一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构
阅读说明：本技术 一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构 (Reinforcing structure for preventing thermal vibration deformation of high-pressure rotor of gas turbine ) 是由 王蕊 王鸣 陈涛 杨万金 肖淑颖 戚光鑫 于 2021-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于燃气轮机技术领域,具体涉及一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构,包括转接轴、调整垫和衬套；所述燃气轮机的高压转子上具有篦齿盘,篦齿盘通过鼓筒轴连接到高压涡轮处；高压涡轮内连接有涡轮轴；所述衬套设于转接轴的一端；所述转接轴的一端通过所述衬套抵于篦齿盘的盘心处；转接轴的另一端伸至高压涡轮的中心处并抵于涡轮轴上；所述调整垫设置于衬套与转接轴的连接处并传递轴向的支撑力。利用了高压转子和高压涡轮的原有结构,有效弱化了零部件本身的弹性模量与热应力耦合变化对高压转子刚度产生的不利影响,降低了发动机工作的不同阶段中因高温和高温差造成的变形的问题,有力保障了燃气轮机的安全可靠运行。(The invention belongs to the technical field of gas turbines, and particularly relates to a reinforcing structure for preventing thermal vibration deformation of a high-pressure rotor of a gas turbine, which comprises a transfer shaft, an adjusting pad and a lining; the high-pressure rotor of the gas turbine is provided with a grate disc, and the grate disc is connected to the high-pressure turbine through a drum shaft; a turbine shaft is connected in the high-pressure turbine; the bushing is arranged at one end of the transfer shaft; one end of the transfer shaft is abutted against the center of the grate disc through the bushing; the other end of the transfer shaft extends to the center of the high-pressure turbine and abuts against the turbine shaft; the adjusting pad is arranged at the joint of the bushing and the transfer shaft and transmits axial supporting force. The original structures of the high-pressure rotor and the high-pressure turbine are utilized, the adverse effect of the coupling change of the elastic modulus and the thermal stress of the parts on the rigidity of the high-pressure rotor is effectively weakened, the problem of deformation caused by high temperature and high temperature difference in different working stages of the engine is reduced, and the safe and reliable operation of the gas turbine is powerfully guaranteed.)
