阅读说明：本技术 一种组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构 (Combined type cooling and sealing structure for outer ring of high-pressure turbine rotor ) 是由 王若楠 柳光 廉曾妍 王沛 杜强 刘军 谢垒 刘红蕊 徐庆宗 肖向涛 常胜 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构,包括燃烧室外机匣、高压涡轮转子外环和辅助封严结构,通过将高压涡轮转子外环采用分瓣设计,以及在高压涡轮转子外环上叶片的对向面上涂覆耐高温可磨耗涂层,并通过在燃烧室外机匣沿周向开设冲击冷却孔,以及通过对燃烧室外机匣、高压涡轮转子外环之间的连接结构的改进,使二者之间形成一冷气腔,由此通过冷气射流冲击实现高压涡轮转子外环的高效冷却,同时通过设置封严环、封严挡片等辅助封严结构以封严冷气,从而实现降低高压涡轮转子外环这一高温部件的热负荷,使该热端部件热变形可控,冷气用量减小,并使冷却效果最大化,提升结构的稳定性、可靠性。(The invention discloses a combined cooling and sealing structure of an outer ring of a high-pressure turbine rotor, which comprises a combustion chamber outer casing, a high-pressure turbine rotor outer ring and an auxiliary sealing structure, wherein the high-pressure turbine rotor outer ring is designed in a split mode, high-temperature resistant abradable coating is coated on the opposite surfaces of blades on the high-pressure turbine rotor outer ring, an impact cooling hole is formed in the combustion chamber outer casing along the circumferential direction, a cold air cavity is formed between the combustion chamber outer casing and the high-pressure turbine rotor outer ring by improving a connecting structure between the combustion chamber outer casing and the high-pressure turbine rotor outer ring, therefore, the high-efficiency cooling of the high-pressure turbine rotor outer ring is realized through cold air jet impact, and meanwhile, the heat load of a high-temperature component of the high-pressure turbine rotor outer ring is reduced by arranging the auxiliary sealing structures such as a sealing ring, a sealing baffle plate and the like to seal cold air, so, and the cooling effect is maximized, and the stability and the reliability of the structure are improved.)

一种组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构

技术领域

本发明涉及航空发动机、燃气轮机领域，具体的，涉及高压涡轮转子外环冷却封严结构的改进，通过在燃烧室外机匣开冲击冷却孔，高压涡轮转子外环分瓣耦合辅助密封环、密封片、耐高温可磨耗涂层的方式，提升冷却封严效果，减小这一高温部件的热负荷，并提升结构的稳定性、可靠性。

背景技术

高压涡轮转子外环位于高压涡轮导向器下游，紧邻燃烧室出口，直接接触燃烧室出口高温燃气，是发动机中温度最高，工作条件最恶劣的部件之一。对高压涡轮转子外环及其紧邻的燃烧室外机匣来说，一方面，其所处环境温度通常可达800℃以上，且其内部是主流高温燃气，外部是高压压气机出口冷气，内外温差大，绝对温度高。另一方面，燃烧室外机匣结构尺寸大，热变形量难以调控。

燃烧室外机匣通常为一体加工，加工难度大，成本高，且作为框架结构，需保证其结构可靠。因此，要对燃烧室外机匣进行隔离保护，防止其与高温燃气直接接触。这一功能通常通过位于转子叶片与燃烧室外机匣之间的高压涡轮转子外环实现。高压涡轮转子外环直接与高温燃气接触，温度高，热应力大，需要对其进行高效冷却。其冷却设计需足够精细，保证其热变形可控，保证转、静子协调变形，使转子叶尖与机匣的间隙尽可能小，以减小主流气动损失。同时，用于冷却的气量应保证尽可能小，以便提高整机效率。

现有的高压涡轮转子外环设计一般分为两种。一种设计是整环一体式结构，其在受热不均匀的情况下，会发生局部挤压应力过大导致变形的情况。在高压涡轮转子外环内、外巨大压差的作用下，这一变形可能更加明显。此种整环型的高压涡轮转子外环一但发生损坏，需要整个更换，成本高，可维护性差。另一种设计是分瓣结构，但每两瓣高压涡轮转子外环之间留有较大间隙，并未进行密封，导致用于冷却、封严的气体消耗量大。因此，亟需针对高压涡轮转子外环及其邻近的燃烧室外机匣、高压涡轮转子叶片的工作环境和结构特点，提出一种新型的冷却封严结构，实现较高的可维护性，降低维护成本，同时使该热端部件热变形可控，冷气用量减小。

