CN114033716A - 一种调节转子轴向力的末级轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调节转子轴向力的末级轴流压气机,其技术方案要点旋转件包括末级压气机盘、篦齿盘和拉杆，三者之间固定连接；静子件包括篦齿衬套一、燃烧室内环和篦齿衬套二，篦齿衬套一与燃烧室内环固定连接，燃烧室内环与篦齿衬套二固定连接,篦齿盘的端部设置带凹槽的斜篦齿一，在斜篦齿一出口处设置增旋导流板，所述增旋导流板和拉杆之间形成腔室三，所述末级压气机盘和篦齿衬套一之间形成腔室一，所述腔室一和腔室三之间采用多道台阶设置。本发明采用发动机末级轴流压气机后盘腔的大压降引气，通过多道台阶且齿间带凹槽的篦齿和径向增旋导流板，在保证放气量不变的条件下，可大幅降低盘腔旋转侧压力，从而减小高压转子向前的轴向力。

Description

一种调节转子轴向力的末级轴流压气机

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种调节转子轴向力的末级轴流压气机。

背景技术

在采用全轴流压气机结构的大推力量级(5000kgf～10000kgf)的涡扇发动机中，普遍存在着高压转子向前轴向力过大的问题，因此在轴流压气机末级通常采取放气(用于后端零部件冷却或排外涵产生推力)的形式来降低末级压气机盘腔的腔压，从而降低高压转子向前的轴向力。但是由于末级压气机盘腔绝对压力高，要将腔压降到合理水平就需要放掉大量的气，对整机性能不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，所述压气机包括旋转件和静子件，其中，

所述旋转件包括：末级压气机盘、篦齿盘和拉杆；其中末级压气机盘、篦齿盘和拉杆之间固定连接；

所述静子件包括：篦齿衬套一、燃烧室内环、篦齿衬套二，其中，篦齿衬套一与燃烧室内环固定连接，所述燃烧室内环与篦齿衬套二固定连接,

所述篦齿盘的端部设置带凹槽的斜篦齿一，在斜篦齿一出口处设置增旋导流板，所述增旋导流板和拉杆之间形成腔室三，所述末级压气机盘和篦齿衬套一之间形成腔室一，所述腔室一和腔室三之间采用多道台阶设置。

优选的，所述篦齿衬套一设置为多道台阶，台阶数量为3～6个。

优选的，所述拉杆设置为长条状，所述增旋导流板与拉杆之间的距离设置为1～2.5mm。

优选的，所述增旋导流板、篦齿衬套一和燃烧室内环通过螺栓二相连。

优选的，所述拉杆的尾部设置有带凹槽的斜篦齿二，所述斜篦齿二与篦齿衬套二接触，所述燃烧室内环上设置卡接块，所述篦齿衬套二与卡结块固定连接。

优选的，所述篦齿衬套二设置为L型，L型的一端与所述燃烧室内环上的突出端通过螺栓三固定，L型的另一端与所述斜篦齿二并列对置。

优选的，所述增旋导流板和燃烧室内环形成腔室二。

优选的，在所述末级压气机盘顶端与篦齿衬套一之间设置有引气口，气流从引气口入进入腔室一，所述末级压气机盘设置有一伸长杆与所述篦齿盘连接，在连接件之间采用螺栓一进行固定，所述篦齿盘设置为杆状，所述篦齿盘的顶端处设置有斜篦齿一，所述篦齿盘的另一侧连接有拉杆，拉杆外壳设置为长条状。

优选的，所述篦齿盘上设计有多道台阶斜篦齿一，台阶数量为3～6个，台阶高度为1/3～2/3齿高，并且在同篦齿配合的衬套上有蜂窝耐磨涂层和齿间凹槽，其中，凹槽长为1～2.5mm，深度为0.2～0.4mm。

优选的，所述燃烧室内环与篦齿衬套一之间采用螺栓二进行固定，同时，燃烧室内环上还设置有放气位置点，放气位置点选择在压力最低的P3位置点，所述P3放气点位于所述燃烧室内环上。

优选的，所述篦齿衬套一的下端设置为台阶状，同时针对每一台阶，斜篦齿一也相应的设置为阶梯状，斜篦齿一的顶部设置带凹槽的斜篦齿，斜篦齿的齿间指向在篦齿衬套一对应位置分别设置有相应的豁口。

