CN118128603B - 一种涡轮盘系冷却封严结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种涡轮盘系冷却封严结构，属于航空发动机技术领域，包括一级涡轮盘，以及与其连接的一级涡轮下篦齿盘、一级涡轮盘后上封严篦齿组件和一级涡轮后篦齿组件，一级涡轮后篦齿组件远离所述一级涡轮盘的一端与二级涡轮盘连接；还包括首尾连接的一级涡轮导叶右支撑环、一级涡轮导叶左支撑环和导流盘，导流盘的下端还连接有蜂窝环，蜂窝环与一级涡轮下篦齿盘间隙配合；一级涡轮导叶左支撑环设置有多个引气孔，一级涡轮导叶右支撑环靠近一级涡轮盘的一侧设有冲击冷却孔，一级涡轮盘与下气流的方向相对应的位置设有通气孔。本申请的方案，提升了空气系统冷却封严效果和引气质量，利于减小短寿命发动机尺寸、提升发动机性能。

Description

一种涡轮盘系冷却封严结构

技术领域

本申请涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种涡轮盘系冷却封严结构。

背景技术

一次性使用的短寿命发动机具有尺寸小、成本低、转速高、空气流量小的特点，其较小的尺寸和空气流量造成气动、结构和强度等方面的“尺寸效应”，不仅给小尺寸下的气动设计增加难度，同时对转静子冷却设计带来挑战。因此由转动效应带来的热冷却问题更突出，加之发动机空气流量很小，因此更需要严格控制发动机空气系统冷却引气量，在尽量少引气条件下，保证发动机性能。而空气系统引气量多少直接影响转静子冷却封严效果，进一步影响发动机强度寿命，因此需要采取各种措施提升空气系统冷却封严品质。

常规的涡轮盘系封严冷却流路是通过引取适量压气机出口空气通过预旋喷嘴加速降压后一分为多，对涡轮盘进行封严冷却、对涡轮盘缘进行封严；而对有冷却设计叶片而言，还需对涡轮叶片进行冷却。而短寿命发动机通常采用无冷却叶片设计，并且受尺寸、成本的限制也没有复杂的预旋冷却系统，因此需要发展一种高效简单的涡轮盘系冷却封严结构及方法，以满足短寿命发动机特定的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种涡轮盘系冷却封严结构，可以实现小引气流量条件下，以适应短寿命发动机小尺寸、小流量、短寿命、低成本等特点，实现对短寿命发动机涡轮盘系的高效冷却和封严，简化发动机结构设计，提升空气系统引气封严冷却质量，降低发动机研制成本。

本申请实施例提供一种涡轮盘系冷却封严结构，包括一级涡轮盘，一级涡轮盘的前端连接有一级涡轮下篦齿盘，一级涡轮盘的后端连接有一级涡轮盘后上封严篦齿组件和一级涡轮后篦齿组件，一级涡轮后篦齿组件远离所述一级涡轮盘的一端与二级涡轮盘连接；

还包括用于形成腔体首尾连接的一级涡轮导叶右支撑环、一级涡轮导叶左支撑环和导流盘，一级涡轮导叶左支撑环还与高压涡轮导叶固定连接，导流盘的下端还连接有蜂窝环，蜂窝环与一级涡轮下篦齿盘间隙配合；一级涡轮导叶左支撑环设置有多个引气孔，一级涡轮导叶右支撑环靠近一级涡轮盘的一侧设有冲击冷却孔，一级涡轮导叶右支撑环与一级涡轮盘之间形成一级涡轮盘前上气流腔，导流盘与蜂窝环之间形成一级涡轮盘下气流腔，通过冲击冷却孔的冷却气流分为流经一级涡轮盘前上气流腔的上气流和流经一级涡轮盘下气流腔的下气流，一级涡轮盘与所述下气流的方向相对应的位置设有通气孔，经过通气孔的冷却气流经过一级涡轮盘后上封严篦齿组件和一级涡轮后篦齿组件分别流出。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，一级涡轮盘后上封严篦齿组件包括二级涡轮导叶支撑环上单篦齿和一级涡轮盘，二级涡轮导叶支撑环上单篦齿设置在二级涡轮导叶支撑环靠近一级涡轮盘的上端，二级涡轮导叶支撑环设置在二级涡轮导叶上，二级涡轮导叶支撑环上单篦齿与一级涡轮盘右端形成间隙配合，二级涡轮导叶支撑环的另一端与一级涡轮后篦齿组件间隙配合。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，引气孔的轴线与一级涡轮导叶左支撑环的垂线之间设有夹角。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，引气孔的轴线与一级涡轮导叶左支撑环的垂线之间的夹角的取值范围为20°-30°。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，引气孔的直径为,引气孔的个数为，引气孔的面积为A₁，冲击冷却孔的直径为，冲击冷却孔的个数为，冲击冷却孔的面积为A₂，通气孔的直径为，通气孔的个数为，其中，，，，。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，蜂窝环与一级涡轮下篦齿盘之间的间隙范围为0.07mm-0.13mm。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，二级涡轮导叶支撑环与一级涡轮后篦齿组件之间的间隙范围为0.06mm-0.14mm。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，通气孔的孔边设有倒圆结构。