发明内容

针对上述技术需要，本发明提出了一种组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构，通过将高压涡轮转子外环采用分瓣设计，以及在高压涡轮转子外环上叶片的对向面上涂覆耐高温可磨耗涂层，并通过在燃烧室外机匣沿周向开设冲击冷却孔，由此通过冷气射流冲击实现高压涡轮转子外环的高效冷却，同时通过设置封严环、封严挡片等辅助封严结构以封严冷气，从而实现降低高压涡轮转子外环这一高温部件的热负荷，使该热端部件热变形可控，冷气用量减小，并使冷却效果最大化，提升结构的稳定性、可靠性。

为实现上述技术目标，本发明所采用的技术方案如下：

一种组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构，包括燃烧室外机匣、高压涡轮转子外环和辅助封严结构，高压涡轮转子外环装配设置在所述燃烧室外机匣的内壁上，所述燃烧室外机匣与高压涡轮转子外环之间装配设置有所述辅助封严结构，所述高压涡轮转子外环的径向内侧空间为高温燃气通道，所述高温燃气通道内设置有沿周向均匀分布的高压涡轮转子叶片，其特征在于，所述燃烧室外机匣包括呈一体式整环结构的机匣壳体，所述机匣壳体的内壁上设有至少两具有轴向间距且平行设置的环状L型拐角结构，各所述环状L型拐角结构的拐角方向相同，且每一所述环状L型拐角结构均包括一第一径向延伸段和一第一轴向延伸段，所述第一轴向延伸段位于所述第一径向延伸段的末端；在轴向上位于相邻两所述环状L型拐角结构之间的所述机匣壳体上，还设有至少一排沿周向分布的冲击冷却孔，所述冲击冷却孔用以引入冲击冷却气；

所述高压涡轮转子外环整体呈分瓣结构，包括若干瓣弧形转子外环段，每一所述转子外环段的外壁上均设有至少两具有轴向间距且平行设置的弧形倒L型拐角结构，各所述弧形倒L型拐角结构的拐角方向相同，且每一所述弧形倒L型拐角结构均包括一第二径向延伸段和一第二轴向延伸段，所述第二轴向延伸段设置在所述第二径向延伸段的侧壁上，且所述第二轴向延伸段与所述第二径向延伸段的末端之间具有径向距离；每一所述转子外环段通过设置在其外壁上的各所述弧形倒L型拐角结构一一对应地装配设置在所述燃烧室外机匣的各所述环状L型拐角结构上；处于装配状态时，所述第二轴向延伸段的内壁配合设置在所述第一轴向延伸段的外壁上，且所述第二径向延伸段的末端顶抵在所述机匣壳体的内壁上，并使得两对相互配合的拐角结构之间的轴向空间形成为冷气腔；处于装配状态时，相邻两所述转子外环段之间还具有周向间隙，且即使在热态工作状态下仍保持所述周向间隙；

所述辅助封严结构，包括辅助封严环、径向封严挡片和周向封严挡片，其中，每一所述第二轴向延伸段的外壁与所述机匣壳体的内壁之间的径向间隙空间中设有一所述辅助封严环；每一所述转子外环段的周向两端分别设置一周向封严挡片卡槽，相邻两所述转子外环段的相邻的两所述周向封严挡片卡槽之间设置一所述周向封严挡片，所述周向封严挡片的两端分别活动插设在两所述周向封严挡片卡槽中，且即使在热态工作状态下，每一所述周向封严挡片仍能一一对应地封严相邻两所述转子外环段的壁面之间的周向间隙；每一所述转子外环段外壁上的每一所述第二径向延伸段的周向两端分别设置一径向封严挡片卡槽，相邻两所述转子外环段的相邻的两所述径向封严挡片卡槽之间设置一所述径向封严挡片，所述径向封严挡片的两端分别活动插设在两所述径向封严挡片卡槽中，且即使在热态工作状态下，每一所述径向封严挡片仍能一一对应地封严相邻两所述转子外环段的第二径向延伸段之间的周向间隙；所述金属封严环与各所述周向封严挡片、径向封严挡片共同作用，使得即使在热态工作状态下，所述冷气腔中的冲击冷却气也不会泄露。

