CN114109521B - 一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，涉及航空发动机和燃气轮机结构领域，包括设置在燃烧室机匣下游的燃气涡轮导向器和连接段，通过在涡轮导向器和连接段上设置腰型连接孔/圆形连接孔、定位凸块/定位槽的配合，在热膨胀状态下可实现涡轮导向器和连接段之间的轴向限位、径向浮动，并通过材料、凸块轴向位置、连接段厚度强度优化设计，从而减少涡轮导向器径向变形不协调，降低导向器局部高热应力水平，提高导向器的寿命和可靠性。结构简单，适合批量生产，便于安装、维护和更换，并能够显著降低因变形不协调导致的热应力水平，对于航空发动机和燃气轮机有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机和燃气轮机结构领域，涉及一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，用于减少涡轮导向器径向变形不协调，降低导向器局部高热应力水平，提高导向器的寿命和可靠性。
背景技术
燃气涡轮导向器位于燃烧室下游，并位于涡轮动叶的上游，是航空发动机和燃气轮机中温度最高的零件之一。燃气涡轮导向器由导向器叶片、内环、外环组成的环形静止叶栅，燃气通过导向器叶片使气流部分热能转变为动能，并以一定的方向流出，推动涡轮叶片做功。涡轮导向器温度高且不均匀，因而工作时受到较大的热应力作用，同时，由于工况不断变化，这些零件还承受热疲劳作用，易于产生疲劳裂纹。
在高温燃气作用下，由于温度梯度、结构和载荷传递等因素的影响，涡轮导向器内、外环与导向器叶片的热变形存在差异，导致变形不协调，若受到约束，将出现局部高热应力，无法满足强度设计要求。因此迫切需要提出一种更优的涡轮导向器减小其内外环与导向器叶片之间的变形不协调、释放热应力的结构方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中所存在的上述的技术缺陷，本发明提供了一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，用以克服现有航空发动机涡轮导向器变形不协调的问题，导向器连接结构利用在热膨胀状态下通过各腰型螺栓孔与圆形螺栓孔、定位凸块与定位槽的配合实现涡轮导向器和连接段的轴向限位、径向浮动，并通过材料、凸块轴向位置、连接段厚度强度优化设计，减少涡轮导向器内外环与导向器叶片之间的热变形不协调，降低导向器局部高热应力水平，提高燃气涡轮导向器的寿命和可靠性。本发明的燃气涡轮导向器连接结构，结构简单，适合批量生产，便于安装、维护和更换，能够显著降低热变形不协调导致的热应力水平，对于航空发动机和燃气轮机有广泛应用前景。
(二)技术方案
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，包括设置在燃烧室机匣下游的燃气涡轮导向器和用于安装支撑所述燃气涡轮导向器的连接段，所述燃气涡轮导向器包括同心设置的一外机匣、一内机匣以及固定设置在所述外机匣内壁与内机匣外壁之间并沿周向均匀分布的多个导向叶片，所述外机匣通过其前端面上设置的一前安装边与燃烧室机匣固定连接，其特征在于，
所述内机匣的内壁上沿周向均匀设置有若干定位凸块，每一所述定位凸块上设置一沿径向延伸的腰型连接孔，所述内机匣的内壁通过其定位凸块上设置的腰型连接孔与所述连接段连接；
所述连接段，其与所述燃气涡轮导向器相对的一侧端面上靠近外壁处沿周向均匀设置有若干定位凸肋，相邻两所述定位凸肋之间形成有与所述定位凸块相适配的定位槽，每一所述定位槽上设置一圆形连接孔，所述圆形连接孔用于与所述燃气涡轮导向器内机匣上的腰型连接孔相互配合并通过连接件连接。
在进一步地实施方案中，所述燃气涡轮导向器内机匣的内壁上设置有止口定位结构，从而实现装配时与所述连接段之间的径向定位。
在进一步地实施方案中，所述燃气涡轮导向器通过所述定位凸块上设置的腰型连接孔、设置在连接段定位槽上的圆形连接孔及设置在各所述连接孔中的连接件实现轴向紧固连接，实现涡轮导向器和连接段的轴向限位、径向浮动，从而减少涡轮导向器径向变形不协调，降低导向器内环高热应力水平。
在进一步地实施方案中，所述燃气涡轮导向器上的腰型连接孔的中心与所述连接段上的圆形连接孔的中心的径向距离δ为0.1～1mm，根据强度分析结果，确定径向浮动距离，使变形协调最大限度达到最优。
在进一步地实施方案中，所述燃气涡轮导向器由高温合金材料制成，所述连接段由不锈钢材料制成，根据强度分析结果，选取最佳线膨胀系数的材料，提高变形匹配度，降低连接段圆形连接孔的应力。
在进一步地实施方案中，所述燃气涡轮导向器的定位凸块与导向器内环缘板前缘的轴向距离X1为10～100mm，根据强度分析结果确定最优值，改善传力路径，以降低导向器内环缘板叶根处应力。
在进一步地实施方案中，与所述燃气涡轮导向器凸块随形设置的连接段厚度X2为2～4mm，可根据强度设计结果进行优化设计，以降低连接段外壁处应力。
(三)有益效果
同现有技术相比，本发明的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构至少具有以下显著的技术效果：
(1)在燃气涡轮导向器内机匣上设置沿径向延伸的腰型连接孔与连接段上的圆形连接孔、定位凸块与定位槽的配合，在热膨胀状态下可实现涡轮导向器和连接段之间的轴向限位、径向浮动，从而减少涡轮导向器径向变形不协调；
