一种冷却增强装置、包括其的涡轮部件和航空发动机或者燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及涡轮机领域，特别涉及一种冷却增强装置、包括其的涡轮部件和航空发动机或者燃气轮机。


背景技术：

2.由于涡轮盘长期工作在严苛的热、旋转离心负荷下，为了保证发动机在服役期内的可靠性和寿命，涡轮盘的热管理是设计工作中的一个重点问题，合适的冷却方案是设计者必须要考虑的。目前，涡轮盘主要通过从压气机引来的冷却空气进行吹风冷却，冷却空气从压气机引入后到达转-转盘腔，在转-转盘腔冷却后通过挡板或其他结构到达榫头榫槽区域或流经其他结构汇入主流。
3.涡轮转子原有的冷却方案（如图1所示），由压气机引入的冷却空气7经第一级涡轮盘1盘心流入第一级涡轮盘1，第二级涡轮盘6形成的转-转盘腔2，进而对盘腔2以及榫头区域4进行冷却，但此方案对第一级涡轮盘的悬臂3冷却效果有限，主要原因是冷却气流沿着流程流动会有总压的降低，且盘腔靠近轮盘悬臂位置处气体流动效果不明显；而轮盘悬臂结构一般设计的较薄，在热载荷和离心载荷的影响下，悬臂结构会有较大的“桶形”变形和过高的热应力产生，情况严重时转、静子处封严结构会有碰磨，大大影响了转子级间的封严效果，进而对涡轮部件的工作状态造成不利影响；此外，过高的热应力对于转子强度也是不利的。
4.在这样的前提下，如果要增强悬臂处的冷却效果，可以通过增加从压气机引来的冷却气量的方式，但这势必会影响到整机的性能，所以本发明以通过不增加引气量的方式改善冷却效果。


技术实现要素：

5.本专利要保护的关键点为一种涡轮盘悬臂结构的冷却方法，以及一种用于涡轮盘悬臂结构的冷却装置，任何依据本专利构思所变换的方案均应在本专利保护的范围内，可用于航空发动机或者燃气轮机。
6.一种冷却增强装置，包括在转-转盘腔中固定到第二级涡轮盘上的通过连接装置连接在一起的第一级涡轮盘法兰和在所述第一级涡轮盘法兰与所述第二级涡轮盘之间的挡板，其特征在于，在所述第一级涡轮盘法兰的远离该第二级涡轮盘的一侧连接有第二法兰，在所述第二法兰上固定有与轮盘悬臂平行的冷却环以形成第一引导通道，从而引导所述盘腔内的冷却空气流经所述第一引导通道，冷却轮盘悬臂并到达在所述第二级涡轮盘上的榫槽区域。
7.根据本发明的一个优选实施例，在所述冷却环上设有硬度低于所述第一级涡轮盘悬臂的鳍片。
8.根据本发明的一个优选实施例，在所述第一级涡轮盘法兰和所述挡板上设有通孔
以形成引导冷却空气的第二引导通道。
9.根据本发明的一个优选实施例，所述第二级涡轮盘与所述挡板之间设置通气槽以形成引导冷却空气的第三引导通道。
10.根据本发明的一个优选实施例，所述鳍片、第一通道和所述第二通道沿发动机的轴线布置。
11.根据本发明的一个优选实施例，所述连接装置为螺栓。
12.根据本发明的一个优选实施例，所述转-转盘腔由所述第一级涡轮盘、所述第二级涡轮盘和连接所述第一级涡轮盘和所述第二级涡轮盘的第一级涡轮盘悬臂形成。
13.本发明还涉及一种涡轮部件，其特征在于，包括根据上述的冷却增强装置。
14.优选地，包括涡轮盘和与所述涡轮盘榫接的叶片。
15.本发明还涉及一种航空发动机或者燃气轮机，其特征在于，包括上述的涡轮部件。
16.涡轮部件是航空发动机的主要部件之一，它是将高温高压燃气位能转化为机械能以驱动风扇、压气机、螺旋桨、直升机旋翼以及附件系统的透平装置，其工作环境极为恶劣，而随着航空发动机性能的提升，对于涡轮部件的要求越来越严苛，除了需要选择合理的材料以外，适当的冷却方式、冷却流路对于涡轮工作环境的改善有重要的作用，对于航空发动机服役期内的寿命，可靠性与性能的提升同样有着重要影响。
17.本发明结构简单，易于实现，在不需要增加冷却气量的情况下提升了涡轮盘转-转盘腔的冷却效率，强化了涡轮盘腔内部的冷却效果，对于涡轮盘悬臂的“桶形”变形以及热应力状态改善起到积极的作用，进而增加了发动机运行的安全性、稳定性。
附图说明
18.图1为现有技术的冷却结构；
19.图2和图3分别示出了本发明的冷却增强装置的视图。
具体实施方式
20.如图2和3所示，一种冷却增强装置100，包括在盘腔102中固定到第二级涡轮盘106上的通过连接装置1061连接在一起的第二法兰12和在所述第一级涡轮盘法兰1063与所述第二级涡轮盘106之间的挡板1062，在所述第一级涡轮盘法兰1063的远离该第二级涡轮盘106的一侧连接有第二法兰12，在所述第二法兰12上固定有与轮盘悬臂103平行的冷却环11以形成第一引导通道，从而引导所述盘腔内的冷却空气流经所述第一引导通道，冷却轮盘悬臂103，并到达在所述第二级涡轮盘上的榫头区域104。
21.如图2和3所示，根据本发明的一个优选实施例，在所述冷却环11上设有硬度低于所述轮盘悬臂103的鳍片10。
22.如图2和3所示，根据本发明的一个优选实施例，在所述第一级涡轮盘法兰1063和所述挡板1062上设有通孔以形成引导冷却空气的第二引导通道。
23.如图2和3所示，根据本发明的一个优选实施例，所述第二级涡轮盘106与所述挡板1062之间设置间隙以形成引导冷却空气的第三引导通道。
24.根据本发明的一个优选实施例，所述鳍片、第一通道和所述第二通道沿发动机的轴线布置。
25.如图3所示，根据本发明的一个优选实施例，所述连接装置为螺栓1061。
26.根据本发明的一个优选实施例，所述盘腔由所述第一级涡轮盘、所述第二级涡轮盘和连接所述第一级涡轮盘和所述第二级涡轮盘的第一级涡轮盘悬臂形成。
27.本发明还涉及一种涡轮部件，其特征在于，包括根据上述的冷却增强装置。
28.优选地，包括涡轮盘和与所述涡轮盘榫接的叶片。
29.本发明还涉及一种航空发动机或者燃气轮机，包括上述的涡轮部件。
30.本发明的涡轮盘悬臂结构的冷却装置（如图2所示）具有在挡板上开设的空气系统孔8，在第一级涡轮盘法兰开设的空气系统孔9，沿冷却环11设置的鳍片10，以及将整个结构连接到转子系统的法兰12.空气系统孔8、9和鳍片10沿着发动机轴线均布，鳍片10材料的硬度低于第一级涡轮盘悬臂3，这样鳍片和第一级涡轮盘悬臂接触后不至于第一级涡轮盘悬臂的磨损，10也可以不做为必须设置的部分，但冷却悬臂11和第一级涡轮盘悬臂的缝隙须通过其他方式保证。冷却装置通过螺栓安装到涡轮转子上，对于原有的装配不会造成影响，冷却装置是一个独立的装置, 如有损坏也可单独取下, 维修方便。整个冷却装置改变了原有的冷却通道（如图3所示），在原有冷却方案的基础上，冷却气流的流向将由冷却装置引导，冷却气流流过冷却装置可以进一步提升冷却效率，这样涡轮盘悬臂上由于热载荷引起的变形将进一步降低，热应力状态也将改善。
31.以上通过附图示例性说明了本发明的技术原理和构思，但并不限制本发明的保护范围，只要在权利要求书的保护范围内，本领域技术人员可以做出任何改进、组合。


