一種發動機熱端結構的製作方法

2023-12-01 04:08:36 3

本發明涉及燃氣輪機，尤其是航空發動機高溫部件燃燒室及渦輪領域，更具體地說，是採用新型渦輪機匣結構，改進航空發動機熱端結構布局，使發動機結構更加緊湊。通過採用該結構，可以縮短發動機低壓軸系軸向長度，進而改善發動機轉子動力學特性，提高發動機性能。

背景技術：

在燃氣輪機，尤其是航空發動機中，渦輪機匣是其內部的重要結構之一。根據不同的發動機結構設計，渦輪機匣的主要作用包括：起到支撐燃氣渦輪外環以及傳遞高壓渦輪軸向力的作用；間隔渦輪部件與燃燒室，形成燃燒室二次氣流主流路，確保燃燒室功能穩定，並防止燃燒室向渦輪部件的高溫熱輻射。作為不同部件之間的聯接結構，其設計受燃燒室以及渦輪尺寸的限制。

通常而言，為控制發動機迎風面積，應當儘可能減小發動機的外徑尺寸，因此燃燒室的內徑尺寸應當儘可能減小；而另一方面，為提高低壓渦輪的做功能力，低壓渦輪中徑不斷增大，迫使渦輪機匣內腔逐漸減小。受這兩方面的限制，渦輪機匣的尺寸不能任意設計。而在發動機中，為向軸承提供滑油，需要布置滑油系統，其供、回油管路通常布置在渦輪機匣內腔中。為了滿足發動機外徑限制、低壓渦輪做功能力以及布置滑油管路的需求，通常的做法是將低壓渦輪軸向後移，以增大渦輪機匣內腔空間，但是這會加長發動機低壓軸系長度。發動機低壓軸系過長會導致轉子動力學特性較差，增加發動機設計難度，同時也使得加工難度非常大。各方面約束的存在，限制了現代發動機性能的進一步提升。迫切需要一種新的設計方案，解決各方面的矛盾，進一步提高發動機性能。

技術實現要素：

本發明涉及一種用於改進現代燃氣輪機，尤其是航空發動機高溫端部件布局的新型結構，通過採用該新型結構，可以減小燃燒室內徑，縮小發動機外徑尺寸；抬升低壓渦輪中徑，提高低壓渦輪做功能力；縮短發動機低壓軸系軸向長度，改善發動機轉子動力學特性，從而提高發動機性能。

為實現該目標，本發明採用的技術方案為：

一種發動機熱端結構，包括渦輪機匣、燃燒室內環、燃氣渦輪外環、燃燒室機匣，所述渦輪機匣設置在所述燃氣渦輪外環和燃燒室機匣之間，所述渦輪機匣一端連接所述燃氣渦輪外環，另一端連接所述燃燒室機匣，所述渦輪機匣與燃燒室內環之間的空間形成燃燒室外二次流通道，所述渦輪機匣與渦輪後機匣、低壓渦輪導向器、外加強環、低壓渦輪封嚴環、過渡段機匣之間的空間形成渦輪機匣內腔，所述渦輪機匣內腔中布置滑油系統的滑油管路和/或空氣系統的氣體管路，其特徵在於，所述渦輪機匣的主體為迴轉式渦輪機匣，所述渦輪機匣的圓周對應滑油管路和/或氣體管路的局部布置有鼓包，所述局部鼓包局部增大了渦輪機匣內腔的空間，所述局部鼓包以外的圓周部位，其徑向尺寸小於所述局部鼓包的徑向尺寸。