本发明的上述组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构中，周向分布的高压涡轮转子叶片，是高压涡轮转子外环的对向件。传统的高压涡轮转子外环是整环的，在工作状态下，通常会出现因为受热不均匀导致的局部应力过大的情况。而发明中，高压涡轮转子外环为分瓣结构，相邻两瓣转子外环段之间留有周向间隙，在冷装时周向间隙较大，保证在热态工作状态下(即温度最高时)，相邻两瓣转子外环段之间仍留有一定的周向间隙，不会顶死。

优选地，所述高压涡轮转子外环中，其中的各所述转子外环段以角向零点为起点顺时针或逆时针标印顺序号，安装时按照顺序号装配，保证其与所述燃烧室外机匣相对位置固定。

优选地，每一所述转子外环段的靠近上游的第二径向延伸段的外侧壁上，设置一弧形凸肋，在热态工作状态下，所述弧形凸肋用以限制所述高压涡轮转子外环在受热膨胀变形时沿轴向的活动量。

优选地，根据所述高压涡轮转子外环工作状态下的温度场分布和强度校核结果，确定其分瓣数量。

优选地，每一所述转子外环段的内壁上均设有涂层，所述涂层选取耐高温可磨耗材料。涂层材料需耐高温，防止高温环境下损坏。

进一步地，所述涂层的硬度低于所述高压涡轮转子叶片的硬度，保证工作状态下，二者发生刮磨时，所述高压涡轮转子叶片不会受到损伤。

优选地，所述辅助封严环选取表面镀银金属材质，防止高温环境下烧结。

优选地，每一所述周向封严挡片卡槽的轴向宽度大于每一所述转子外环段外壁上的两所述第二径向延伸段之间的轴向间距。

优选地，每一所述径向封严挡片卡槽至少应从所述第二径向延伸段的径向顶端延伸至其径向底端。

优选地，各所述转子外环段之间的径向封严挡片、周向封严挡片的材料选取高温合金，防止高温环境下损坏。

优选地，通过调节所述冲击冷却孔的截面积，精准控制冲击到所述高压涡轮转子外环的冷气量，进而精准控制所述高压涡轮转子外环的热变形量，保证所述高压涡轮转子外环与燃烧室外机匣之间的协调变形，使所述高压涡轮转子叶片的叶尖与高压涡轮转子外环之间的径向间距最小，保证最优的气动性能。可综合选用不同的孔型和孔倾角，进一步提高冲击冷却效果。

优选地，引入所述冲击冷却孔中的冲击冷却气由高压压气机的出口引出。

优选地，所述冲击冷却孔沿周向均匀分布在所述机匣壳体上。

本发明提出的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构，与现有高压涡轮转子外环冷却封严结构相比具有以下优势：1、高压涡轮转子外环采用分瓣结构，防止工作状态下热应力集中导致的挤压变形。2、分瓣的高压涡轮转子外环在径向上位于燃烧室外机匣和高温燃气主流通道之间，阻止了高温燃气与燃烧室外机匣的直接接触，对燃烧室外机匣起到保护作用。3、高压涡轮转子外环的每一瓣均设有固定的编号，且与燃烧室外机匣的相对位置固定，安装、拆解过程中按顺序进行，拆装简单，可靠性高。4、在燃烧室外机匣上，沿周向开有冲击冷却孔，对高压涡轮转子外环进行冲击冷却，冲击冷却效率高，冷却效果好，在同等冷却效果下，可减少冷气消耗，提高整机效率。5、冲击冷却气由高压压气机出口引出，引气路径短，沿程损失小。冲击冷却孔入口处的气体流速已接近声速，其流量可由冷却孔截面积确定。可通过调节孔的截面积，精准控制冲击到转子外环的冷气量，进而精准控制转子外环的热变形量，保证高压涡轮转子外环不超温且转、静子协调变形。6、为使冲击冷却更为有效，在径向和周向两个方向上，每两瓣转子外环段之间布置有挡片卡槽和封严挡片，对冷却封严气进行阻挡和导流，防止冷却气体通过两瓣之间的间隙泄漏，使冷却气体的轴向、周向覆盖率更高，冷却效果更好。7、在燃烧室外机匣和高压涡轮转子外环之间使用耐高温的金属封严环，阻隔了主流高温燃气通过二者间隙接触到燃烧室外机匣，同时对高压涡轮转子外环与燃烧室外机匣形成的冷却腔内部的冷却气体进行有效封严，保证冷气全部位于腔内用于冷却。8、在高压涡轮转子外环的内壁上涂有耐高温可磨耗涂层，防止高压涡轮转子叶片与高压涡轮转子外环因间隙过小发生刮磨时损伤叶片。