技术特征：
1.一种冷却增强装置，包括在转-转盘腔中固定到第二级涡轮盘上的通过连接装置连接在一起的第一级涡轮盘法兰和在所述第一级涡轮盘法兰与所述第二级涡轮盘之间的挡板，其特征在于，在所述第一级涡轮盘法兰的远离该第二级涡轮盘的一侧连接有第二法兰，在所述第二法兰上固定有与轮盘悬臂平行的冷却环以形成第一引导通道，从而引导所述盘腔内的冷却空气流经所述第一引导通道，冷却轮盘悬臂并到达在所述第二级涡轮盘上的榫槽区域，所述第一法兰属于第一级涡轮盘的一部分。2.根据权利要求1所述的冷却增强装置，其特征在于，在所述冷却环上设有硬度低于所述轮盘悬臂的鳍片。3.根据权利要求2所述的冷却增强装置，其特征在于，在所述第一法兰和所述挡板上设有通孔以形成引导冷却空气的第二引导通道。4.根据权利要求3所述的冷却增强装置，其特征在于，所述第二级涡轮盘与所述挡板之间设置通气槽以形成引导冷却空气的第三引导通道。5.根据权利要求4所述的冷却增强装置，其特征在于，所述鳍片、第一通道和所述第二通道沿发动机的轴线布置。6.根据权利要求5所述的冷却增强装置，其特征在于，所述连接装置为螺栓。7.根据权利要求6所述的冷却增强装置，其特征在于，所述转-转盘腔由所述第一级涡轮盘、所述第二级涡轮盘和连接所述第一级涡轮盘和所述第二级涡轮盘的第一级涡轮盘悬臂形成。8.一种涡轮部件，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的冷却增强装置。9.根据权利要求8所述的涡轮部件，其特征在于，包括涡轮盘和与所述涡轮盘榫接的叶片。10.一种航空发动机或者燃气轮机，其特征在于，包括根据权利要求7或者8所述的涡轮部件。

技术总结
一种冷却增强装置，包括在转-转盘腔中固定到第二级涡轮盘上的通过连接装置连接在一起的第一级涡轮盘法兰和在所述第一级涡轮盘法兰与所述第二级涡轮盘之间的挡板，其特征在于，在所述第一级涡轮盘法兰的远离该第二级涡轮盘的一侧连接有第二法兰，在所述第二法兰上固定有与轮盘悬臂平行的冷却环以形成第一引导通道，从而引导所述盘腔内的冷却空气流经所述第一引导通道，冷却轮盘悬臂并到达在所述第二级涡轮盘上的榫槽区域，所述第一法兰属于第一级涡轮盘的一部分。一级涡轮盘的一部分。一级涡轮盘的一部分。


技术研发人员：王治国 濮睿德 李坤廷
受保护的技术使用者：北京南方斯奈克玛涡轮技术有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/6