘与七级工作叶轮之间连接有一个内鼓筒，该内鼓筒与封严篦齿盘贴紧配合。

作为上述燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的补充设计或备选结构：所述二级工作叶轮的前侧设置有一级工作叶轮，所述二级工作叶轮与一级工作叶轮之间连接有一个内鼓筒，该内鼓筒与二级工作叶轮和一级工作叶轮贴紧配合。

本发明的有益效果为：

1.本方案中设计的加强型转子结构，在达到结构强度、刚度、稳定性等性能加强的同时，对混合式转子的原始形状改变量小，并且简单实用，可操作性强，不仅仅能够保证转子零件及其连接的稳定可靠，还能够能显著提高转子结构的刚性，防止发生剧烈振动；在确保安全运行的同时，大大增加了压气机转子部件的寿命，应用前景广阔；

2.本方案中的加强型转子结构，由于采用内外双层鼓筒的结构，能够大大提升其抗冲击性能，在自然风的冲击力或海浪颠簸等自然因素经由外机匣传递的冲击力的作用下，均能够有效保证转子的稳定运转，在转子径向以及轴向上都具有更强的刚度以及更加合理的应力分布，有效的延长了转子结构的使用寿命；

3.本方案中，利用应力抵消和微变形补偿的方式，在加强型转子结构的工作叶轮的腹板上形成预变形，从而使得腹板在轴向上的应力被消除为零或者消减到设定范围内；从而保证燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的安全可靠性。

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。

图1是本方案中燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构的结构示意图；

图2是图1中局部A的放大结构图；

图3是腹板在不同作用力下的变形状态图；

图4是工作叶轮的受力状态图。

图中：1-工作叶轮；101-内鼓筒连接止口；102-腹板；103-外鼓筒连接止口；104-转子叶片；2-外鼓筒；3-内鼓筒；4-精密螺栓；41-螺杆；42-螺母；5-封严篦齿盘；6-轴向间隙。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，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，都属于本方案的保护范围。

实施例1

如图1至图4所示，针对上述问题，本实施例设计一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，通过将控制工作叶轮1的腹板102微变形的方式，使得腹板102在非工作状态时就具有一定的预应力，而在工作状态时，通过该预应力来平衡或消除转子高速旋转时所新产生的应力。

本方案中的转子结构是由工作叶轮1、外鼓筒2、内鼓筒3及封严篦齿盘5形成的双层框架式结构。其中，工作叶轮1包括有一级工作叶轮、二级工作叶轮、三级工作叶轮、四级工作叶轮、五级工作叶轮、六级工作叶轮和七级工作叶轮；七级的工作叶轮沿压气机的轴向从前至后依次设置，其中一级工作叶轮和二级工作叶轮靠近于压气机的前侧，而六级工作叶轮和七级工作叶轮靠近于压气机的后侧，并且七级工作叶轮的后侧与封严篦齿盘5相连。

每个工作叶轮1均具有转子叶盘和转子叶片104，转子叶片104具有多个并环形分布在转子叶盘外周上，不同级工作叶轮1的转子叶片104长度不同，且对应的腹板102的微变形量也不同。在转子叶片104的外轮缘处设置有外鼓筒连接止口103，所述外鼓筒2与相邻两级工作叶轮1的外鼓筒连接止口103相抵，并提供平行于压气机轴向方向的支撑力；在转子叶片104的内侧设置有内鼓筒连接止口101，所述腹板102的内侧设置有内鼓筒连接止口101，所述内鼓筒3与相邻两级工作叶轮1的内外鼓筒连接止口103相连，并提供平行于压气机轴向方向的拉紧力；内鼓筒连接止口101与外鼓筒连接止口103之间为工作叶轮1的腹板102。

