一种全疆域适用的燃气涡轮的制作方法

1.本发明属于燃气涡轮技术领域，特别涉及一种全疆域适用的燃气涡轮。


背景技术：

2.燃气涡轮是航空燃气涡轮轴发动机的核心部件之一，是将高温、高压燃气的能量转变为动能和机械能的叶轮机械。燃气涡轮由导向器、转子及燃气涡轮外环构成。高温、高压燃气从燃气涡轮进口流经导向叶片转弯膨胀，将燃气势能转换成燃气动能，高速燃气通过燃气涡轮转子驱动工作叶片旋转发出机械功，并由燃气涡轮轴传递给压气机进行空气压缩。燃气涡轮设计的优劣决定了航空发动机整体设计水平，其发展水平对航空发动机的研制有着至关重要的作用。
3.航空发动机设计主要目标之一是性能良好、可靠性好，同时要求成本低。发动机燃气涡轮进口温度越高，其耗油率越低，但为确保燃气主流道的导向器和导向叶片在材料耐温能力范围内安全可靠的工作，导向器和导向叶片常采用温度相对较低的高压空气(简称冷气)对其内部和外部进行冷却，从而降低这两种零件的温度。
4.目前，常规的燃气涡轮导向叶片采用单联或多联设计，由单片叶片或者2～4联叶片通过螺栓安装在连接器上组成整环导向器，叶片采用气膜冷却，其冷气消耗量大，叶片与叶片流道之间预留一定的安装间隙并通过封严片进行封严，连接及封严机构设计复杂，零件数量大幅增加，且工作叶片前缘和中弦区域一般常内部多腔回流的冷却结构，叶身及尾缘采取小孔冷却结构，气动性能较差，在沙尘环境中容易发生堵塞，在盐碱环境中容易发生盐粒堆积，进而引起叶片烧蚀，燃气涡轮可靠性降低；工作叶片采用冷却之后，需相应增加燃气涡轮盘腔的压力以实现对工作叶片供气冷却，需将盘腔的转静封严间隙控制在较小的范围内(一般为0.2mm左右)以提升盘腔压力并减少盘腔的冷气通过盘腔轮缘泄漏进入燃气主流道，增加了转静子碰摩的风险；燃气涡轮采用冷却叶片设计时，起动过程中将有较大占比(高达20％左右)的冷气不能有效地驱动燃气涡轮作功，特别是在高原环境下空气稀薄发动机起动困难，进一步增加发动机起动设计的技术风险。同时由于叶片冷却结构复杂，导致发动机制造成本的大幅增加。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种全疆域适用的燃气涡轮，所述燃气涡轮包括一级燃气涡轮；
6.所述一级燃气涡轮包括有一级导向器；所述一级导向器包括内环、外环以及导向叶片，其中，
7.所述导向叶片设于内环以及外环之间，其中，
8.所述外环的外壁上开设有敞口，所述导向叶片的尾缘开设有偏劈缝，所述导向叶片的内腔设有冲击加扰流结构。
9.进一步的，所述内环的内侧壁上开设有应力释放槽。
10.进一步的，所述导向叶片为多个，多个所述导向叶片沿内环等距分布。
11.进一步的，所述冲击加扰流结构包括有冲击管以及多个扰流柱，所述冲击管以及多个扰流柱均设于导向叶片的内部，所述敞口与冲击管相通。
12.进一步的，所述一级燃气涡轮还包括有一级转子，所述一级转子包括有涡轮盘以及设在涡轮盘上的工作叶片，其中，
13.所述工作叶片有多个，多个所述工作叶片等距分布。
14.进一步的，所述工作叶片的叶身表面喷涂非金属涂层，涂层粗糙度小于ra.5。
15.进一步的，所述工作叶片包括有叶底以及叶身，其中，
16.所述叶身设于叶底上，所述叶底安装在涡轮盘上。
17.进一步的，所述涡轮盘上开设有榫槽，所述叶底安装在榫槽中。
18.进一步的，所述叶身的顶部开设有凹槽。
19.进一步的，所述叶身为曲面板结构，所述叶身内侧为凹面。
20.进一步的，所述叶底上开设有阻尼卡槽，每两个所述阻尼卡槽之间安装一个阻尼片。