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构。
背景技术
燃气轮机是一种将燃气的能量转变为有用功的内燃式动力机械，在多个领域中被广泛应用，比如：应用于民用发电领域中或作为动力装置应用于飞机或大型船舶中。燃气轮机的工作过程是：压气机连续地从大气中吸入空气并对空气进行压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与燃烧室中喷入的燃气混合后燃烧，进而成为高温燃气，随即高温燃气流入到燃气涡轮处膨胀做功，并利用高温燃气推动涡轮带着压气机一起旋转；燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点。
燃气轮机自问世以来，由于其具有功率大、体积小、启动快、工作稳定以及可使用多种燃料等优点，获得国内外的广泛认可，同时国内外众多科技工作者也对其开展了大量的研究工作，并在较短时间内已经取得了跨越式的发展。在燃气轮机方面的技术水平的优劣也同时反映了一个国家科学技术水平和军事实力的高低。
燃气轮机的零部件在工作时的温度很高，并且位于不同部位的零部件甚至同一零部件不同区域的温度都有可能有较大的差别；在燃气轮机的启动、高速运转以及停车等等过程中的不用阶段，燃气轮机上的各个零部件上的温度将会发生非常显著的变化。例如：在燃气轮机停车之后，燃气轮机内部的热量将会通过外机匣向外散发，而燃气轮机外层结构温度逐渐降低快，而内层结构温度依然较高，并且内层结构的温度降低速度慢，使得燃气轮机的整体呈外冷内热的状态，此外，在燃气轮机轴向上的各个区域处的零部件的温度也都不相同。
上述现象在高压压气机的高压转子和高压涡轮所在的区域上尤其明显。并且由于温度分布不均衡时将会产生的热应力，而这种热应力将会导致高压转子发生一定的热弯曲，从而导致燃气轮机内部的刚度矩阵发生变化，即：在较大的温差情况下，将会造成高压转子和高压涡轮之间的零部件的连接以及零部件本身会因为产生较大的热振动而发生变形，当变形情况严重时将有可能影响燃气轮机的安全运行。
目前，国内为应对高压转子可能产生的热振动变形问题所采取的处理措施较为单一，一方面是通过改变高压转子以及高压涡轮的结构，并对零部件的形状和尺寸等要素进行重新设计，例如：改变高压转子的叶盘或叶片的结构，使其内部的刚度合理分布；另一方面，技术人员也会通过改变零部件的材料来提升零部件本身的抗变形的能力，例如：将温度较高且温差变化较大部位的材料改为高温粉末合金，从而降低因高温和温差产生的热应力和热弯曲变形产生的不利影响。以上两种解决方案均存在一定的弊端，其中改变结构形式的方案，工作难度高，工作量大，大大增加了研发成本；改变材料的方案会带来成本增高以及未知的不确定因素，势必对燃气轮机的工作性能和可靠性造成一定的负面影响。
因此，有必要设计一种能够对已有燃气轮机的高压转子和高压涡轮之间的连接结构进行补强的结构，从而降低成本和难度。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本方案提供了一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构。
本发明所采用的技术方案为：
一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构，包括转接轴、调整垫和衬套；
所述燃气轮机的高压转子上具有篦齿盘，篦齿盘通过鼓筒轴连接到高压涡轮处；高压涡轮内连接有涡轮轴；
所述衬套设于转接轴的一端；所述转接轴的一端通过所述衬套抵于篦齿盘的盘心处；转接轴的另一端伸至高压涡轮的中心处并抵于涡轮轴上；所述调整垫设置于衬套与转接轴的连接处并传递轴向的支撑力。