較優地，所述局部鼓包的數量根據發動機結構設計及功能需求而定，比如需要布置的滑油進、回油的數量等確定。

較優地，每個鼓包尺寸的大小根據其內部所布置的功能結構(比如滑油管路)的實際需要而定，每個鼓包尺寸可以不相同。

可選擇地，所述局部鼓包的布置方式根據其內部所布置的功能結構的需要進行調整，可以為軸對稱或者非軸對稱結構。

可選擇地，所述鼓包可以為球形，錐形，或者其他形狀。

較優地，在其內部布置滑油系統管路等功能結構的局部鼓包上，正對這些結構的區域設計冷卻氣流孔，允許燃燒室內的氣流通過該孔衝擊在結構表面，以降低其表面以及內部流通介質的溫度。由於渦輪機匣內腔尺寸減小，這些結構距離燃燒室尺寸縮短，受高溫輻射效應增強，其表面及內部流通介質溫度升高，所產生的不良後果(比如滑油結焦或者冷卻氣體溫度升高)有可能影響發動機的運行安全。採用衝擊冷卻，同時渦輪機匣內腔中有冷卻氣流包圍，可以有效降低渦輪機匣局部鼓包內部結構的溫度，提高發動機運行安全性；

較優地，所述鼓包上的冷卻氣流孔的數量以及孔徑大小根據鼓包內部的結構所需進行優化而定。

可選擇地，所述鼓包上的冷卻氣流孔的布局方式通過優化而定，可以採取沿軸向、周向單排或者多排布局，或者成組布置，根據不同的布局方式，冷卻氣流孔的氣流衝擊角度也可以進行調整，其目的為達到最佳冷卻效果。

較優地，為進一步提高冷卻效果，可以在局部鼓包以外的區域增設冷卻氣流孔，以進行補充冷卻，使得渦輪機匣內腔中的冷卻氣流更加均勻。

較優地，所述補充冷卻氣流孔的數量、孔徑大小以及布置位置、布局方式根據發動機功能需求優化而定。

較優地，為保證燃燒室外主流通道的有效通流面積，在所述渦輪機匣的局部鼓包以外的部位，其尺寸應當適當減小，防止增加鼓包導致的通流面積減小，而引起的局部超音，影響燃燒室性能。

較優地，所述渦輪機匣與燃燒室內環之間通道的有效通流面積不應小於傳統渦輪機匣與燃燒室內環之間通道的有效通流面積。

較優地，所述局部鼓包與渦輪機匣鼓包以外的部位之間，通過圓角光順轉接，加工過程中應注意打磨毛刺與尖邊。

較優地，圓角大小需要通過優化而定。較大地過渡圓角更有利於降低氣動損失，但是相應的會減小渦輪機匣外部的流通面積，不利於燃燒室性能。

本發明的發動機熱端結構通過使用新型的渦輪機匣結構，改進航空發動機中高溫端部件的布局，與現有的結構布局形式相比，具有以下優勢：(1)解決燃燒室內環尺寸減小與低壓渦輪中徑增大帶來的滑油管路無法布置的矛盾；(2)低壓渦輪可以進一步軸向前移，從而縮短發動機低壓軸系長度，改善轉子動力學特性；(3)渦輪機匣鼓包的設計具有較大的自由度，可以滿足不同的發動機對滑油管路尺寸的要求，此外，鼓包的存在，也增加了發動機設計的自由度，可以在鼓包內部設計其他發動機結構，以進一步提高發動機性能；(4)應用方便，不影響發動機的原設計理念，因而可以迅速地移植到不同的發動機中，具有較大地推廣前景；(5)結構簡單，不存在複雜的內腔結構，因此利用熔模鑄造或者數控工具機均可加工。

附圖說明

圖1為本發明的發動機熱端結構示意圖；

圖2為本發明的渦輪機匣結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明的發動機熱端結構，包括渦輪機匣1、燃燒室內環2、燃氣渦輪外環4、燃氣渦輪8、燃燒室機匣9。渦輪機匣1設置在所述燃氣渦輪外環4和燃燒室機匣9之間，用於連接燃氣渦輪外環4以及燃燒室機匣9，同時可以隔斷燃燒室內環2以及渦輪部件(過渡段機匣13與低壓渦輪導向器7)，渦輪機匣1與燃燒室內環2之間的空間形成燃燒室外二次流通道10。渦輪機匣1與渦輪後機匣5、低壓渦輪導向器7、外加強環11、低壓渦輪封嚴環12、過渡段機匣13之間的空間形成渦輪機匣內腔6。