21.进一步的，所述导向叶片的一端与内环一体铸造成型，导向叶片的另一端与外环之间一体铸造成型。
22.本发明提供的一种全疆域适用的燃气涡轮，通过燃气涡轮的气动、结构及冷却设计进行优化组合，有效提升燃气涡轮部件平原、高原高效工作范围，改善发动机高原起动性能，减低海洋、砂尘、盐碱等复杂服役环境燃气涡轮故障率，适用于全疆域的1600kw～2200kw涡轴发动机。
23.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
24.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一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了根据本发明实施例的燃气涡轮部分结构剖面图。
26.图2示出了根据本发明实施例的一级导向器的结构示意图。
27.图3示出了根据本发明实施例的一级转子的结构示意图。
28.图4示出了根据本发明实施例的工作叶片的结构示意图。
29.图5示出了根据本发明实施例的冲击加扰流结构的结构示意图。
30.图6示出了根据本发明实施例的燃气涡轮进口温度径向分布曲线及包容线图。
31.图7示出了根据本发明实施例的榫槽。
32.图中：1、一级导向器，2、内环，3、外环，4、导向叶片，5、敞口，6、偏劈缝，7、应力释放槽，8、一级转子，9、涡轮盘，10、工作叶片，11、阻尼卡槽，12、阻尼片，13，叶底、14、叶身，15、凹槽，16、榫槽，17、缘板部，18、榫头，19、涡轮盘孔，20、圆形槽，21、u型凸起，22、卡齿，23、透
孔，24、弧形开口，25、凹槽圈，26、第一延伸板，27、第二延伸板，28、冲击管，29、扰流柱，30、冲击孔，31、隔板，32、肋条，33、二级导向器，34、二级转子，35、燃气涡轮外环，36、u型槽，37、连接板，38、l型弯折板，39、插板。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地说明，显然，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。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。
34.本发明提供了一种全疆域适用的燃气涡轮，如图1所示的，燃气涡轮包括一级燃气涡轮和二级燃气涡轮，一级燃气涡轮包括有一级导向器1以及一级转子8。
35.对于一级导向器1，采用整环冷却设计，如图2所示的，具体的：
36.一级导向器1包括内环2、外环3以及导向叶片4，导向叶片4设于内环2以及外环3之间，导向叶片4的一端与内环2一体铸造成型，导向叶片4的另一端与外环3之间一体铸造成型。
37.在本实施例中，导向叶片4为多个，多个导向叶片4沿内环2的等距分布，外环3的外壁上开设有敞口5(外环3为向内凹)，导向叶片4的尾缘开设有偏劈缝6，导向叶片4的内腔内设有冲击加扰流结构，在向敞口5中通入冷气后，冷气在冲击加扰流结构的作用下，通过偏劈缝6流出，带走导向叶片4的热量，从而对导向叶片4具有更好的冷却作用。
38.如图5所示的，冲击加扰流结构包括有冲击管28以及多个扰流柱29，冲击管28以及多个扰流柱29均设于导向叶片4的内部，敞口5与冲击管28相通，其中，冲击管28的截面形状与导向叶片4的前缘和中弦的形状相适配，冲击管28内开设有多个冲击孔30，冲击管28通过多个冲击孔30与导向叶片4的内部相通，多个扰流柱29位于冲击管28的一侧并靠近导向叶片4的尾缘设置，导向叶片4尾缘处设有一隔板31，隔板31将导向叶片4的内壁与偏劈缝6隔开，隔板31上开设有多个窗口，偏劈缝6通过多个窗口与冲击管28相通。