有益效果：

本申请实施例中的涡轮盘系冷却封严结构，通过将涡轮导叶右支撑环、导叶左支撑环、导流盘、一级涡轮盘组成一级涡轮盘前封严流路，将一级涡轮盘、二级涡轮导叶支撑环上单篦齿、一级涡轮后篦齿组件、二级涡轮导叶支撑环组成一级涡轮盘后封严冷却流路；通过设置引气孔对一级涡轮盘进行冲击冷却，加强换热，在小引气流量条件下提升冷却效果；并且在涡轮盘上直接开通气孔，将一级涡轮盘前的气流引至一级涡轮盘后能有效缩短引气路径，简化流路结构，减小沿程损失和引气温升，提升以及涡轮盘后的封严冷却效果。因此，该结构可大大提升空气系统冷却封严效果，提升引气质量，有利于减小短寿命发动机尺寸、提升发动机性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1为根据本发明一实施例的涡轮盘系冷却封严结构的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的涡轮盘系冷却封严结构的冷却气流流路示意图；

图3为根据本发明一实施例的涡轮盘系冷却封严结构的冲击冷却孔的布置图。

图中：1、一级涡轮导叶右支撑环；2、一级涡轮导叶左支撑环；3、引气孔；4、导流盘；5、蜂窝环；6、一级涡轮下篦齿盘；7、一级涡轮盘；8、通气孔；9、冲击冷却孔；10、二级涡轮导叶支撑环；11、二级涡轮导叶支撑环上单篦齿；12、一级涡轮后篦齿组件；13、一级涡轮盘前上气流腔；14、一级涡轮盘下气流腔；15、一级涡轮盘后上气流腔；16、二级涡轮盘；17、一级涡轮盘后上封严篦齿组件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供了一种涡轮盘系冷却封严结构，可以实现小引气流量条件下，涡轮盘系的高效冷却和封严，在满足使用要求的同时，简化发动机结构，降低发动机成本，下面参照图1至图3进行详细描述。

参照图1和图2，本实施例的涡轮盘系冷却封严结构包括一级涡轮盘7，一级涡轮盘7的前端连接有一级涡轮下篦齿盘6，一级涡轮盘7的后端连接有一级涡轮盘后上封严篦齿组件17和一级涡轮后篦齿组件12，一级涡轮后篦齿组件12远离所述一级涡轮盘7的一端与二级涡轮盘16连接；

还包括用于形成腔体首尾连接的一级涡轮导叶右支撑环1、一级涡轮导叶左支撑环2和导流盘4，一级涡轮导叶左支撑环2还与高压涡轮导叶固定连接，导流盘4的下端还连接有蜂窝环5，蜂窝环5与一级涡轮下篦齿盘6间隙配合；一级涡轮导叶左支撑环2设置有多个引气孔3，一级涡轮导叶右支撑环1靠近一级涡轮盘7的一侧设有冲击冷却孔9，一级涡轮导叶右支撑环1与一级涡轮盘7之间形成一级涡轮盘前上气流腔13，导流盘4与蜂窝环5之间形成一级涡轮盘下气流腔14，通过冲击冷却孔9的冷却气流分为流经一级涡轮盘前上气流腔13的上气流和流经一级涡轮盘下气流腔14的下气流，一级涡轮盘7与所述下气流的方向相对应的位置设有通气孔8，经过通气孔8的冷却气流经过一级涡轮盘后上封严篦齿组件17和一级涡轮后篦齿组件12分别流出。

