一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，包括大彎管、渦輪導向器、導流板、渦輪盤、渦輪葉片、軸承座安裝邊，所述大彎管、渦輪導向器、導流板采用螺釘固定在所述軸承座安裝邊上，分別形成了冷氣腔A，B，C，D，E，F，G。本發明通過在導流板不同半徑處設計臺階刀片式封嚴結構，圓形節流孔，優化導流板型面等，能夠合理分配進入渦輪盤腔不同部位的冷卻、封嚴氣量，使得冷卻氣體在渦輪盤腔的流通面積大為縮小，并大致沿著渦輪盤表面流動，大大提高了冷卻氣體的利用效率及冷卻效果，并能夠有效防止燃氣倒灌。
【專利說明】
一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構
技術領域
[0001]本發明涉及航空發動機領域，涉及一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，尤其適用于航空發動機渦輪盤前腔。
【背景技術】
[0002]隨著航空發動機推重比的不斷提高，其熱端部件承受了更高的溫度和更大的載荷。我國預研的推重比10—級發動機的渦輪前溫度約為1850?1950°C。渦輪盤是航空發動機的關鍵零件，承受著嚴酷的熱負荷和機械負荷，工作條件十分惡劣。為保證渦輪盤在要求的壽命期內安全可靠的工作，在合理選擇材料的情況下，通常利用引自壓氣機主流道及燃燒室二股氣流的冷卻氣體經過盤腔結構冷卻渦輪盤，之后通過輪緣密封結構進入主流道，起到級間輪緣封嚴的作用。然而，由于渦輪盤腔空間較大，渦輪盤呈不規則折形，折角處的氣體流速很慢，容易形成冷卻的相對死角，使得冷卻效果較差，冷卻氣體的利用率較低。另夕卜，由于摩擦栗效應或轉靜葉片干涉，在渦輪盤輪緣封嚴結構處，會出現燃氣入侵現象。主燃氣的入侵將會惡化轉子的冷卻，對于發動機的安全及可靠運行都是很大的損壞。
[0003]因此，在深入了解渦輪盤腔中流場基本特性的基礎上，尋求一種較佳的渦輪盤腔冷卻、封嚴結構及氣路設計，對減少冷卻氣量的需求，防止燃氣倒灌，優化熱端部件流動與換熱特性，從而提高發動機性能是十分有意義的。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的上述缺點和不足，本發明提出一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，通過導流板臺階刀片式封嚴結構、圓形節流孔、導流板型面的合理設計，能夠合理分配進入渦輪盤腔的冷卻、封嚴氣量，使得冷卻氣體在渦輪盤腔的流通面積大為縮小，并大致沿著渦輪盤表面流動，大大提高了冷卻氣體的利用效率，充分帶走渦輪盤盤面的熱量，提高冷卻效果，同時通過導流板外緣翻邊、渦輪導向器、渦輪葉片形成魚嘴式級間封嚴結構，能夠有效防止燃氣倒灌。
[0005 ]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:
[0006]—種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，包括大彎管、渦輪導向器、導流板、渦輪盤、渦輪葉片、軸承座安裝邊，其特征在于，
[0007]所述大彎管、渦輪導向器、導流板采用周向均布的14個螺釘固定在所述軸承座安裝邊上，所述導流板與軸承座安裝邊形成冷氣腔A，所述導流板與渦輪盤形成冷氣腔B，所述大彎管與渦輪導向器內環形成狹窄環縫冷氣腔C，所述導向器內環安裝邊與導流板外緣前凸塊形成冷氣腔D，所述導流板外緣結構有與發動機軸線平行的翻邊，與導向器、渦輪葉片緣板形成魚嘴封嚴腔E，所述大彎管與所述軸承座安裝邊形成冷氣腔F，所述渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽形成冷氣通道G，其中