上述结构中，当高压转子处因热振动发生变形时，在鼓筒轴和转接轴同时传递轴向的支撑力，降低高压转子因为热振动变形而发生形状变化以及发生与高速涡轮相对位置的变化，提高保证高压转子结构的稳定性，并且由于转接轴的支持位置与鼓筒轴的连接位置不同，从而使得两者之间形成局部杠杆作用，以鼓筒轴的连接处为支点，利用转接轴的支撑，防止篦齿盘的外侧以及篦齿盘的盘体在因为热振动的现象而发生的变形量超标的问题。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述转接轴包括转子侧轴体和涡轮侧轴体两段，所述转子侧轴体和涡轮侧轴体对接连接。本补充设计中，将转接轴设计为两段，两段之间采用对接方式进行连接，在转子侧轴体用于对接涡轮侧轴体的部位设置第一对接部，该对接部呈环形的阶梯状，而涡轮侧轴体用于对接该第一对接部的一端设置有相应第二对接部，从而使得涡轮侧轴体能够以插接方式对接到转子侧轴体的第一对接部上。此外，由于转接轴采用两段式的结构，能够方便于转接轴的加工以及满足不同位置对刚度、硬度等性能以及对材质选择的需求，并且能够避免对长度较长的零部件进行加工所产生报废率和高额成本。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述转子侧轴体上设置有径向向外延伸的第二支撑部；所述鼓筒轴与高压涡轮的连接处呈环形；所述第二支撑部的外沿抵于鼓筒轴与高压涡轮连接处的内侧。该第二支撑部的外侧边沿朝向鼓筒轴与高压涡轮的连接处延伸，并能够抵于该连接处的内侧，从而提供径向的支撑力，当该连接处的温度较高或者温差变化较大，并因为热振动现象而发生形变的趋势时，通过该第二支撑部的支撑，能够抵消该连接处形变的力，从而使得该连接处不会因为热振动而发生变形。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述涡轮侧轴体抵于涡轮轴的端面并为高压涡轮提供径向的支撑力。本方案中的涡轮侧轴体是由涡轮轴的端面提供支撑力的，通过转接轴将涡轮轴上的支撑力传递到篦齿盘上。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，在所述转接轴与衬套连接的一端设置有第一支撑部，所述第一支撑部径向凸起于转子侧轴体外周壁并呈圆盘状。该第一支撑部处的转接轴轴身的厚度更厚，转接轴通过该第一支撑部传递轴向的支撑力，从而能够使得篦齿盘被轴向抵紧；篦齿盘本身以及高压转子处的零部件发生热振动现象而变形时，能够由该转接轴对其变形的趋势进行抑制。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述衬套一侧的端面边沿处设置有轴向凸齿，轴向凸齿沿衬套的轴向伸出；所述第一支撑部的外沿处设置有对应轴向凸齿的凹槽，所述轴向凸齿为转子侧轴体提供径向向内的支撑力。本方案中的设置的轴向凸齿对第一支撑部提供径向向内的支撑力，从而避免第一支撑部在高速旋转的离心力作用下损坏。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述衬套的边沿处设置有径向凸齿；所述径向凸齿径向向外延伸并与第一支撑部相抵，以轴向传力。本方案中衬套上设置的径向凸齿能够传递转子侧轴体的支撑力至篦齿盘的盘心处，同时，该衬套也是主要在篦齿盘与转接轴之间起连接作用。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述衬套的外周面倾斜，使其能够嵌装到篦齿盘盘心处。以上倾斜的结构设计，能够使其更加贴合于篦齿盘，从而辅助于转接轴与篦齿盘的对位。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述转接轴呈中空的管套状；所述转接轴与鼓筒轴之间设置有空腔，设置于转接轴上的第二支撑部将该空腔分隔为前后两个腔室，在所述第二支撑部上设置有通孔以连通两个腔室。本结构各个空腔以及腔室的设计，能够降低高压转子和高压涡轮的重量，还能够通过这些空腔进行空气流通和散热。
作为上述的补强结构的备选结构和补充设计，所述衬套和转接轴采用耐高温粉末合金材料制成，调整垫采用钛合金材料制成。钛合金的调整垫由于自身刚性极佳，可实现对前后零部件可能发生的热应力变形的有效补强以及实现前后零部件之间的有效衔接。此外，衬套和转接轴充分利用高温粉末合金在因高温和高温差情况下产生的热应力和热弯曲变形小的特点，在有效提升自身性能的前提下，对高压转子和高压涡轮等零部件进行补强。