优选的，所述豁口设置为一个或多个。

优选的，所述拉杆、所述燃烧室内环、所述篦齿盘和所述末级压气机盘为一体成型件。

本发明的技术效果和优点：

本发明通过多道台阶、齿间带凹槽的斜篦齿一，大幅增强篦齿一的节流降压能力，降低篦齿一出口P2的压力；通过增旋导流板，增强盘腔径向内流科氏力的作用，增加腔室3的旋流系数，从而提高径向内流引气P2到P1的径向压降，降低P1位置的压力。腔室2内静压分布均匀，不存在径向压差，放气位置P3的压力与P1一致，在腔室2是最低压力值，在压力最低的P3位置点放气，保证放气量一致，有利于降低腔室2压力。

本发明提出了采用发动机末级轴流压气机后盘腔的大压降引气，通过多道台阶且齿间带凹槽的篦齿和径向增旋导流板，在保证放气量不变的条件下，可大幅降低盘腔旋转侧压力，从而减小高压转子向前的轴向力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明现有技术的压气机结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的腔室一和腔室三连接处结构示意图；

图4为常规方案与本发明的旋流系统对照示意图；

图5为盘腔轴向力对比示意图。

图中：1-末级压气机盘；2-篦齿盘；3-拉杆；4-篦齿衬套一；5-燃烧室内环；6-篦齿衬套二；7-增旋导流板；8-腔室一；9-腔室二；10-腔室三；11- 斜篦齿一；12-斜篦齿二；13-螺栓一；14-螺栓二；15-螺栓三。

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。

在常规的技术方案中，如图1所示，所述压气机包括旋转件和静子件，其中，所述旋转件包括：末级压气机盘1、篦齿盘2和拉杆3；其中，末级压气机盘1、篦齿盘2和拉杆3之间采用螺栓固定连接，所述篦齿盘2的端部设置有斜篦齿一11，斜篦齿一11与篦齿衬套一4接触，所述末级压气机盘1和篦齿衬套一4之间形成腔室一8。腔室一8中引气经篦齿一与篦齿衬套一4的连接处流向燃烧室内腔；所述静子件包括：篦齿衬套一4、燃烧室内环5、篦齿衬套二6，其中，篦齿衬套一4与燃烧室内环5固定连接，所述燃烧室内环 5与篦齿衬套二6固定连接；所述燃烧室内环5和拉杆3之间构成腔室二9，所述拉杆3的尾部设置斜篦齿二12，所述斜篦齿二12与篦齿衬套二6接触。所述直通式篦齿节流效果差，并且篦齿半径位置较高，引气在经过直通式篦齿后仍然有较高的压力P1。同时受旋转泵效应的影响，腔室一8和腔室二9 均存在显著的径向压差，具体表现为高半径静压高，低半径静压低。腔室二9 的P3压力〉P2压力〉P1压力，在腔室二9从高半径的P3位置放气，压力水平较高，放气量一定的条件下，腔压减小幅度有限，如果要将腔压降到目标压力，需要放掉大量的气，对发动机整机性能的影响很大。

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，如图2所示，所述压气机包括旋转件和静子件，其中，

所述旋转件包括：末级压气机盘1、篦齿盘2和拉杆3；其中末级压气机盘1、篦齿盘2和拉杆3之间固定连接。

所述末级压气机盘1采用模锻件加工，在所述末级压气机盘1顶端与篦齿衬套一4之间设置有引气口，气流从引气口入进入腔室一8。所述末级压气机设置有一伸长杆与所述篦齿盘2连接，在连接件之间采用螺栓二14进行固定。所述篦齿盘2设置为杆状，所述篦齿盘2的顶端处设置有斜篦齿一11，所述篦齿盘2的另一侧连接有拉杆3，拉杆3设置为长条状。

所述静子件包括：篦齿衬套一4、燃烧室内环5、篦齿衬套二6，其中，篦齿衬套一4与燃烧室内环5固定连接，所述燃烧室内环5与篦齿衬套二6 固定连接；

所述篦齿衬套一4侧与末级压气机盘1连接，篦齿衬套一4另一侧与燃烧室内环5连接，所述燃烧室内环5与篦齿衬套一4之间采用螺栓二14进行固定。同时，燃烧室内环5上还设置有放气点。

所述篦齿盘2的端部设置带凹槽的斜篦齿一11，在斜篦齿一11出口处设置增旋导流板7，所述增旋导流板7和拉杆3之间形成腔室三10，所述末级压气机盘1和篦齿衬套一4之间形成腔室一8，所述腔室一8和腔室三10之间采用多道台阶设置。

具体地，所述拉杆3的尾部设置有带凹槽的斜篦齿二12，所述斜篦齿二 12与篦齿衬套二6接触，所述燃烧室内环5上设置卡结块，所述篦齿衬套二 6与卡结块固定连接。所述篦齿衬套二6设置为L型，L型的一端与所述燃烧室内环5上的突出端螺栓三15固定，L型的一端与所述斜篦齿二12接触。