[0008]所述導流板內環結構有臺階式刀片封嚴齒，與渦輪盤前端臺階面形成封嚴結構，所述軸承座安裝邊、大彎管、導流板的螺釘孔附近結構有圓形節流孔，所述大彎管及所述渦輪導向器內環結構有冷卻氣膜孔，
[0009]所述冷氣腔A中的氣體為引自壓氣機的冷卻氣體，通過所述導流板內環臺階式刀片封嚴結構進入所述冷氣腔B，
[0010]所述冷氣腔F中的氣體為燃燒室二股氣流，一部分通過所述圓形節流孔進入所述冷氣腔B，另一部分通過所述大彎管冷卻氣膜孔進入冷氣腔C，進而通過所述導向器內環氣膜孔進入冷氣腔D，最后通過所述導流板外緣前凸塊與所述導向器內環形成的環形縫隙進入魚嘴封嚴腔E排入主流，
[0011 ] 所述冷氣腔A和F的冷氣在B腔匯合后，一部分通過魚嘴封嚴腔E進入主流道，一部分進入榫頭榫槽之間冷氣通道G。
[0012]優選地，所述導流板與軸承座安裝邊通過圓柱面止口定心，所述渦輪導向器通過內環周向均布的凸塊與導流板前端面均布的槽配合進行定位、傳扭，同時這種定位方式使渦輪導向器在熱態能夠自由膨脹，減小了渦輪導向器內部熱應力，防止導向器出現裂紋。
[0013]優選地，所述導流板臺階式刀片封嚴結構位于導流板較低半徑處，使進入盤腔的冷氣在旋轉渦輪盤摩擦栗效應下向盤緣流動，從而對整個渦輪盤面進行充分冷卻。
[0014]優選地，所述導流板臺階式刀片封嚴齒數為2，封嚴半徑間隙為0.7?0.75mm，齒寬度為0.47?0.5mm，齒高度為1.6?2mm，齒間距為4.7?5mm，臺階半徑差為3.2?3.5mm，通過該封嚴結構能夠合理控制進入渦輪盤腔的冷卻氣量。
[0015]優選地，所述導流板節流圓孔位于導流板較高半徑處，以使該股氣流快速冷卻榫頭榫槽，圓孔直徑為1.7?2mm，孔數為3?5個。
[0016]優選地，所述導流板外緣翻邊寬度為7.5?7.6mm，寬度選取一方面要保證與導向器、渦輪葉片緣板形成有效魚嘴封嚴腔，另一方面要避免太長，與渦輪盤發生刮磨危險。
[0017]進一步地，所述導流板臺階齒之間倒圓半徑2.3?2.5mm，導流板臺階齒與定位止口之間通過下錐段(與發動機軸線成84°?86°)、上錐段(與發動機軸線成54°?56°)連接，下錐段與上錐段厚度為1.4?1.5mm，下錐段與上錐段連接處倒圓半徑為9?10mm，上錐段與止口連接處倒圓半徑為9?10mm，使得導流板具有較好的剛性，消除流動死角，避免發生振動和刮磨危險。
[0018]本發明的具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，尤其適用于高性能航空發動機渦輪盤前腔結構。與現有渦輪盤前腔導流板結構比較，本發明的封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構具有以下優點:①在渦輪盤腔設置型面圓滑過渡的導流板，使得冷卻氣體在渦輪盤腔的流通面積大為縮小，并大致沿著渦輪盤表面流動，減少渦輪盤對最小冷卻流量的需求，有利于發動機效率提高;②通過導流板將進入渦輪盤腔的冷氣分為三股:一股從較低半徑處經過刀片式封嚴結構進入渦輪盤腔，主要對渦輪盤起冷卻作用；一股經過較高半徑處圓形節流孔，主要對榫頭榫槽起冷卻作用；一股經過更高半徑處的導流板前緣凸塊與導向器形成的環縫，主要起補充封嚴作用;獨立氣路設計減少了流路之間的相互干擾，使得冷卻和封嚴更加可靠;③導流板外緣翻邊與導向器、渦輪葉片緣板形成的魚嘴結構，減少了在封嚴處冷卻氣體從盤腔進入主流道的阻力，增大了主燃氣進入盤腔的阻力，減少了發生燃氣入侵的可能性，提高了封嚴性能;⑤將刀片式封嚴結構設置在靜子件導流板上，長期工作磨損后方便更換。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構示意圖。
[0020]圖2(A)為本發明的具有封嚴及冷卻導流板的二維結構示意圖，圖2(B)為導流板的三維結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明并不局限于以下實施例。