本实施例中，一级涡轮导叶右支撑环1、一级涡轮导叶左支撑环2、导流盘4、一级涡轮盘7组成一级涡轮盘7前封严流路；一级涡轮盘7、二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11、一级涡轮后篦齿组件12、二级涡轮导叶支撑环10组成一级涡轮盘7后封严冷却流路。对于形成腔体首尾连接的一级涡轮导叶右支撑环1、一级涡轮导叶左支撑环2和导流盘4，各部件为密封连接，其主要连接结构为：一级涡轮导叶左支撑环2的一端与一级涡轮导叶右支撑环1连接，一级涡轮导叶左支撑环2的另一端连接有导流盘4，导流盘4的上端与一级涡轮导叶右支撑环1连接，导流盘4的下端连接有蜂窝环5，因此，从引气孔3进入的冷却气流经过冲击冷却孔9流出。通过设置引气孔3对一级涡轮盘7进行冲击冷却，加强换热，在小引气流量条件下提升冷却效果。

其次，一级涡轮导叶右支撑环1与一级涡轮盘7之间设有间隔，形成冷气流路，因此，冲击冷却孔9流出的冷却气流分为流经一级涡轮盘前上气流腔13的上气流和流经一级涡轮盘下气流腔14的下气流，当设置通气孔8后，冲击冷却孔9流出的冷却气流将一部分通过通气孔8排出到一级涡轮盘7后，因此，在涡轮盘上直接开通气孔8，将一级涡轮盘7前的气流引至一级涡轮盘7后能有效缩短引气路径，简化流路结构，减小沿程损失和引气温升，提升以及涡轮盘后的封严冷却效果。

此外，一级涡轮下篦齿盘6固定在一级涡轮盘7上，一级涡轮后篦齿组件12左端固定在一级涡轮盘7上，右端与二级涡轮盘16连接。通过此种设置方试，可以形成一级涡轮盘7前和盘后封严冷却流路，通过控制篦齿组件间隙可以有效控制气流泄漏流量。

在一个实施例中，一级涡轮盘后上封严篦齿组件17包括二级涡轮导叶支撑环10和二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11，二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11设置在二级涡轮导叶支撑环靠近一级涡轮盘7的上端，二级涡轮导叶支撑环10设置在二级涡轮导叶上，二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11与一级涡轮盘7的右端形成间隙配合，二级涡轮导叶支撑环10的另一端与一级涡轮后篦齿组件12间隙配合。其中，一级涡轮盘7的后端与二级涡轮导叶支撑环10的外部形成一级涡轮盘后上气流腔15，通气孔8流出的冷却气流经过二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11和一级涡轮盘7之间的间隙从一级涡轮盘后上气流腔15排出。二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11位于静子上，即二级涡轮导叶支撑环上单篦齿11与二级涡轮导叶支撑环10为一体结构，当发动机实际运转时，转静子变形相互协调，可以有效防止篦齿封严组件的轴向窜动，保证封严效果。

在一个实施例中，引气孔3的轴线与一级涡轮导叶左支撑环2的垂线之间设有夹角。引气孔3的轴线与一级涡轮导叶左支撑环2的垂线之间的夹角的取值范围为20°-30°。本实施列中，存在夹角的引气孔3可以降低引气损失，提升引气质量。

在一个实施例中，引气孔3的直径为,引气孔3的个数为，引气孔3的面积为A₁，，冲击冷却孔9的直径为，冲击冷却孔9的个数为，冲击冷却孔9的面积为A₂，，通气孔8的直径为，通气孔8的个数为，通气孔8的面积为A₃，，其中，，，，。本实施例中的整个流路形成冲击冷却，冲击冷却孔9沿发动机周向均匀布置，参照图3，并且孔小数量多，对一级涡轮盘7形成冲击冷却，加强冷却效果。

在一个实施例中，蜂窝环5与一级涡轮下篦齿盘6之间的间隙范围为0.07mm-0.13mm，二级涡轮导叶支撑环10与一级涡轮后篦齿组件12之间的间隙范围为0.06mm-0.14mm。如果低于下限，引气流量不能满足冷却封严要求，超过上限，导致引气流量偏大，不利于发动机性能。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，通气孔8的孔边设有倒圆结构。通气孔8可直接在一级涡轮盘7上开孔，孔边倒圆结构，将一级涡轮盘7前的气流直接通至一级涡轮盘7后，缩短通气路径，不仅简化通气结构，减小气流沿程损失，降低气流沿程温升，更有利于一级涡轮盘7后的封严和冷却。