在压气机混合式转子进行组装时，七级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧抵于封严篦齿盘5外缘处，七级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第七内鼓筒，且七级工作叶轮通过第七内鼓筒连接到封严篦齿盘5上。六级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与七级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第六外鼓筒，六级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第六内鼓筒，并且六级工作叶轮通过第六内鼓筒连接到七级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。五级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与六级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第五外鼓筒，五级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第五内鼓筒，并且五级工作叶轮通过第五内鼓筒连接到六级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。四级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与五级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第四外鼓筒，四级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第四内鼓筒，并且四级工作叶轮通过第四内鼓筒连接到五级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。三级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与四级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第三外鼓筒，三级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第三内鼓筒，并且三级工作叶轮通过第三内鼓筒连接到四级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。二级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与三级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第二外鼓筒，二级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第二内鼓筒，并且二级工作叶轮通过第二内鼓筒连接到三级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。一级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的后侧与二级工作叶轮的外鼓筒连接止口103的前侧之间设置第一外鼓筒，一级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的后侧连接有一个第一内鼓筒，并且一级工作叶轮通过第一内鼓筒连接到二级工作叶轮的内鼓筒连接止口101的前侧。

以上连接结构中，第七内鼓筒3与封严篦齿盘5贴紧配合，第一内鼓筒3与二级工作叶轮1贴紧配合；除此之外，其余各级的外鼓筒2与对应级的工作叶轮1轮缘面处相互贴紧，而各级的工作叶轮1和与之相连的前一级的内鼓筒3之间均预留一定的轴向间隙6，当转子结构在装配时，通过螺栓拉紧的方式来消除或消减这些轴向间隙6，在使内鼓筒3的端面与对应的内鼓筒连接止口101之间通过螺栓拉紧，从而使工作叶轮1的腹板102随之发生微变形，并产生相应的预应力。而通过精确的计算并调节各级工作叶轮1与内鼓筒3之间的轴向间隙，能够以保证各级工作叶轮1微变形量相互协调，从而使得整个转子结构的内部应力合理分布，从而能够有效的平衡转子在自身回转所产生的离心力、叶片受到的气动力以及转子轴向力等共同作用力下在腹板102处的轴向应力。

以二级工作叶轮为例，如图3中(a)为该二级工作叶轮不利用螺丝拉紧且不产生预变形的形态；而在该二级工作叶轮转子旋转过程中，二级工作叶轮在离心力轴向分量F2、气动力F3、转子轴向力F4等作用力的共同作用下，将变形为如图3中(b)所示的状态；如图3中(c)为二级工作叶轮利用螺栓拉紧后并产生预变形的形态，当三级工作叶轮1与第二内鼓筒连接并通过螺栓连接并拉紧时，该二级工作叶轮将发生预变形，二级工作叶轮将承受预变形所产生的预应力F5。二级工作叶轮1的腹板102产生的预变形和预应力方向与工作状态下相反，因此若将图3中(b)和图3中(c)的状态进行组合，即是在增加预变形的情况下使二级工作叶轮高速旋转，这将会使得腹板102的微变形量部分或完全抵消，从而使得二级工作叶轮1更多的受到离心力轴向分量F1，从而显著降低各种作用力对转子结构的不利影响。在转子结构高速旋转过程中，离心力的轴向分量F2、气动力F3、转子轴向力F4等作用力下，二级工作叶轮1将会承受相应的应力，如果各级工作叶轮1安装不合理都将会造成这些作用力中的一种或多种较为突出，从而影响转子结构使用的安全性；本方案中通过螺栓拉紧工作叶轮1的方式来消除或消减前一级的工作叶轮1与内鼓筒3之间的轴向间隙6，从而达到平衡腹板102承受的应力的效果，显著提升转子运行的稳定性和安全性，降低转子振动强度，延长压气机使用寿命。

腹板102发生弯曲时，它的几何中心和重心发生一定偏离，转子离心力会分离出轴向分量，其方向与气动力和转子轴向力方向相同，腹板102产生的预变形和预应力方向与工作状态下相反，显著降低了上述作用力对转子结构的不利影响，整体上，各级工作叶轮1的腹板102是沿压气机的轴向的方向向后预变形的，而且各级工作叶轮1的预变形量各不相同，装配时需要技术人员根据各级工作叶轮1的实际工况来平衡腹板102在轴向方向上的应力。