[0022]需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。
[0023]圖1、2為一種典型渦扇發動機采用本發明的具有封嚴和冷卻導流板的渦輪盤腔結構時的情形，該渦輪盤腔結構包括大彎管1、渦輪導向器2、導流板3、渦輪盤4、渦輪葉片5、軸承座安裝邊6，導流板3與軸承座安裝邊6形成冷氣腔A，導流板3與渦輪盤4形成冷氣腔B，大彎管I與渦輪導向器2內環形成狹窄環縫冷氣腔C，渦輪導向器2的內環安裝邊與導流板3的外緣前凸塊形成冷氣腔D，導流板3的外緣還設置有與發動機軸線平行的翻邊，與渦輪導向器2、渦輪葉片5的緣板形成魚嘴封嚴腔E，大彎管I與軸承座安裝邊6形成冷氣腔F，渦輪葉片5的榫頭與渦輪盤4的榫槽之間形成冷氣通道G。
[0024]冷氣腔A中的氣體為引自壓氣機的冷卻氣體，通過刀片式封嚴結構30進入冷氣腔B;冷氣腔F中的氣體為燃燒室二股氣流，一部分通過圓形節流孔38進入冷氣腔B，另一部分通過大彎管冷卻氣膜孔7進入冷氣腔C，進而通過導向器內環氣膜孔8進入冷氣腔D，最后通過導流板外緣前凸塊與導向器內環形成的環形縫隙9進入魚嘴封嚴腔E排入主流;冷氣腔A和F的冷氣在B腔匯合后，一部分通過魚嘴封嚴腔E進入主流道，一部分進入榫頭榫槽之間冷氣通道G。
[0025]大彎管1、渦輪導向器2、導流板3采用周向均布的14個螺釘固定在軸承座安裝邊6上，導流板3與軸承座安裝邊6通過圓柱面止口 10定心，渦輪導向器2通過內環周向均布的凸塊與導流板前端面均布的槽40配合進行定位、傳扭，同時這種定位方式使渦輪導向器在熱態能夠自由膨脹，減小了渦輪導向器內部熱應力，防止導向器出現裂紋。
[0026]導流板臺階式刀片封嚴結構30位于導流板較低半徑處，使進入盤腔的冷氣在旋轉渦輪盤摩擦栗效應下向盤緣流動，從而對整個渦輪盤面進行充分冷卻。導流板臺階式刀片封嚴齒數為2，封嚴半徑間隙為0.7?0.75mm，齒寬度為0.47?0.5mm，齒高度為1.6?2mm，齒間距為4.7?5mm，臺階半徑差為3.2?3.5mm，通過該封嚴能夠合理控制進入渦輪盤腔的冷卻氣量。導流板節流圓孔39位于導流板較高半徑處，以使該股氣流快速冷卻榫頭榫槽，圓孔直徑為1.7?2mm，孔數為3?5個。導流板外緣翻邊寬度33為7.5?7.6mm，寬度選取一方面要保證與導向器、渦輪葉片緣板形成有效魚嘴封嚴腔，另一方面要避免太長，與渦輪盤發生刮磨危險。導流板臺階齒之間倒圓半徑38為2.3?2.5mm，導流板臺階齒與定位止口之間通過下錐段31(與發動機軸線成84°?86°)、上錐段32(與發動機軸線成54°?56°)連接，下錐段31與上錐段32厚度為1.4?1.5mm，下錐段31與上錐段32連接處倒圓半徑36為9?10mm，上錐段32與止口 34連接處倒圓半徑35為9?1mm，使得導流板3具有較好的剛性，消除了流動死角，避免發生振動和刮磨危險。
[0027]此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發明專利構思所述構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發明專利的保護范圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種具有封嚴及冷卻導流板的渦輪盤腔結構，包括大彎管、渦輪導向器、導流板、渦輪盤、渦輪葉片、軸承座安裝邊，其特征在于， 