一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却结构及方法与流程

1.本发明属于涡轮发动机技术领域，特别涉及一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却结构及方法。


背景技术：

2.常规的通过级间支板的发动机高低压轴承冷却与封严引气方案如图1所示，高压涡轮后级间的封严气，一部分用于高压盘后封严，另一部分通过篦齿用于级间轴承座封严，并通过轴承座右侧篦齿与来自级间支板的引气掺混，用于低压盘前级间封严。
3.在常规的技术方案中，随着航空发动机热力循环参数的提高，特别是压气机增压比达到24以后，高压涡轮盘后封严气需要具备较高的引气压力，约0.8mpa，其对应引气位置温度可达450℃，并且引气通过涡轮盘心、压气机盘腔会有温升，如果采用这股高温空气直接封严轴承腔，会增加轴承座的整体温度水平，对轴承的工作带来很大的热负荷，影响轴承正常使用，同时轴承腔内滑油产生结焦风险，影响发动机正常工作。


技术实现要素：

4.针对上述问题，一方面，本发明公开了一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却结构，所述发动机高低压涡轮包括第一衬套、第二衬套和第三衬套，所述第一衬套和第三衬套之间形成第一腔，所述第二衬套和第三衬套之间形成第三腔，所述冷却结构包括：
5.内部管路，所述内部管路设置于所述发动机的机匣和第三衬套之间，用于向轴承座外部的第二腔中通入冷却气；
6.级间支板，设置于所述第一衬套、第二衬套和机匣之间，且与所述机匣之间形成第五腔，与所述第一衬套和第二衬套之间形成第四腔；
7.其中，所述级间支板包括上缘板、支板和下缘板，所述上缘板与机匣之间形成第五腔，所述下缘板与第一衬套和第二衬套之间形成第四腔，所述支板设置于所述上缘板和下缘板之间，用于支撑固定所述上缘板和下缘板；
8.所述内部管路依次穿过所述机匣、上缘板、下缘板和第三衬套，插入所述第三腔中。
9.进一步的，所述轴承座设置在旋转底座上，旋转底座朝向高压涡轮盘的一侧设为高压侧，朝向低压涡轮盘的一侧设为低压侧；
10.所述旋转底座的两侧分别通过第一篦齿和第三篦齿与第三衬套形成动密封；
11.所述轴承座的两侧分别通过碳密封和第二篦齿与旋转底座之间形成动密封；
12.所述轴承座的顶部与旋转底座和第三衬套之间构成的空间定义为第二腔。
13.进一步的，所述高压侧的第二衬套和第三衬套通过第一螺栓与第一衬套之间相互连接，低压侧的第二衬套和第三衬套之间通过第二螺栓进行固定连接。
14.进一步的，所述高压侧的旋转底座端部设有两路旁支安装板，分别通过刷封和第一篦齿与第一衬套和第三衬套之间形成动密封；
15.所述两路旁支安装板与所述第一衬套和第三衬套之间形成第一腔。
16.进一步的，高压侧的第一衬套外侧与高压涡轮盘之间形成第六腔，所述第六腔通过刷封与第一腔之间相互连通，第一腔与第四腔之间相互连通。
17.进一步的，低压侧的旋转底座与低压涡轮盘之间通过螺栓组件进行固定连接；
18.所述低压涡轮盘与第二衬套之间通过第四篦齿形成动密封；
19.所述低压侧的低压涡轮盘与第二衬套和第三衬套之间形成第七腔。
20.进一步的，所述上缘板和下缘板的中部设有开口，上缘板的顶部两侧卡接所述机匣，下缘板的底部两侧分别连接所述第一衬套和第二衬套；
21.所述支板为环形结构，且环形结构的首末端分别固定连接所述上缘板和下缘板，支板与上缘板和下缘板之间形成支板腔，所述第四腔与第五腔之间通过所述支板腔相互连通。
22.进一步的，所述支板的环形结构内壁上设有若干横向肋条。
23.进一步的，所述内部管路贯穿所述支板腔，内部管路的顶部设有安装法兰，用于将所述内部管路与所述机匣外壁面配合连接，且所述内部管路的顶部设有接口，用于接收外部气源输送的冷却气。
24.再进一步的，所述内部管路的顶部还与所述机匣的安装孔内壁形成接触密封；
25.所述内部管路的底部设为锥形，且与所述第三衬套之间配合形成锥面密封。