对于本申请的涡轮盘系冷却封严结构的冷却气流流路，参照图2，包括燃烧室外环引气从引气孔3通过，冲击冷却孔9后，对一级涡轮盘7进行冲击冷却，随后气流一分为三：其中一股向上经一级涡轮盘前上气流腔13后封严一级涡轮盘7前缘；第二股向下到一级涡轮盘下气流腔14后经蜂窝环5与一级涡轮下篦齿盘6之间的间隙排出；第三股气流向右通过一级涡轮盘7上的通气孔8一分为二，向上经一级涡轮盘后上气流腔15封严一级涡轮盘7后轮缘汇入主流道，向下经二级涡轮导叶支撑环10与一级涡轮后篦齿组件12之间的间隙排入二级涡轮前端。

本发明提供的实施例，通过该冷却结构可以简化发动机结构和通气流路，提升发动机引气品质，增强冷却效果，有利于发动机简化结构，减小尺寸，并且提升发动机性能。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，包括一级涡轮盘（7），一级涡轮盘（7）的前端连接有一级涡轮下篦齿盘（6），一级涡轮盘（7）的后端连接有一级涡轮盘后上封严篦齿组件（17）和一级涡轮后篦齿组件（12），一级涡轮后篦齿组件（12）远离所述一级涡轮盘（7）的一端与二级涡轮盘（16）连接；

还包括用于形成腔体首尾连接的一级涡轮导叶右支撑环（1）、一级涡轮导叶左支撑环（2）和导流盘（4），一级涡轮导叶左支撑环（2）还与高压涡轮导叶固定连接，导流盘（4）的下端还连接有蜂窝环（5），蜂窝环（5）与一级涡轮下篦齿盘（6）间隙配合；一级涡轮导叶左支撑环（2）设置有多个引气孔（3），一级涡轮导叶右支撑环（1）靠近一级涡轮盘（7）的一侧设有冲击冷却孔（9），一级涡轮导叶右支撑环（1）与一级涡轮盘（7）之间形成一级涡轮盘前上气流腔（13），导流盘（4）与蜂窝环（5）之间形成一级涡轮盘下气流腔（14），通过冲击冷却孔（9）的冷却气流分为流经一级涡轮盘前上气流腔（13）的上气流和流经一级涡轮盘下气流腔（14）的下气流，一级涡轮盘（7）与所述下气流的方向相对应的位置设有通气孔（8），经过通气孔（8）的冷却气流经过一级涡轮盘后上封严篦齿组件（17）和一级涡轮后篦齿组件（12）分别流出。

2.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，一级涡轮盘后上封严篦齿组件（17）包括二级涡轮导叶支撑环（10）和二级涡轮导叶支撑环上单篦齿（11），二级涡轮导叶支撑环上单篦齿（11）设置在二级涡轮导叶支撑环（10）靠近一级涡轮盘（7）的上端，二级涡轮导叶支撑环（10）设置在二级涡轮导叶上，二级涡轮导叶支撑环（10）上端的二级涡轮导叶支撑环上单篦齿（11）与一级涡轮盘右端形成间隙配合，二级涡轮导叶支撑环（10）的另一端与一级涡轮后篦齿组件（12）间隙配合。

3.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，引气孔（3）的轴线与一级涡轮导叶左支撑环（2）的垂线之间设有夹角。

4.根据权利要求3所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，引气孔（3）的轴线与一级涡轮导叶左支撑环（2）的垂线之间的夹角的取值范围为20°-30°。

5.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，引气孔（3）的直径为,引气孔（3）的个数为，引气孔（3）的面积为A₁，冲击冷却孔（9）的直径为，冲击冷却孔（9）的个数为，冲击冷却孔（9）的面积为A₂，通气孔（8）的直径为，通气孔（8）的个数为，其中，，，，。

6.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，蜂窝环（5）与一级涡轮下篦齿盘（6）之间的间隙范围为0.07mm-0.13mm。

7.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，二级涡轮导叶支撑环（10）与一级涡轮后篦齿组件（12）之间的间隙范围为0.06mm-0.14mm。

8.根据权利要求1所述的涡轮盘系冷却封严结构，其特征在于，通气孔（8）的孔边设有倒圆结构。