(2)通过材料、凸块轴向位置、连接段厚度强度优化设计，减少涡轮导向器变形不协调，降低导向器叶片局部高应力水平。
附图说明
图1为本发明的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构示意图；
图2为本发明的燃气涡轮导向器腰型孔与圆孔结构示意图；
图3为本发明的燃气涡轮导向器连接结构调整参数示意图。
附图标记说明：
燃气涡轮导向器1，连接段2，前安装边3，腰型螺栓孔4，圆形螺栓孔5，止口定位结构6。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明的用于降低热应力的涡轮导向器连接结构，其主要结构示意图如图1所示，包括设置在燃烧室机匣下游的涡轮导向器1和连接段。
涡轮导向器1，包括同心设置的一外机匣、一内机匣以及固定设置在外机匣与内机匣之间并沿周向均匀分布的多个导向叶片，外机匣通过其前端面上设置的一前安装边3与燃烧室机匣固定连接；靠近内壁处沿周向均匀设置有若干定位凸块，每个凸块上设置一沿径向延伸的腰型螺栓孔4，用于与连接段2连接；
连接段2，与涡轮导向器1相对的一侧端面上靠近外壁处沿周向均匀设置有若干定位凸肋，相邻两定位凸肋之间形成有与定位凸块相适配的定位槽，每个定位槽上设置一圆形螺栓孔5，用于与涡轮导向器1连接。
燃气涡轮导向器1上设置有止口定位结构6，从而实现装配时与连接段2的径向定位。燃气涡轮导向器1通过定位凸块上设置的腰型螺栓孔4、设置在连接段定位槽上的圆形螺栓孔5及设置在各螺栓连接孔4、5中的螺栓连接件实现轴向紧固连接，实现燃气涡轮导向器1和连接段2的轴向限位、径向浮动，从而减少燃气涡轮导向器径向变形不协调，降低燃气涡轮导向器内环的高热应力水平。
图2所示为本发明实施例的燃气涡轮导向器腰型孔与圆孔结构示意图，腰型孔中心与连接段上圆形孔中心的径向距离δ为0.1～1mm，可根据强度设计结果进行优化调整。
燃气涡轮导向器由高温合金材料制成，连接段由不锈钢材料制成，连接段材料需根据强度设计结果进行选取，以降低连接段圆孔5的应力。
图3所示为本发明实施例的涡轮导向器连接结构调整参数示意图，涡轮导向器凸块与导向器内环缘板前缘的轴向距离X1为10～100mm，可根据强度设计结果进行优化设计，以降低导向器内环缘板叶根处应力。与涡轮导向器凸块随形设置的连接段厚度X2为2～4mm，可根据强度设计结果进行优化设计，以降低连接段外壁处应力。
综上，本发明通过涡轮导向器在热膨胀状态下通过各腰型螺栓孔与圆形螺栓孔、定位凸块与定位槽的配合实现涡轮导向器和连接段的轴向限位、径向浮动，并通过材料、凸块轴向位置、连接段厚度强度优化设计，减少涡轮导向器变形不协调，降低导向器局部高热应力水平，提高导向器的寿命和可靠性。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，包括设置在燃烧室机匣下游的燃气涡轮导向器和用于安装支撑所述燃气涡轮导向器的连接段，所述燃气涡轮导向器包括同心设置的一外机匣、一内机匣以及固定设置在所述外机匣内壁与内机匣外壁之间并沿周向均匀分布的多个导向叶片，所述外机匣通过其前端面上设置的一前安装边与燃烧室机匣固定连接，其特征在于，
所述内机匣的内壁上沿周向均匀设置有若干定位凸块，每一所述定位凸块上设置一沿径向延伸的腰型连接孔，所述内机匣的内壁通过其定位凸块上设置的腰型连接孔与所述连接段连接；
所述连接段，其与所述燃气涡轮导向器相对的一侧端面上靠近外壁处沿周向均匀设置有若干定位凸肋，相邻两所述定位凸肋之间形成有与所述定位凸块相适配的定位槽，每一所述定位槽上设置一圆形连接孔，所述圆形连接孔用于与所述燃气涡轮导向器内机匣上的腰型连接孔相互配合并通过连接件连接；
所述燃气涡轮导向器内机匣的内壁上设置有止口定位结构，从而实现装配时与所述连接段之间的径向定位；
所述燃气涡轮导向器通过所述定位凸块上设置的腰型连接孔、设置在连接段定位槽上的圆形连接孔及设置在各连接孔中的连接件实现轴向紧固连接，实现涡轮导向器和连接段的轴向限位、径向浮动，从而减少涡轮导向器径向变形不协调，降低导向器内环高热应力水平。
2.根据权利要求1所述的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，其特征在于，所述燃气涡轮导向器上的腰型连接孔的中心与所述连接段上的圆形连接孔的中心的径向距离δ为0.1～1mm，根据强度分析结果，确定径向浮动距离，使变形协调最大限度达到最优。
3.根据权利要求1所述的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，其特征在于，所述燃气涡轮导向器由高温合金材料制成，所述连接段由不锈钢材料制成，根据强度分析结果，选取最佳线膨胀系数的材料，提高变形匹配度，降低连接段圆形连接孔的应力。
4.根据权利要求1所述的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，其特征在于，所述燃气涡轮导向器的定位凸块与导向器内环缘板前缘的轴向距离X1为10～100mm，根据强度分析结果确定最优值，改善传力路径，以降低导向器内环缘板叶根处应力。
5.根据权利要求1所述的用于降低热应力的燃气涡轮导向器连接结构，其特征在于，与所述燃气涡轮导向器凸块随形设置的连接段厚度X2为2～4mm，根据强度设计结果进行优化设计，以降低连接段外壁处应力。
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