26.另外一方面，本发明还公开了一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却方法，所述方法包括：
27.外部气源通过接口向所述内部管路通入冷却气；
28.冷却气穿过所述内部管路进入所述第二腔中，作用在轴承座表面，进行表面吹风冷却；
29.所述冷却气一部分穿过第二腔，作用于轴承腔，进行轴承腔封严；
30.所述冷却气的另外一部分穿过第二腔，进入第七腔，进行低压涡轮盘前级间封严；
31.所述冷却气的另外一部分还穿过第二腔，进入第一腔，与第六腔流入第一腔中的高温气流掺混，依次经过第四腔和第五腔排向发动机外涵道。
32.相比于现有技术，本发明的有益效果包括：
33.1)级间支板、内部管路和第三衬套之间零件配合密封，使支板内部通道之间形成双向流动引气的设计方式，使支板内腔结构更加紧凑，大幅提高了级间支板内部通道的利用率；
34.2)通过外部单独引一股冷却气的形式满足热端部件下方轴承座的冷却与封严需求，有效降低了热端部件下方轴承座的热负荷，保证了发动机轴承正常工作；并通过刷封和第一篦齿形成卸压第一腔卸压排气的形式，使第一腔压力低于第六腔和第二腔，有效抑制高压盘后第六腔高温封严气直接进入轴承腔，带来的轴承热负荷大、滑油结焦，滑油高温升等风险；
35.3)通过支板内部通道的排气(少量第六腔泄漏高温空气和第一腔冷却气的掺混气)先用于冷却级间导向器(支板内腔壁上设置的多个横向肋条)，然后经过第五腔从机匣上直接排向发动机外涵道，增加推力，提高了发动机引气的利用效率。
36.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
37.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。
38.图1示出了根据现有技术的高低压涡轮间轴承冷却结构；
39.图2示出了根据本发明实施例的高低压涡轮间轴承冷却结构的示意图；
40.图3示出了根据本发明实施例的冷却结构的级间支板的示意图；
41.图4示出了根据本发明实施例的高低压涡轮间轴承冷却结构的气流走向示意图。
42.附图中：1、机匣；2、内部管路；3、上缘板；4、支板；5、下缘板；6、第一衬套；7、第二衬套；8、第三衬套；9、低压涡轮盘；10、高压涡轮盘；11、轴承座；12、旋转底座；13、碳密封；14、第一篦齿；15、第二篦齿；16、第三篦齿；17、第四篦齿；18、刷封；19、第一腔；20、第二腔；21、第三腔；22、第四腔；23、第五腔；24、第六腔；25、第七腔；26、o型密封圈；27、第一螺栓；28、第二螺栓；29、接口。
具体实施方式
43.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。
44.本发明提出一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却结构，所述发动机高低压涡轮包括第一衬套6、第二衬套7和第三衬套8，所述第一衬套6和第三衬套8之间形成第一腔19，所述第二衬套7和第三衬套8之间形成第三腔21，所述冷却结构包括内部管路2和级间支板。所述内部管路2设置于所述发动机的机匣1和第三衬套8之间，用于向轴承座11外部的第二腔20中通入冷却气；所述级间支板设置于所述第一衬套6、第二衬套7和机匣1之间，且与所述机匣1之间形成第五腔23，与所述第一衬套6和第二衬套7之间形成第四腔22；其中，所述级间支板包括上缘板3、支板4和下缘板5，所述上缘板3与机匣1之间形成第五腔23，所述下缘板5与第一衬套6和第二衬套7之间形成第四腔22，所述支板4设置于所述上缘板3和下缘板5之间，用于支撑固定所述上缘板3和下缘板5；所述内部管路2依次穿过所述机匣1、上缘板3、下缘板5和第三衬套8，插入所述第三腔21中。