具体地，所述增旋导流板7螺栓连接在燃烧室内环5上，增旋导流板7 通过螺栓与篦齿衬套1和燃烧室内环5连接，与拉杆3之间的距离控制在1～ 2.5mm，通过控制增旋导流板7和拉杆3之间的距离，增加径向内流引气的径向速度，从而增强科氏力作用，在径向内流中科氏力起增强气流径向压降作用，从而大幅增加腔室三10中P2到P1的径向压降。与此同时，燃烧室内环 5的另一侧连接有篦齿衬套一4，通过将篦齿衬套一4、燃烧室内环5和增旋导流板7一体式固定，能够有效减少压气机内部的连接固定点，增强压气机内部的密封性能。所述篦齿衬套一4与篦齿一接触端采用多道台阶设置，增旋导流板7设置为细条状，紧贴拉杆3，用以大幅增强篦齿的节流降压能力，降低篦齿出口P1的压力。

具体点，增旋导流板7和燃烧室内环5形成腔室二9，在增旋导流板7和燃烧室内环5之间形成一个不产生径向压差的腔室二9，腔室二9压力最低且分布均匀，放气位置点选择在压力最低的P3位置点，在保证放气量一致的前提下，P3可达到更低的压力水平，有利于减小腔室三10旋转侧的轴向力。

具体结合图3所示，篦齿盘2上设计多道台阶斜篦齿，台阶数量为3～6 个，台阶高度约1/3～2/3齿高，并且在同篦齿配合的衬套上有蜂窝耐磨涂层和齿间凹槽，凹槽长约1～2.5mm，深度约0.2～0.4mm。所述篦齿衬套一4的下端设置为台阶状，同时针对每一台阶，斜篦齿一11也相应的设置为阶梯状，斜篦齿一11的顶部设置带凹槽的斜篦齿，斜篦齿一11的齿间指向在篦齿衬套一4对应位置分别设置有相应的豁口，所述豁口设置为一个或多个。所述豁口的设置，使篦齿一和篦齿衬套一4不能完成的紧密贴合，始终留有间隙，方便腔室一8中引气的进入，同时台阶状的设置也能够节流、减少气体压强。

采用多道台阶且衬套带凹槽的斜篦齿1和增旋导流板7的组合形式来降低腔室三10作用在旋转侧的压力。

在本实施例中，所述拉杆3、所述燃烧室内环5、所述篦齿盘2和所述末级压气机盘1为一体成型件。

本发明提供了一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，所述压气机能大幅降低腔室压力水平的轴向力调节，与现有技术相比增旋导流板7和拉杆3 之间形成新的腔室三10，增旋导流板7和燃烧室内环5形成腔室二9，末级压气机盘1和篦齿衬套一4之间形成腔室一8。

腔室一8和腔室三10之间采用多道台阶，并且篦齿衬套一4间带凹槽的斜篦齿一11以大幅增强篦齿的节流降压能力，降低篦齿出口P1的压力；

在篦齿1出口处设置增旋导流板7，增旋导流板7与篦齿衬套1和燃烧室内环5通过螺栓2相连，增强盘腔径向内流科氏力对气流周向速度的加速作用，从而提高增旋导流板7和拉杆3之间的腔室3的旋流系数，降低半径位置的压力P1；

由于增旋导流板7和燃烧室内环5均是静子件，它们之间的腔室二9旋流系数很低，径向方向不形成压力梯度，高半径位置P3和低半径位置P2的压力一致。

因此，在放气量与常规技术方案一致的条件下，由于衬套带凹槽的多道台阶篦齿1节流降压能力增加、P1位置到P2位置产生更高的径向压降、P2 到P3不产生径向压增，本方案选择从压力最低的P3位置处进行放气，可以将P1到P2位置的转动件(拉杆3和篦齿盘2)所产生的向前的轴向力降到最低，从而大幅降低了高压转子向前的轴向力，有利于保证轴承正常使用寿命。

本发明技术方案相关数值CFD计算结果表明，如图4所示，A为排气1.2％的常规方案，B为排气2.5％的常规方案，C为排气1.2的本发明技术方案，D 为排气1.2％的本发明技术方案的旋流系数。通过图5对比可以看出，在A和 C中在保证放气量一致的条件下(放气1.2％)，采用本发明引气方案的盘腔轴向力比常规方案降低了1565kgf，常规方案如果要达到与本发明一样的轴向力调节效果，则放气量要增加到2.5％，但放气量要增加到2.5％对发动机性能影响较大。

