一种燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置的制作方法

1.本技术属于发动机设计技术领域，具体涉及一种燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机主轴承是转子支承系统的核心部件，它在高速、高温、受力复杂的条件下运转，直接影响到发动机的性能、可靠性和翻修寿命。转子轴向力是影响轴承运行性能的重要因素之一。转子轴向力过小，轴承轻载，将引发滚动体表面打滑蹭伤；转子轴向力过大，轴承过载，将丧失轴承几何尺寸精度，引发轴承整体功能丧失。因此，转子轴向力设计不合理将引起轴承故障，甚至危及飞行安全。
3.转子轴向力由两部分组成：主通道气流对转子叶片产生的轴向力和发动机内部二次流(空气系统)腔压对转子盘、轴、鼓筒等产生的轴向力。主通道的轴向力是发动机性能决定的，一般情况下，调整代价大。通常情况下，通过空气系统设计来平衡主通道的轴向力，使得转子轴向力总和满足轴承承载能力。
4.空气系统腔压产生的转子轴向力＝腔压
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作用面积，因此控制转子轴向力可以从腔压和作用面积两方面着手。腔压方面，常采用调整篦齿间隙、调整气源引气位置、增加压力控制活门等措施改变腔压，从而控制转子轴向力。作用面积方面，主要是通过调整结构布局(例如改变篦齿高度、拆分多腔结构等)控制转子轴向力。两个方面的调整措施往往是关联在一起的。
5.在燃气涡轮发动机运行过程中，转子轴向力在一个很宽的范围内变化。高功率时，气体压力大，气动力大，转子轴向力通常也较大；低功率时，则相反，转子轴向力较小。理论上，可通过燃气涡轮发动机总体结构布局调整、引气源头压力调整、二次流腔压分配调整等手段来平衡主通道气动轴向力，控制转子轴向力总和，使其满足轴承承载能力要求。但其主要存在如下缺点：在成本方面，总体结构布局调整意味着总体方案的变更，增加人力成本。在技术方面，流路布局的调整会影响到支点封严、盘轴冷却等空气系统其它功能，带来新的问题。在效率方面，大、小功率状态的转子轴向力的调整方向是正相关的，即增大转子轴向力则全部工况转子轴向力增大，减小转子轴向力则全部工况转子轴向力减小，无法在增加小功率状态转子轴向力的同时实现减小大功率状态的转子轴向力，其结果导致不是高功率状态下转子轴向力超限，就是低功率状态下转子轴向力轻载或者换向。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题之一，本技术提供了一种燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置，在高压压气机末级盘后设计了一个高压转子轴向力泄荷腔，泄荷腔排大气的通路上附带一个压力控制阀，根据发动机状态，按既定的策略控制压力控制阀的流通面积，从而实现高压转子轴向力的自动调整。
7.本技术提供的燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置，由高压压气机末级盘、
高压转子轴及轴承支撑座构成第一腔体，由轴承支撑座、燃烧室扩压器内壁面及燃烧室内壁面构成第二腔体c，其中，在高压转子的轴承支撑座与高压压气机末级盘之间设置有封严结构，所述封严结构将所述第一腔体分割成与高压通道连通的过渡腔a及泄荷腔b，所述轴承支撑座上设置有连通所述泄荷腔b与第二腔体c的通气孔，在所述燃烧室扩压器后端设置有贯通燃烧室内壁面及燃烧室外壁面的泄荷管路，所述泄荷管路的内端连通第二腔体c，所述泄荷管路的外端连通高压压气机外部大气环境，所述泄荷管路上设置有能够调整开闭的堵盖。
8.优选的是，所述封严结构设置在高压压气机末级盘的远离高压转子轴的一侧。
9.优选的是，所述泄荷管路包括多个，多个泄荷管路沿高压压气机周向均匀布置，其中部分泄荷管路上的堵盖能够受控打开或闭合，另外部分泄荷管路上的堵盖处于常开状态。
10.优选的是，处于常开状态的堵盖形成第一泄压面积，处于常开状态的堵盖及受控打开的堵盖共同形成第二泄压面积，所述第一泄压面积及第二泄压面积被配置成：
11.基于发动机处于大功率状态下的泄压需求确定第二泄压面积；以及使发动机处于小功率状态，同时关闭部分泄荷管路的堵盖以增加小功率状态下的转子轴向力，由此获得满足小功率状态的轴向力要求，从而确定所述第一泄压面积。
12.优选的是，通过试车验证或调整所述第一泄压面积与所述第二泄压面积。
13.优选的是，受控打开或闭合的堵盖为压差限制堵盖，所述压差限制堵盖具有限压阀，所述限压阀被配置成当所述堵盖内外压差达到设定值时，控制所述堵盖开启。
14.本技术设计了一个专门用于转子轴向力调节的泄荷腔，而且泄荷腔的流通面根据设计策略自动调整，以获得不同的放气面积，从而控制泄荷腔压力，实现大、小功率状态转子轴向力分别控制，保证燃气涡轮发动机在大、小功率工况下均可获得满意的高压转子轴向力水平。
15.本技术结构实现上简单可靠，推广应用通用性强，直接调整轴向力影响较大的腔室压力，调整效率高。
附图说明
16.图1为本技术燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置的一优选实施例的结构示意图。
17.其中，1-高压压气机末级盘，2-封严结构，3-轴承支撑座，4-燃烧室扩压器，5-燃烧室内壁面，6-燃烧室外壁面，7-泄荷管路，8-堵盖，9-高压转子轴，10-封严流路。
具体实施方式