39.带走导向叶片4的冷气可以从偏劈缝6流出，且此时的冷气可以持续覆盖在导向叶片4的尾缘外表面，从而形成冷气膜保护。
40.综上可知，本实施例中的一级导向器1采用的整环设计(即导向叶片4的一端与内环2一体铸造成型，导向叶片4的另一端与外环3之间一体铸造成型)，安装结构简单，在一级导向器1采用整环设计初步加工后，导向叶片4的叶型与导向叶片4的理论叶型有偏差，通过平移和扭转导向叶片4来缩小这种偏差，但是在平移和扭转导向叶片4后，导向叶片4会与导向叶片4的理论叶型还会有一个最小二乘法的偏差，该偏差可控制在正负30’(1度＝60分)以内，分散度小。
41.内环2的内侧壁上开设有应力释放槽7，应力释放槽7是半通式的，即该应力释放槽7并未将内环2分成两段，这样，在内环2受到应力的时候，应力释放槽7相当于提供一个变形缓冲的区间，防止在内环2受到应力后，内环2发生形变，从而也防止了导向叶片4的变形，保护了导向叶片4，优选的，应力释放槽7有3～8个，3～8个应力释放槽7等距开设在内环2的内侧壁上，因此，通过设置的应力释放槽7，既能避免一级导向器1的导向叶片4之间的台阶(该台阶是由于加工公差，每两个导向叶片4之间存在高低不同，而产生的一个台阶)及流道(内
环2的外表面和外环的内表面，与气流直接接触的地方，为流道)产生燃气泄漏，有效提升高原起动及性能，气动性能好，又能有效释放内环2与外环3由于温度梯度产生的热应力，避免一级导向器1热裂纹，提高可靠性。内环2上还设有多个透孔23。
42.在本实施例中，对于一级转子8，如图3所示的，具体的：
43.一级转子8包括有涡轮盘9以及设在涡轮盘9上的工作叶片10(宽弦后加载叶片)，工作叶片10有多个，且多个工作叶片10等距分布。
44.对于工作叶片10，如图4所示的，工作叶片10包括有叶底13以及叶身14，叶身14设于叶底13上，叶底13安装在涡轮盘9上。而对于叶底13，叶底13包括有缘板部17以及榫头18，缘板部17设于榫头18的上方且与榫头18一体铸造成型，叶身14与缘板部17是一体铸造成型的。
45.叶底13上开设有阻尼卡槽11，具体的，阻尼卡槽11开设在缘板部17的一侧侧面，每两个阻尼卡槽11之间安装一个阻尼片12。而对于阻尼片12的结构，如图3所示的，阻尼片12为鞋拔型结构，且阻尼片12的两侧侧壁均开设有两个弧形开口24，设置弧形开口24，阻尼片12在挤压下可变形。通过阻尼片12，在发动机工作过程中可利用离心力与工作叶片10的缘板部17产生摩擦，抑制工作叶片10的振动幅度，改善工作叶片10在全疆域复杂环境内的振动特性，提高可靠性。
46.对于涡轮盘9，如图3所示的，涡轮盘的中心处开设有涡轮盘孔19，涡轮盘孔19是为了安装转子主轴。如图7所示的，涡轮盘9上开设有榫槽16，具体的是榫槽16开设在涡轮盘9的外周围侧壁上，榫槽16有多个(与工作叶片10的数量相等)且等距分布。对于叶底13安装在涡轮盘9上，具体的，榫头18呈倒立的枞树形态，榫槽16的形状与榫头18的对应相适配，榫头18能卡在榫槽16内。
47.另外，涡轮盘9的外壁上还开设有圆形槽20以及凹槽圈25，凹槽圈25设在圆形槽20的外围，涡轮盘孔19开设在圆形槽20的中心处，圆形槽20内设有u型凸起21，u型凸起21有5个，5个u型凸起21等距分布，圆形槽20内还有设有一圈卡齿22。