所述大彎管、渦輪導向器、導流板采用周向均布的螺釘固定在所述軸承座安裝邊上;所述導流板與軸承座安裝邊形成冷氣腔A;所述導流板與渦輪盤形成冷氣腔B;所述大彎管與渦輪導向器內環形成狹窄環縫冷氣腔C;所述導向器的內環安裝邊與導流板外緣前凸塊形成冷氣腔D;所述導流板外緣設置有與發動機軸線平行的翻邊，所述翻邊與渦輪導向器、渦輪葉片緣板形成魚嘴封嚴腔E;所述大彎管與所述軸承座安裝邊形成冷氣腔F;所述渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽形成冷氣通道G，其中， 所述導流板內環設置有臺階式刀片封嚴齒，與渦輪盤前端臺階面形成封嚴結構，所述軸承座安裝邊、大彎管、導流板的螺釘孔附近設置有圓形節流孔，所述大彎管及渦輪導向器內環設置有冷卻氣膜孔， 所述冷氣腔A中的氣體為引自壓氣機的冷卻氣體，通過所述導流板內環臺階式刀片封嚴結構進入所述冷氣腔B， 所述冷氣腔F中的氣體為燃燒室二股氣流，一部分通過所述圓形節流孔進入所述冷氣腔B，另一部分通過所述大彎管冷卻氣膜孔進入冷氣腔C，進而通過所述導向器內環氣膜孔進入冷氣腔D，最后通過所述導流板外緣前凸塊與所述導向器內環形成的環形縫隙進入魚嘴封嚴腔E排入主流， 所述冷氣腔A、F的冷氣在冷氣腔B匯合后，一部分通過魚嘴封嚴腔E進入主流道，一部分進入榫頭榫槽之間冷氣通道G。2.根據權利要求1所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述導流板與軸承座安裝邊通過圓柱面止口定心，所述渦輪導向器通過內環周向均布的凸塊與導流板前端面均布的槽配合進行定位、傳扭。3.根據權利要求1所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述的導流板臺階式刀片封結構位于導流板較低半徑處，使進入渦輪盤腔的冷氣在旋轉渦輪盤摩擦栗效應下向盤緣流動，從而對整個渦輪盤面進行充分冷卻。4.根據權利要求3所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述導流板臺階式刀片封嚴齒，其封嚴齒數為2，封嚴半徑間隙為0.7?0.75mm，齒寬度為0.47?0.5mm，齒高度為I.6?2mm，齒間距為4.7?5mm，臺階半徑差為3.2?3.5mm。5.根據權利要求1所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述導流板節流圓孔位于導流板較高半徑處，以使該股氣流快速冷卻榫頭榫槽，圓孔直徑為1.7?2mm，孔數為3?5個。6.根據權利要求1所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述導流板外緣的翻邊寬度為7.5?7.6mm，寬度選取一方面要保證與導向器、渦輪葉片緣板形成有效魚嘴封嚴腔，另一方面要避免太長，與渦輪盤發生刮磨危險。7.根據權利要求1所述的渦輪盤腔結構，其特征在于，所述導流板臺階齒之間倒圓半徑為2.3?2.5mm，導流板臺階齒與定位止口之間通過下錐段(與發動機軸線成84°?86° )、上錐段(與發動機軸線成54°?56°)連接，下錐段與上錐段厚度為1.4?1.5mm，下錐段與上錐段連接處倒圓半徑為9?10mm，上錐段與止口連接處倒圓半徑為9?10mm，使得導流板具有較好的剛性，消除流動死角，避免發生振動和刮磨危險。
【文檔編號】F01D11/00GK106089312SQ201610617456
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610617456.1, CN 106089312 A, CN 106089312A, CN 201610617456, CN-A-106089312, CN106089312 A, CN106089312A, CN201610617456, CN201610617456.1
【發明人】黃恩亮, 龔建波, 胡嘉麟, 雷志軍, 王沛
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所