18.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，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方式，都属于本
申请保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
19.本技术提供了一种燃气涡轮发动机高压转子轴向力调整装置，如图1所示，由高压压气机末级盘、高压转子轴9及轴承支撑座3构成第一腔体，由轴承支撑座3、燃烧室扩压器4内壁面及燃烧室内壁面5构成第二腔体c，其特征在于，在高压转子的轴承支撑座3与高压压气机末级盘1之间设置有封严结构2，所述封严结构2将所述第一腔体分割成与高压通道连通的过渡腔a及泄荷腔b，所述轴承支撑座3上设置有连通所述泄荷腔b与第二腔体c的通气孔，在所述燃烧室扩压器4后端设置有贯通燃烧室内壁面5及燃烧室外壁面6的泄荷管路7，所述泄荷管路7的内端连通第二腔体c，所述泄荷管路7的外端连通高压压气机外部大气环境，所述泄荷管路7上设置有能够调整开闭的堵盖8。
20.本技术的高压压气机盘心连接在高压转子轴9上，因此在高压压气机末级盘后形成了一个泄荷腔b，泄荷腔b通过第二腔体c与外界大气环境相通，泄荷腔b与第二腔体c通过大面积通气孔实现气体畅通，本质上可以认为属于一个腔体，通过调整泄荷腔b压力来控制转子轴向力。泄荷腔b主要进、排气位置为高压压气机后封严结构2和与第二腔体c连通的泄荷管路7构成，这两个结构决定了泄荷腔的压力。
21.另外需要说明的是，泄荷腔b及第二腔体c的周边，主要的进气流路为封严结构2，主要的排气位置为泄荷管路7，这两股气路对泄荷腔b压力起决定性影响；另外的进排气流路均为次要流路，例如封严流路10不会对泄荷腔b压力起决定性影响。
22.在一些可选实施方式中，所述封严结构设置在高压压气机末级盘1的远离高压转子轴9的一侧。
23.该实施例中，高压压气机末级盘后高半径处设计一个多层封严，从而将第一腔体分割成两部分，高压压气机末级叶根引气经多层封严流入泄荷腔。
24.在一些可选实施方式中，所述泄荷管路7包括多个，多个泄荷管路沿高压压气机周向均匀布置，其中部分泄荷管路7上的堵盖8能够受控打开或闭合，另外部分泄荷管路7上的堵盖8处于常开状态。
25.该实施例中，泄荷管路7内端连通第二腔体c，外端有两类情况，一类通过堵盖8连通外部大气环境，另一类直接连通外部大气环境。
26.在一些可选实施方式中，处于常开状态的堵盖形成第一泄压面积，处于常开状态的堵盖及受控打开的堵盖8共同形成第二泄压面积，所述第一泄压面积及第二泄压面积被配置成：
27.基于发动机处于大功率状态下的泄压需求确定第二泄压面积；以及使发动机处于小功率状态，同时关闭部分泄荷管路7的堵盖以增加小功率状态下的转子轴向力，由此获得满足小功率状态的轴向力要求，从而确定所述第一泄压面积。
28.具体的，大功率状态下，泄荷管流通面积大，泄荷腔泄压，避免转子轴向力超限；小功率状态下，泄荷管流通面积小，提高泄荷腔压力，避免转子轴向力轻载换向。基于高压转子轴向力需求，设计泄荷管堵盖面积的过程如下：
29.1)计算主流道产生的转子轴向力。
30.2)计算内腔产生的转子轴向力，首先针对大功率状态开展基于转子轴向力的结构设计，计算二次流内腔产生的转子轴向力，使高压转子轴向力总和基本满足设计需求，由此获得大功率状态满足轴向力要求所需的泄荷通道流通面积。
31.3)在第二条的结构框架下，计算小功率状态内腔产生的转子轴向力。大概率情况下，小功率状态转子轴向力会出现偏小或者反向的情况，需要根据小功率状态高压转子轴向力需求，在泄荷管末端加设堵盖，以单独增加小功率状态转子轴向力，由此获得了小功率状态满足轴向力要求所需的泄荷通道流通面积。
32.4)根据第二条及第三条的设计要求，在大、小功率状态下，基于转子轴向力需求设计了不同的泄荷腔流通面积。大功率状态压力水平高，泄荷腔一般是需要泄压的，所需流通面积大；而小功率状态下泄荷腔需要增压，所需流通面积小。由此，在燃气轮机运行过程中，需要根据功率水平调整泄荷腔堵盖的面积。小功率状态下，堵盖内外压差小，堵盖关闭；大功率状态下，压力水平高、堵盖内外压差大，需要开启一定的堵盖实现泄压。各功率状态所需的堵盖开启面积由腔压、轴向力分析得到，而且必须是经过试车验证的。
33.在一些可选实施方式中，受控打开或闭合的堵盖8为压差限制堵盖，所述压差限制堵盖具有限压阀，所述限压阀被配置成当所述堵盖8内外压差达到设定值时，控制所述堵盖8开启。
34.该实施例中，泄荷管路7有多路，一部分是完全敞开的，其余一部分在末端安装有压差控制堵盖，根据既定的设计策略，当泄荷管路内、外部压差大于设计值时，堵盖自动开启，否则堵盖关闭。
35.5)根据堵盖开启面积与燃气轮机运行功率状态的关系，设计限压阀控制堵盖开启的时机。通常是小状态下，堵盖不开启；随着功率状态增大，压力水平提高，堵盖内外压差增大，限压阀开启以泄压。限压阀的压差按照计算分析并经过验证的所需压差设计，由此，实现了大、小功率转子轴向力的分别调整，缩小了大、小功率状态转子轴向力的范围，避免了高压转子轴向力同步增加或减小调整过程中导致的超限的问题。
36.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本技术作了详尽的描述，但在本技术基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本技术精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本技术要求保护的范围。