48.对于叶身14，采用三维变壁厚凹槽设计，即叶身14的顶部开设有凹槽15，该凹槽15两侧为肋条状(即叶身14的顶部有两条肋条32)，优选的，凹槽15的深度约占叶底13高度的三分之一，凹槽15为弧形形状，发动机工作时气流可在叶身14的顶部及凹槽15内形成一系列的漩涡，对泄漏流起到阻碍，减少叶身14泄漏损失、降低工作叶片10的榫头18应力，提升工作叶片10的寿命，结构简单、工艺性良好。
49.另外，本实施例中的叶身14为曲面板结构，叶身14内侧为凹面。叶身14以及叶底13上均喷涂有非金属抗腐蚀性涂层，叶底13的缘板部17顶部向外横向延伸有第一延伸板26，缘板部17的一侧侧壁上向外横向延伸有第二延伸板27，第一延伸板26以及第二延伸板27分别位于阻尼卡槽11的两侧。
50.本实施例中，一级导向器1采用冲击加扰流强化复合冷却，工作叶片10无冷却，起动过程中，燃气涡轮的漏气量可控制在6％以内，改善了全飞行包线内的发动机起动性能；工作叶片10的表面粗糙度小于ra1.5，气动性能优良，海洋环境、盐碱环境下不易发生堆积、堵塞，工作叶片10抗腐蚀性良好。
51.另一方面，燃气涡轮进口径向分布采用定制曲线及包容线控制，如图6所示的，并对一级燃气涡轮采用低的反力度设计，反力度控制在0.30～0.40范围内，增大导向叶片4出
口马赫数从而实现工作叶片10表面峰值温度控制，在工作叶片10不冷却设计的前提下将一级燃气涡轮的进口温度提高至不低于1530k(k是开尔文温度)。
52.另外需要注意的是，燃气涡轮还包括有二级燃气涡轮以及燃气涡轮外环35，燃气涡轮外环35的前端为进口，燃气涡轮外环35的后端为出口，二级燃气涡轮包括有二级导向器33以及二级转子34，一级转子8、二级导向器33、二级转子34均设在燃气涡轮外环35内，且一级导向器1、一级转子8、二级导向器33、二级转子34依次从燃气涡轮外环35的前端向燃气涡轮外环35的后端分布；一级导向器1的结构与二级导向器33的结构有所区别，二级导向器33中的导向叶片4没有偏劈缝6以及扰流柱29；一级转子8与二级转子34有所区别，二级转子34的导向叶片4的数量与一级转子的导向叶片数量不同。
53.具体的，一级导向器1上设有u型槽36，燃气涡轮外环35的内壁设有连接板37，连接板37与u型槽36之间密封接触；二级导向器33上设有l型弯折板38，燃气涡轮外环35的内壁设有插板39，插板39上开设有插孔，l型弯折板38的插入插孔中。
54.对于导向叶片4的冷却，其原理如下：
55.在向敞口5中通入冷气后，冷气冲击冲击管28，冷气会从冲击管28的多个冲击孔30流出冲击管28并进入导向叶片4的内腔后冲击多个扰流柱29，此后，冷气会通过多个窗口从偏劈缝6中流出，从而带走导向叶片4的热量，从偏劈缝6中流出的冷气会在导向叶片4的尾缘外表面形成冷气膜保护，一级导向器的冷气需求量可控制在3％以内。
56.对于一级转子8的振动缓冲，其原理如下：
57.在发动机工作过程中，一级转子8转动，在离心力的作用下，阻尼片12与两个工作叶片10的缘板部17之间产生摩擦，从而抑制整个工作叶片10的振动幅度，改善工作叶片10在全疆域复杂环境内的振动特性。
58.对于叶身14的防泄漏，其原理如下：
59.发动机在工作时，可在叶身14的顶部及凹槽15内形成一系列的漩涡，对泄漏流起到阻碍，减少叶身14泄漏损失、降低工作叶片10的榫头18应力，从而能提升工作叶片10的寿命。
60.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。