由于高压转子轴向力为各级盘腔和叶片气动力矢量和，本发明技术方案可减小某级高压后盘腔轴向力1565kgf，即减小高压转子轴向力1565kgf，为轴承正常工作使用寿命提供了有利的条件。

本发明通过多道台阶、齿间带凹槽的斜篦齿一11，大幅增强篦齿一的节流降压能力，降低篦齿一出口P2的压力；

通过增旋导流板7，增强盘腔径向内流科氏力的作用，增加腔室三10的旋流系数，从而提高径向内流引气P2到P1的径向压降，降低P1位置的压力。

腔室二9内静压分布均匀，不存在径向压差，放气位置P3的压力与P1 一致，在腔室二9是最低压力值，在压力最低的P3位置点放气，保证放气量一致，有利于降低腔室2压力。

本方案在保证放气量一致的前提下，可大幅降低腔室三10的腔压(P2位置和P1位置)，有利于减小腔室三10旋转侧轴向力，从而降低发动机高压转子向前轴向力，保证轴承的正常工作寿命。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (13)

1.一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述压气机包括旋转件和静子件，其中，

所述旋转件包括：末级压气机盘(1)、篦齿盘(2)和拉杆(3)；其中末级压气机盘(1)、篦齿盘(2)和拉杆(3)之间固定连接；

所述静子件包括：篦齿衬套一(4)、燃烧室内环(5)、篦齿衬套二(6)，其中，篦齿衬套一(4)与燃烧室内环(5)固定连接，所述燃烧室内环(5)与篦齿衬套二(6)固定连接,

所述篦齿盘(2)的端部设置带凹槽的斜篦齿一(11)，在斜篦齿一(11)出口处设置增旋导流板(7)，所述增旋导流板(7)和拉杆(3)之间形成腔室三(10)，所述末级压气机盘(1)和篦齿衬套一(4)之间形成腔室一(8)，所述腔室一(8)和腔室三(10)之间采用若干道台阶设置。

2.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述篦齿衬套一(4)设置为若干道台阶，台阶数量为3～6个。

3.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述拉杆(3)设置为长条状，所述增旋导流板(7)与拉杆(3)之间的距离设置为1～2.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述增旋导流板(7)、篦齿衬套一(4)和燃烧室内环(5)通过螺栓二(14)相连。

5.根据权利要求4所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述拉杆(3)的尾部设置有带凹槽的斜篦齿二(12)，所述斜篦齿二(12)与篦齿衬套二(6)接触，所述燃烧室内环(5)上设置卡接块，所述篦齿衬套二(6)与卡结块固定连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述篦齿衬套二(6)设置为L型，L型的一端与所述燃烧室内环(5)上的突出端通过螺栓三(15)固定，L型的另一端与所述斜篦齿二(12)并列对置。

7.根据权利要求4所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述增旋导流板(7)和燃烧室内环(5)形成腔室二(9)。

8.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：在所述末级压气机盘(1)顶端与篦齿衬套一(4)之间设置有引气口，气流从引气口入进入腔室一(8)，所述末级压气机盘(1)设置有一伸长杆与所述篦齿盘(2)连接，在连接件之间采用螺栓一(13)进行固定，所述篦齿盘(2)设置为杆状，所述篦齿盘(2)的顶端处设置有斜篦齿一(11)，所述篦齿盘(2)的另一侧连接有拉杆(3)，拉杆(3)外壳设置为长条状。

9.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述篦齿盘(2)上设计有若干道台阶斜篦齿一(11)，台阶数量为3～6个，台阶高度为1/3～2/3齿高，并且在同篦齿配合的衬套上有蜂窝耐磨涂层和齿间凹槽，其中，凹槽长为1～2.5mm，深度为0.2～0.4mm。

10.根据权利要求1或8所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述燃烧室内环(5)与篦齿衬套一(4)之间采用螺栓二(14)进行固定，同时，燃烧室内环(5)上还设置有放气位置点，放气位置点选择在压力最低的P3位置点，所述P3放气点位于所述燃烧室内环(5)上。

11.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述篦齿衬套一(4)的下端设置为台阶状，同时针对每一台阶，斜篦齿一(11)也相应的设置为阶梯状，斜篦齿一(11)的顶部设置带凹槽的斜篦齿，斜篦齿的齿间指向在篦齿衬套一(4)对应位置分别设置有相应的豁口。

12.根据权利要求11所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述豁口设置为若干个。

13.根据权利要求1所述的一种调节转子轴向力的末级轴流压气机，其特征在于：所述拉杆(3)、所述燃烧室内环(5)、所述篦齿盘(2)和所述末级压气机盘(1)为一体成型件。

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