45.参考图2所示，所述轴承座11设置在旋转底座12上，旋转底座12朝向高压涡轮盘10的一侧设为高压侧，朝向低压涡轮盘9的一侧设为低压侧；所述旋转底座12的两侧分别通过第一篦齿14和第三篦齿16与第三衬套8形成动密封；所述轴承座11的两侧分别通过碳密封13和第二篦齿15与旋转底座12之间形成动密封；所述轴承座11的顶部与旋转底座12和第三衬套8之间构成的空间定义为第二腔20。
46.所述高压侧的第二衬套7和第三衬套8通过第一螺栓27与第一衬套6之间相互连
接，低压侧的第二衬套7和第三衬套8之间通过第二螺栓28进行固定连接。所述高压侧的旋转底座12端部设有两路旁支安装板，分别通过刷封18和第一篦齿14与第一衬套6和第三衬套8之间形成动密封；所述两路旁支安装板与所述第一衬套6和第三衬套8之间形成第一腔19。
47.高压侧的第一衬套6外侧与高压涡轮盘10之间形成第六腔24，所述第六腔24通过刷封18与第一腔19之间相互连通，第一腔19与第四腔22之间相互连通。低压侧的旋转底座12与低压涡轮盘9之间通过螺栓组件进行固定连接；所述低压涡轮盘9与第二衬套7之间通过第四篦齿17形成动密封；所述低压侧的低压涡轮盘9与第二衬套7和第三衬套8之间形成第七腔25。
48.有必要说明的是，刷封18可有效降低第六腔24高温空气往第一腔19的泄漏流量，降低掺混气温度，为支板4冷却创造有利条件，同时排向外涵道空气主要来自压力更低的位置，对整机性能影响减小，通过第一篦齿14和卸压排气保证第二腔20压力高于第一腔19，第一腔19空气不会反流入第二腔20，设计上通过保证它们之间存在压差裕度。另外，所述碳密封13使用的材料包括柔性石墨密封材料、增强石墨密封材料和碳纤维复合材料。基于所述碳密封材料的自润滑性能和耐热性，碳密封材料广泛应用在航空航天领域。例如，替代一些应用于航空航天领域的石棉材料和橡胶密封材料、应用于航天发动机的涡轮泵中的高强石墨密封环等。
49.参考图2所示，所述刷封18固定安装在所述第一衬套6的底部，为一静子件，对应的所述旋转底座12为一转动件，且所述旋转底座12的旁支安装板上设有跑道，与所述刷封18形成动密封。所述第一篦齿14、第二篦齿15和第三篦齿16分别安装在所述旋转底座12上，用于与分别与第一篦齿14、第二篦齿15和第三篦齿16对应的结构件配合形成动密封。进一步来说，所述低压涡轮盘9与所述旋转底座12通过螺栓组件进行固定，即所述低压涡轮盘9与旋转底座12同为转动件，第四篦齿17安装在所述低压涡轮盘9上，与第三衬套8之间形成动密封。
50.在本发明的一个实施例中，本发明通过径向高度不同的两道第三篦齿16和第四篦齿17控制低压转子(低压涡轮盘9)前转静级间的封严气量，采用双篦齿密封设计，即使其中有一道篦齿密封失效情况下(间隙很大)，另一道篦齿也能保证低压转子前级间封严气量在合适的水平，防止由于篦齿失效造成低压转子前级间封严气量太大，第二腔20腔压大幅降低，造成高压涡轮盘10后高温空气灌进轴承腔作用。
51.参考图3所示，所述上缘板3和下缘板5的中部设有开口，上缘板3的顶部两侧卡接所述机匣1，下缘板5的底部两侧分别连接所述第一衬套6和第二衬套7；所述支板4为环形结构，且环形结构的首末端分别固定连接所述上缘板3和下缘板5，支板4与上缘板3和下缘板5之间形成支板腔，所述第四腔22与第五腔23之间通过所述支板腔相互连通。所述支板4的环形结构内壁上设有若干横向肋条。
52.在本发明的一个实施例中，支板4和上缘板3、下缘板5采用整体铸造的形式一体成型，可以有效提高结构的稳定性。所述内部管路2贯穿所述支板腔，冷却气进气方向沿内部管路2的顶部向底部输送，排气时，冷却气与高温气的掺混气沿内部管路2的外壁从第四腔22向第五腔23输送，进气和排气时的气体输送方向相反。这种级间支板的双向引气流动结构，使得支板4内引气和卸压排气相互隔绝，互不影响，增加支板4紧凑性，大幅提高了级间
支板内部通道的利用率。