為縮短發動機低壓軸系軸向長度，需要將低壓渦輪部件軸向前移；而為提高低壓渦輪做功能力，需要抬高低壓渦輪中徑，這使得渦輪機匣內腔6的空間不斷縮小。受燃燒室內環2尺寸的限制，渦輪機匣半徑存在設計極限。為滿足發動機功能需求，在渦輪機匣內腔6布置滑油系統的滑油管路3和/或空氣系統的氣體管路和/或其他發動機功能結構，往往需要放棄某一方面的需求，比如延長低壓軸系長度，或者降低低壓渦輪做功能力。為解決這些矛盾，採用本發明的渦輪機匣1。與傳統渦輪機匣不同，如圖2所示，為布置滑油管路3和/或空氣系統的氣體管路和/或其他發動機功能結構，本發明的渦輪機匣為非簡單迴轉件，在迴轉式渦輪機匣的主體上，沿渦輪機匣的圓周布置有局部鼓包101，如圖1中渦輪機匣1上部的實線所示。局部鼓包101的存在，局部增大了渦輪機匣內腔6的尺寸，因而可以用於布置滑油管路3和/或空氣系統的氣體管路和/或其他發動機功能結構。鼓包101的形狀可以為球形，錐形，或者其他合適形狀。在局部鼓包101以外的圓周部位103,可以適當減小其徑向尺寸，如圖1中渦輪機匣1上部的虛線以及下部的實線所示。本發明的渦輪機匣1可以保證燃燒室外二次氣流通道10的有效通流面積，儘可能地減小局部鼓包101的存在帶來的不良後果。此外，局部鼓包101設計的理念可以進行進一步地拓展，以增加發動機的設計自由度。比如在渦輪機匣上增加局部鼓包，並在其內部布置空氣系統管路等。為降低氣動損失，局部鼓包101與局部鼓包以外的圓周部位103之間通過光滑圓角105進行光順過渡轉接。且在加工過程中，需要對光滑圓角105進行仔細打磨，以去除毛刺以及尖邊。

鼓包的數量根據發動機結構設計及功能需求而定。每個鼓包尺寸的大小根據其內部所布置的功能結構(比如滑油管路)的實際需要而定，並不進行限定。鼓包的布置方式根據其內部所布置的功能結構的需要進行調整，可以為軸對稱或者非對稱結構。

由於距離燃燒室更近，為了對這些滑油管路或者空氣系統管路等功能結構進行有效冷卻，降低高溫輻射帶來的不良影響(滑油結焦或者空氣系統冷卻氣流溫度上升影響下遊冷卻效果)，在局部鼓包101上設計有冷卻氣流孔102。燃燒室外的二次氣流可以通過該冷卻氣流孔102對局部鼓包101內部的結構進行衝擊冷卻。為進一步提升其冷卻效果，該冷卻氣流孔102的孔徑、數量、布置位置、布局方式以及吹氣角度可以進行優化調整。

為了進一步補充渦輪機匣內腔6的冷卻效果，可以在局部鼓包以外的圓周部位103上增設補充冷卻氣流孔104，以補充發動機系統功能所需冷卻氣流，使得渦輪機匣內腔6中的冷卻環境更加均勻，對渦輪機匣內腔6中的結構進行更加有效地冷卻。氣流孔的數量、孔徑大小以及布置位置、方式根據發動機功能需求而定。

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的構造、特徵及原理所做的等效或簡單變化，均包括於本發明專利的保護範圍內。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採用類似的方式替代，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範圍，均應屬於本發明的保護範圍。