附图说明

图1为本发明的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构示意图；

图2为本发明燃烧室外机匣的整体结构示意图；

图3为本发明燃烧室外机匣的剖面图；

图4为本发明燃烧室外机匣剖面局部放大图；

图5为本发明转子外环段的整体结构示意图；

图6为本发明转子外环段的剖面图；

图7为本发明辅助封严结构中辅助封严环的装配示意图；

图8为本发明辅助封严结构中径向及周向封严挡片的装配示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构，包括燃烧室外机匣1、高压涡轮转子外环2和辅助封严结构3，其中，高压涡轮转子外环2装配设置在燃烧室外机匣1的内壁上，燃烧室外机匣1与高压涡轮转子外环2之间装配设置有辅助封严结构3，高压涡轮转子外环2的径向内侧空间为高温燃气通道，高温燃气通道内设置有沿周向均匀分布的高压涡轮转子叶片4，周向分布的高压涡轮转子叶片4，是高压涡轮转子外环2的对向件。

如图2～4所示，本发明的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构中，燃烧室外机匣1包括呈一体式整环结构的机匣壳体101，机匣壳体101的内壁上设有至少两具有轴向间距且平行设置的环状L型拐角结构102，各环状L型拐角结构102的拐角方向相同，且每一环状L型拐角结构102均包括一第一径向延伸段和一第一轴向延伸段，第一轴向延伸段位于第一径向延伸段的末端；在轴向上位于相邻两环状L型拐角结构102之间的机匣壳体101上，还设有至少一排沿周向均匀分布的冲击冷却孔104，冲击冷却孔104用以引入冲击冷却气，引入冲击冷却孔104中的冲击冷却气由高压压气机的出口引出。

在本发明的实例中，通过调节冲击冷却孔104的截面积，精准控制冲击到高压涡轮转子外环的冷气量，进而精准控制高压涡轮转子外环2的热变形量，保证高压涡轮转子外环2与燃烧室外机匣1之间的协调变形，使高压涡轮转子叶片4的叶尖与高压涡轮转子外环2之间的径向间距最小，保证最优的气动性能。此外，可综合选用不同的孔型和孔倾角，进一步提高冲击冷却效果。

传统的高压涡轮转子外环是整环的，在工作状态下，通常会出现因为受热不均匀导致的局部应力过大的情况。本发明的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构中，高压涡轮转子外环为分瓣结构，相邻两瓣转子外环段之间留有周向间隙，在冷装时周向间隙较大，保证在热态工作状态下(即温度最高时)，相邻两瓣转子外环段之间仍留有一定的周向间隙，不会顶死。具体地，如图5、6所示，本发明中，高压涡轮转子外环2整体呈分瓣结构，包括若干瓣弧形转子外环段，每一转子外环段的外壁上均设有至少两具有轴向间距且平行设置的弧形倒L型拐角结构203，各弧形倒L型拐角结构203的拐角方向相同，且每一弧形倒L型拐角结构203均包括一第二径向延伸段和一第二轴向延伸段，第二轴向延伸段设置在第二径向延伸段的侧壁上，且第二轴向延伸段与第二径向延伸段的末端201之间具有径向距离；每一转子外环段通过设置在其外壁上的各弧形倒L型拐角结构203一一对应地装配设置在燃烧室外机匣1的各环状L型拐角结构102上；处于装配状态时，第二轴向延伸段的内壁205配合设置在第一轴向延伸段的外壁103上，且第二径向延伸段的末端201顶抵在机匣壳体101的内壁上，并使得两对相互配合的拐角结构之间的轴向空间形成为冷气腔；处于装配状态时，相邻两转子外环段之间还具有周向间隙，且即使在热态工作状态下仍保持周向间隙。

在本发明的实例中，高压涡轮转子外环2中，各转子外环段以角向零点为起点顺时针或逆时针标印顺序号，安装时按照顺序号装配，保证其与燃烧室外机匣相对位置固定，安装、拆解过程中按顺序进行，拆装简单，可靠性高。

在本发明的实例中，每一转子外环段的靠近上游的第二径向延伸段的外侧壁上，设置一弧形凸肋204，在热态工作状态下，弧形凸肋204用以限制高压涡轮转子外环2在受热膨胀变形时沿轴向的活动量。