本发明的有益效果为：
1.本方案中合理利用了高压转子和高压涡轮的原有结构，构造出了一种新颖独特，实用价值极高结构，有效弱化了零部件本身的弹性模量与热应力耦合变化对高压转子刚度产生的不利影响，最大限度降低了发动机工作的不同阶段中因高温和高温差造成的变形的问题，从而有力保障了燃气轮机的安全可靠运行；
2.本方案中在燃气轮机的原油结构上增加了转接轴、调整垫和衬套等结构，能够对高压转子和高压涡轮径向轴向支撑补强，从而提高高压转子和高压涡轮的抗变形能力；此外，衬套采用无螺栓的结构，从而无需改变原有的篦齿盘结构，优化成本和安装方式；转接轴端部的外侧第一支撑部上的凹槽能够配合衬套上的相应凸齿结构，实现径向上和轴向上的支撑补强；
3.本方案中衬套、调整垫、转接轴与高压转子和高压涡轮、篦齿盘等部件形成的腔体布局合理，能够有效实现热量的对外散发；衬套和转接轴采用耐高温粉末合金材料制成，调整垫采用钛合金材料制成，从而有效加强零部件本身的抗变形性能。
附图说明
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简单地介绍。
图1是本方案中燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构的使用状态图；
图2是鼓筒轴和转子侧轴体的连接位置结构图；
图3是鼓筒轴和转子侧轴体的连接状态的立体结构图；
图4是调整垫的连接位置的放大结构图；
图5是转子侧轴体立体结构图；
图6是衬套的立体结构图。
图中：1-高压涡轮；2-涡轮侧轴体；3-鼓筒轴；4-转子侧轴体；41-第一支撑部；42-轴身；43-第二支撑部；44-凹槽；45-第一对接部；5-篦齿盘；6-衬套；61-嵌装槽；62-轴向凸齿；63-径向凸齿；7-调整垫；8-高压转子；9-涡轮轴。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，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，都属于本方案的保护范围。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例设计了一种燃气轮机高压转子防热振动变形的补强结构。
高压转子8和高压涡轮1在各自的工作区域上在旋转过程中，在燃气轮机的启动阶段都会出现不同的温度情况，比如出现较高的温度或者较高的温差等。而当温度分布不均衡时将会产生的热应力，从而导致高压转子8或高压涡轮1处的零部件发生一定的热弯曲，即：在高温或高温差情况下，零部件因为高温或局部高温差产生热振动现象而发生变形，影响燃气轮机的安全运行。针对这种情况，国内的常规做法是高压转子8以及高压涡轮1的结构并重新设计和改变，或者将零部件选用在高温或高温差情况下抗变形能力强的材料；传统的两种方案都有可能带来质量增加、成本增高以及其他未知的不确定的问题，势必对燃气轮机的工作性能和可靠性将会造成一定的负面影响。
因此，本实施例利用燃气轮机的已有的结构特点进行结构补强，在燃气轮机的已有结构中，所述燃气轮机的高压转子8具有篦齿盘5，并且篦齿盘5本身中部的盘心处就呈孔状，并且篦齿盘5远离高压转子8的一端面上是通过鼓筒轴3连接到高压涡轮1处，高压涡轮1内连接有涡轮轴9。
本实施例中采用的补强结构包括转接轴、调整垫7和衬套6等部件。
其中，转接轴包括转子侧轴体4和涡轮侧轴体2两段，所述转子侧轴体4和涡轮侧轴体2对接连接。转子侧轴体4和涡轮侧轴体2两段式的结构设计，能够方便于转接轴的加工，避免对长度较长的零部件加工难度大、报废率高以及成本高等问题。此外，由于不同位置所承受的温度以及温差变化均不同，并且对刚性、硬度等性能以及材质选择的需求也不同，两段式设计更能满足以上要求。
转子侧轴体4整体采用耐高温粉末合金材料一体成型制作的，充分利用高温粉末合金在因高温和高温差情况下产生的热应力和热弯曲变形小的特点。该转子侧轴体4包括有第一支撑部41、轴身42、第二支撑部43和第一对接部45等部件。
转子侧轴体4的轴身42呈圆管状，轴身42本身能够起到支撑力传递的作用。