53.具体来说，冷却过程中，第六腔24压力温度最高，第二腔20压力温度低于第六腔24，通过卸压技术有效降低第一腔19压力，使第一腔19压力低于第六腔24和第二腔20，这样就可以实现第六腔24和第二腔20空气在第一腔19掺混，并通过支板4排向发动机外涵道。通过级间支板内壁和引气管路之间的通道将第一腔19的掺混气直接排向外涵道，不仅可增加发动机推力，同时可起到降低第一腔19压力作用，防止高压涡轮盘10后级间高温高压封严气直接与轴承座11接触和进入轴承腔，实现引一股低温低压冷却气冷却轴承座11和封严轴承腔的作用，并起到抑制高压涡轮盘10后高温空气直接进入轴承腔的作用。
54.参考图2所示，内部管路2的顶部设有安装法兰，用于将所述内部管路2与所述机匣1外壁面配合连接，且所述内部管路2的顶部设有接口29，用于接收外部气源输送的冷却气。所述内部管路2的顶部还与所述机匣1的安装孔内壁形成接触密封；所述内部管路2的底部设为锥形，且与所述第三衬套8之间配合形成锥面密封。
55.在本发明的一个实施例中，安装法兰下方6mm处的内部管路2上设有一圈第一凹槽，用于安装o型密封圈26，与机匣1之间配合密封，从而防止第五腔23空气向外部泄漏；内部管路2的底部为锥形，与第三衬套8之间形成锥面密封，锥形面最底部上方6mm处设有用于安装o型密封圈26的第二凹槽，与第三衬套8之间配合密封，从而隔绝第四腔22和第三腔21之间的空气。装配时，内部管路2直接通过机匣1上预设的安装口插到第三衬套8的锥形密封孔底部。
56.另外一方面，本发明还提供一种带级间支板的发动机高低压涡轮冷却方法，所述方法包括：
57.外部气源通过接口29向所述内部管路2通入冷却气；
58.冷却气穿过所述内部管路2进入所述第二腔20中，作用在轴承座11表面，进行表面吹风冷却；
59.所述冷却气一部分穿过第二腔20，作用于轴承腔，进行轴承腔封严；
60.所述冷却气的另外一部分穿过第二腔20，进入第七腔25，进行低压涡轮盘9前级间封严；
61.所述冷却气的另外一部分还穿过第二腔20，进入第一腔19，与第六腔24流入第一腔19中的高温气流掺混，依次经过第四腔22和第五腔23排向发动机外涵道。
62.参考图4所示，具体来说，低温(约200℃)冷却气通过内部管路2流向第二腔20，用于轴承座11表面吹风冷却，一部分气流通过碳密封13和第二篦齿15用于轴承腔封严，轴承座11右侧引气通过第三篦齿16和第四篦齿17泄漏到主流道用于低压涡轮前转静级间封严，第一腔19和第四腔22之间连通，第四腔22和第五腔23之间通过管路和支板4内壁之间形成的通道连通，一方面本发明通过将第五腔23内的空气排向发动机外涵道增加推力，有效降低卸压第一腔19的压力，使第一腔19压力低于第六腔24和第二腔20，可以有效抑制高压涡轮盘10后第六腔24的高温空气(约500℃)直接加热轴承座11和封严轴承腔，另一方面，本发明在支板4内部布置横向肋条，可增强排气与支板4内壁的换热效果，对支板4起到较好的冷却作用。
63.本发明为了实现单独引一股冷却气封严轴承腔，并抑制高压涡轮盘10后高温空气灌进轴承腔，通过刷式密封分隔出第一腔19和第二腔20，并通过外部引如冷却气进入内部
管路2；然后进入第二腔20用于冷却封严轴承腔，并通过对第一腔19进行卸压排气的技术，降低腔压来抑制第六腔24高温空气直接进入轴承腔。同时将第一腔19卸压气通过支板4内腔进行强化流动换热冷却支板4，然后通过机匣1上的排气口子直接排向发动机外涵道增加推力。
64.本发明技术方案经相关一维计算分析表明，在保证高压涡轮后级间封严满足要求的前提下，通过支板4内布置的内部管路2引一股冷却气冷却轴承座11、封严轴承腔和低压前级间封严，并通过刷封18和第一篦齿14形成卸压第一腔19，将高压涡轮后级间温度较高的封严气和冷却气通过支板4内壁和引气管路之间的通道排出，方案合理可行，不仅提高了发动机级间支板紧凑型和内部通道空间的利用率，而且掺混排气可增加发动机外涵道推力，在发动机工作在最大状态时，采用本方案可降低轴承座11温度约70℃，同时降低轴承腔内滑油温升以及滑油结焦风险。
65.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。