实施例2

在实施例1的转子结构的基础上，各级工作叶轮1的腹板102的微变形是由螺栓拉紧工作叶轮1和与之相连的前一级内鼓筒3，并消除两者之间预留的轴向间隙6得以实现的。

在使用螺栓拉紧对应工作叶轮1的腹板102前，所述工作叶轮1与以其前一级的内鼓筒3之间的轴向间隙6可以定义为第一间隙；而在螺栓拉紧腹板102后，所述工作叶轮1与以其前一级的内鼓筒3之间的轴向间隙6可以定义为第二间隙；在螺栓拉紧腹板102后，工作叶轮1与以其前一级的内鼓筒3之间可以为间隙配合、过渡配合和过盈配合中的一种。当工作叶轮1与内鼓筒3为过渡配合和过盈配合时，后一级工作叶轮1的腹板102微变形量达到极限；而当工作叶轮1与内鼓筒3为间隙配合时，该第二间隙的间隙量则可以通过控制螺栓的松紧度进行调节，此时，后一级工作叶轮1的腹板102的微变形量可调。技术人员可以根据经验和精确计算，调节各级工作叶轮1与内鼓筒3之间的间隙从而使得转子结构的整体内应力获得良好的平衡，从而有效提高了压气机工作状态下转子结构的刚性，避免其产生剧烈振动，同时保证螺栓不会出现应力过大的情况，并防止引起腹板102大面积变形和断裂的情况发生。

上述结构中是利用间隙结构以及间隙量的大小控制转子结构内部的应力变化，该实现方式简单实用，可操作性强，无需大面积改动转子结构的内部结构；保证转子结构及其内部连接结构的稳定性和可靠，显著提高转子结构的刚性，防止发生剧烈振动，在确保安全运行的同时，大大增加了压气机转子部件的寿命。

此外，螺栓采用精密螺栓4，精密螺栓4包括有螺杆41和螺母42；螺杆41先后穿过内鼓筒3和工作叶轮1，并与螺母42相连。精密螺栓4能够加强转子部件的刚性和稳定性。

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；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技术的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：包括多级工作叶轮（1）；相邻级工作叶轮（1）之间设置有内鼓筒（3）和外鼓筒（2）；所述工作叶轮（1）轮缘的内侧设置有腹板（102）；所述内鼓筒（3）能够拉紧工作叶轮（1），使腹板（102）沿压气机的轴向方向预变形，以平衡腹板（102）在轴向方向上的应力。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述腹板（102）的变形量可调。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述外鼓筒（2）抵紧于相邻级工作叶轮（1）之间，所述内鼓筒（3）与对应工作叶轮（1）之间具有轴向间隙（6）；当内鼓筒（3）与工作叶轮（1）处于拉紧状态时，所述轴向间隙（6）被消除或消减并使腹板（102）微变形。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：内鼓筒（3）与工作叶轮（1）由螺栓拉紧，所述螺栓采用精密螺栓（4），精密螺栓（4）包括有螺杆（41）和螺母（42）；螺杆（41）先后穿过内鼓筒（3）和工作叶轮（1），并与螺母（42）相连。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述腹板（102）的外侧设置有外鼓筒连接止口（103），所述外鼓筒（2）与相邻两级工作叶轮（1）的外鼓筒连接止口（103）相抵，并提供支撑力。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述腹板（102）的内侧设置有内鼓筒连接止口（101），所述内鼓筒（3）与相邻两级工作叶轮（1）的内外鼓筒连接止口（103）相连，以提供拉紧力。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：每一级工作叶轮（1）的外侧均具有转子叶片（104），不同级工作叶轮（1）的转子叶片（104）长度不同，且对应的腹板（102）的微变形量也不同。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述多级工作叶轮（1）包括二级工作叶轮、三级工作叶轮、四级工作叶轮、五级工作叶轮、六级工作叶轮和七级工作叶轮；其中，所述二级工作叶轮位于其他级工作叶轮的前侧，所述七级工作叶轮位于压气机的后侧。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述七级工作叶轮的后侧连接有封严篦齿盘（5），在封严篦齿盘（5）与七级工作叶轮之间连接有一个内鼓筒（3），该内鼓筒（3）与封严篦齿盘（5）贴紧配合。

10.根据权利要求9所述的燃气轮机压气机的双层鼓筒加强型转子结构，其特征在于：所述二级工作叶轮（1）的前侧设置有一级工作叶轮，所述二级工作叶轮与一级工作叶轮之间连接有另一个内鼓筒（3），该内鼓筒（3）与二级工作叶轮（1）和一级工作叶轮（1）贴紧配合。

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