第一支撑部41设置在轴身42的左端处，并且该第一支撑部41能够配合连接衬套6，所述第一支撑部41径向凸起于转子侧轴体4外周壁并呈圆盘状。转接轴能够通过该第一支撑部41向其左侧传递轴向的支撑力，从而能够使得篦齿盘5被轴向抵紧，从而使得篦齿盘5本身以及高压转子8处的零部件发生热振动现象而产生的变形趋势被抑制。此外，位于该第一支撑部41左侧的轴身42的侧壁厚度被加厚，该加厚的部分能够伸入至篦齿盘5的盘心处并提供径向的支撑力。
第二支撑部43设置在轴身42的右端处，该转子侧轴体4呈径向向外延伸的斗形；由于所述鼓筒轴3与高压涡轮1的连接处呈环形；该第二支撑部43的外侧边沿向鼓筒轴3与高压涡轮1的连接处延伸，从而利用该第二支撑部43的外沿能够抵于鼓筒轴3与高压涡轮1连接处的内侧，并为该连接位置提供径向的支撑力，当该连接处的温度较高或者温差变化较大，并因为热振动现象而发生形变的趋势时，通过该第二支撑部43的支撑，能够有效的抵消该连接处变形的力，保证该连接处不会因为热振动而发生变形。
第一对接部45位于第二支撑部43与轴身42的相交处，该第一对接部45用于对接涡轮侧轴体2，该第一对接部45呈环形的阶梯状，而涡轮侧轴体2用于对接该第一对接部45的一端设置有相应第二对接部，第二对接部与第一对接部45上均具有插接配合的结构，从而使得涡轮侧轴体2能够以插接方式对接到转子侧轴体4上。
所述涡轮侧轴体2呈圆管状，在涡轮侧轴体2的左端设置有第二对接部，在涡轮侧轴体2的右端抵于涡轮轴9的端面，该涡轮侧轴体2为高压涡轮1提供径向的支撑力的同时，还将涡轮轴9的支撑力传递至转子侧轴体4上，从而将涡轮轴9上的轴向支撑力传递到篦齿盘5上，从而提高高压转子8和高压涡轮1所在部位处在热振动现象发生时的抗变形的能力。
衬套6在使用时是套设于转接轴的左端处的第一支撑部41上的，衬套6的整体是呈圆环形状的，衬套6也是采用耐高温粉末合金材料一体成型制作的，并利用高温粉末合金在因高温和高温差情况下产生的热应力和热弯曲变形小的特点。该衬套6的外周面倾斜，使其能够嵌装到篦齿盘5盘心处，衬套6的外壁能够于篦齿盘5盘心处的内壁，从而辅助于转接轴与篦齿盘5的对位。转接轴的左端通过该衬套6抵于篦齿盘5的盘心处，该衬套6在篦齿盘5与转接轴主要起到结构适配和支撑力传递的作用。
在所述衬套6一侧的端面边沿处设置有轴向凸齿62和径向凸齿63。轴向凸齿62沿衬套6的轴向伸出；所述第一支撑部41的外沿处设置有对应轴向凸齿62的凹槽44，所述轴向凸齿62为转子侧轴体4提供径向向内的支撑力。本方案中的设置的轴向凸齿62在使用时能够伸入到第一支撑部41上的凸齿上，从而对第一支撑部41提供径向向内的支撑力，从而避免第一支撑部41在高速旋转的离心力作用下损坏。所述径向凸齿63径向向外延伸并与第一支撑部41相抵，以实现轴向传力。本方案中衬套6上设置的径向凸齿63能够传递转子侧轴体4的支撑力至篦齿盘5的盘心处，同时，该衬套6也是主要在篦齿盘5与转接轴之间起连接作用。
所述调整垫7设置于衬套6与转接轴的连接处并传递轴向的支撑力，调整垫7采用钛合金材料制成。钛合金的调整垫7由于自身刚性极佳，可实现对前后零部件可能发生的热应力变形的有效补强以及实现前后零部件之间的有效衔接。该调整垫7呈圆环形，并主要起到传导轴向支撑力的作用。
补强结构包括转接轴、调整垫7和衬套6等部件，在使用时能够提供对高压转子8传递轴向的支撑力，当高压转子8处因热振动发生变形时，在鼓筒轴3提供用于矫正的支撑力的同时，该转接轴的端部对篦齿盘5的盘心处传递轴向的支撑力，从而提高保证高压转子8结构的稳定性，并且由于转接轴的支持位置与鼓筒轴3的连接位置不同，从而使得两者之间形成局部杠杆作用，以篦齿盘5与鼓筒轴3的连接处为支点，利用转接轴的支撑，防止篦齿盘的外侧以及篦齿盘的盘体在因为热振动的现象而发生的变形量超标的问题。
实施例2
如图1至图6所示，在实施例1的结构基础上，所述转接轴呈中空的管套状；所述转接轴与鼓筒轴3之间设置有空腔，设置于转接轴上的第二支撑部43将该空腔分隔为前后两个腔室，在所述第二支撑部43上设置有通孔以连通两个腔室。本方案中不仅转接轴内设置有中空的结构，而在转接轴与鼓筒轴3之间也形成空腔，从而不仅能够降低高压转子8和高压涡轮1的重量，还能够通过这些空腔进行空气流通和散热。
上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。
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