在本发明的实例中，根据高压涡轮转子外环工作状态下的温度场分布和强度校核结果，确定其分瓣数量。

在本发明的实例中，每一转子外环段的内壁上均设有涂层206，涂层选取耐高温可磨耗材料。涂层材料需耐高温，防止高温环境下损坏。涂层206的硬度低于高压涡轮转子叶片4的硬度，保证工作状态下，二者发生刮磨时，高压涡轮转子叶片4不会受到损伤。

如图7、8所示，本发明的组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构中，辅助封严结构3包括辅助封严环301、径向封严挡片302和周向封严挡片303，其中，每一第二轴向延伸段的外壁与机匣壳体101的内壁之间的径向间隙空间中设有一辅助封严环301；每一转子外环段的周向两端分别设置一周向封严挡片卡槽208，相邻两转子外环段的相邻的两周向封严挡片卡槽208之间设置一周向封严挡片303，周向封严挡片303的两端分别活动插设在两周向封严挡片卡槽208中，且即使在热态工作状态下，每一周向封严挡片303仍能一一对应地封严相邻两转子外环段的壁面之间的周向间隙；每一转子外环段外壁上的每一第二径向延伸段的周向两端分别设置一径向封严挡片卡槽207，相邻两转子外环段的相邻的两径向封严挡片卡槽207之间设置一径向封严挡片302，径向封严挡片302的两端分别活动插设在两径向封严挡片卡槽207中，且即使在热态工作状态下，每一径向封严挡片302仍能一一对应地封严相邻两转子外环段的第二径向延伸段之间的周向间隙；金属封严环301与各径向封严挡片302、周向封严挡片303共同作用，使得即使在热态工作状态下，冷气腔中的冲击冷却气也不会泄露。

在本发明的实例中，辅助封严环301选取金属材质，表面镀银，防止高温环境下烧结。每一周向封严挡片卡槽208的轴向宽度大于每一转子外环段外壁上的两第二径向延伸段之间的轴向间距。每一径向封严挡片卡槽207至少应从第二径向延伸段的径向顶端延伸至其径向底端。各转子外环段之间的径向封严挡片302、周向封严挡片303的材料选取高温合金，防止高温环境下损坏。

本发明的上述组合式高压涡轮转子外环冷却封严结构，通过将高压涡轮转子外环2设置为分瓣结构，可有效防止工作状态下热应力集中导致高压涡轮转子外环的挤压变形。分瓣的高压涡轮转子外环在径向上位于燃烧室外机匣1和高温燃气主流通道之间，阻止了高温燃气与燃烧室外机匣1的直接接触，对燃烧室外机匣1起到保护作用。高压涡轮转子外环2的每一瓣均设有固定的编号，且与燃烧室外机匣1的相对位置固定，安装、拆解过程中按顺序进行，拆装简单，可靠性高。在燃烧室外机匣1上，沿周向开有冲击冷却孔104，对高压涡轮转子外环2进行冲击冷却，冲击冷却效率高，冷却效果好，在同等冷却效果下，可减少冷气消耗，提高整机效率。冲击冷却气由高压压气机出口引出，引气路径短，沿程损失小。冲击冷却孔入口处的气体流速已接近声速，其流量可由冷却孔截面积确定。可通过调节孔的截面积，精准控制冲击到转子外环的冷气量，进而精准控制转子外环的热变形量，保证高压涡轮转子外环不超温且转、静子协调变形。为使冲击冷却更为有效，在径向和周向两个方向上，每两瓣转子外环段之间布置有卡片槽和封严挡片，对冷却封严气进行阻挡和导流，防止冷却气体通过两瓣之间的间隙泄漏，使冷却气体的轴向、周向覆盖率更高，冷却效果更好。在燃烧室外机匣1和高压涡轮转子外环2之间使用耐高温的金属封严环，阻隔了主流高温燃气通过二者间隙接触到燃烧室外机匣，同时对高压涡轮转子外环与燃烧室外机匣形成的冷却腔内部的冷却气体进行有效封严，保证冷气全部位于腔内用于冷却。在高压涡轮转子外环的内侧壁面上涂有耐高温可磨耗涂层，防止高压涡轮转子叶片与高压涡轮转子外环因间隙过小发生刮磨时损伤叶片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。