一种油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构

技术领域

本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构。

背景技术

先进小涵道比航空发动机的涡轮盘和挡板的工作环境非常恶劣，通常要承受极大的温度梯度带来的热载荷和转子离心载荷，安装边位置通常还存在孔、槽等应力集中部位。为了降低涡轮盘的应力，通常在前后腔引入冷却气降低温升。小涵道比航空发动机的涡轮盘心位置通常设计有复杂的油、气腔结构，用于保证轴承的供回油和密封。

如图1所示为一种典型的涡轮盘后腔冷却结构10，涡轮盘11、挡板12与涡轮轴13一起形成转子件，封严环14与机匣等形成静子件，涡轮盘11与封严环14之间构成盘后腔，涡轮盘后腔空间很大，冷却气体经过涡轮盘后的通气孔进入涡轮盘后腔，冷却气体产生回流影响，流速降低，影响涡轮盘表面的冷却效果。同时，油腔和盘后腔采用接触式篦齿密封，在过渡态时会有滑油从封严组件15泄露到转子与后机匣之间，留存在蜂窝上，少量滑油通过蜂窝泄露到盘后腔，直接接触涡轮盘11、挡板12等热端转子表面从而产生结焦，大量结焦后造成涡轮盘11和挡板12的表面质量下降，特别是过渡态时，较冷的油滑泄露，接触较热的涡轮盘11和挡板12表面，容易引发转子件裂纹。

发明内容

本申请的目的是提供了一种油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构，所述盘后冷却结构包括：涡轮盘、后挡板、封严环组件、导流板、安装螺栓、涡轮轴、篦齿环及接触式封严组件；

所述涡轮盘与涡轮轴、篦齿环固定连接而形成转子；

所述导流板与封严环组件通过安装螺栓装配在一起形成静子；

所述涡轮盘与后挡板、封严环组件之间构成盘后腔，所述导流板位于所述盘后腔中且位于涡轮盘与封严环组件之间，从而将涡轮盘盘心流入的冷却气体和通过接触式封严组件泄露进盘后腔的滑油分隔开，形成单独的冷却气加速通道和滑油流通通道。

在本申请优选实施方式中，所述导流板为柔性薄壁结构，从而使所述导流板具有卸荷协调变形能力，所述导流板的柔性薄壁结构型面及尺寸根据所述涡轮盘和后挡板构成的弧形转子壁面形状确定，所述导流板与转子之间的间隔距离根据转静子极限状态的变形确定。

在本申请优选实施方式中，所述导流板具有内安装边和外安装边，所述内安装边通过安装螺栓装配在封严环组件前侧，所述外安装边为双凸台花边结构，所述双凸台花边结构包括轴向前后设置第一凸台和第二凸台，所述第一凸台和第二凸台在周向上均具有相对应的豁口而形成花边结构。

在本申请优选实施方式中，所述第一凸台相比于第二凸台更靠近所述涡轮盘，更靠近涡轮盘的第一凸台的高度大于远离涡轮盘的第二凸台的高度。

在本申请优选实施方式中，所述封严环组件的外径端头设有径向延伸的插头花边结构，所述插头花边结构在周向上设有豁口而形成花边结构；

所述封严环组件外径端头的插头花边结构插入至所述导流板外安装边的双凸台花边结构中，所述插头花边结构中的豁口与所述双凸台花边结构中的豁口对应连通而形成通气槽，作为导流板与封严环组件之间形成的腔室均压通道。

在本申请优选实施方式中，所述封严环组件的外径端头配置为截面呈工字形的端头结构，所述端头结构的两侧形成凹槽而分别与后挡板和内流道板形成气路咬嘴封严；

所述封严环组件的端头结构下侧设有通油孔，泄露的滑油通过通油孔自滑油流通通道流出。

在本申请优选实施方式中，所述封严环组件的内径端配置有接油槽，所述接油槽的轴向长度根据安装螺栓的装配要求及篦齿环甩油路线的最远位置和最近位置确定，所述接油槽上设有漏油孔，用于使通过接触式封严组件泄露的滑油沿着漏油孔进入盘后腔的滑油流通通道中。

在本申请优选实施方式中，所述篦齿环的内径端部设有轴向倾斜延伸且为整环结构的接油环，所述接油环的端部具有指向轴心方向的挡口，所述挡口的端面与接触式封严组件的端面至少部分的重叠；

所述篦齿环的主体部分面向涡轮轴一侧的表面设有甩油槽，通过接油环收集的接触式封严组件泄露的滑油受转子离心力作用沿着甩油槽向接油槽方向流动。

在本申请优选实施方式中，所述甩油槽为多个，多个所述甩油槽在周向上均布。

在本申请优选实施方式中，所述甩油槽的截面为大长宽比设计，所述大长宽比设计为周向宽度大于轴向深度的结构。

本申请提供的油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构能够实现航空发动机/燃气轮机的涡轮盘后腔排气流路和滑油流路的有效分隔，防止泄露的滑油直接接触涡轮转子高温部件，同时分隔结构设计为柔性随型导流结构，使盘后排气通道截面积收缩，使冷却气流得到加速且均匀的冷却热端转子件如盘、挡板的表面，有效降低盘后腔气流沿流动过程的温度升高，提高盘后冷却效果，提高发动机安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为现有技术中典型的涡轮盘后腔冷却结构示意图。

图2为本申请的涡轮盘后腔冷却结构示意图。

图3为本申请中的导流板外安装边示意图。

图4为本申请中的导流板与封严环组件连接示意图。

图5为本申请中的封严环组件外径端示意图。

图6为本申请中的封严环组件内径端示意图。

图7为本申请中的篦齿环结构示意图。

图8为本申请中的篦齿环甩油槽示意图。

附图标记：

10-典型的涡轮盘后腔冷却结构

11-涡轮盘

12-挡板

13-涡轮轴

14-封严环

15-封严组件

20-发动机涡轮盘后冷却结构

21-涡轮盘

211-通气孔

22-后挡板

23-封严环组件

231-插头花边结构

232-端头结构

233-通油孔

234-接油槽

235-漏油孔

24-导流板

241-双凸台花边结构

2411-第一凸台

2412-第二凸台

2413-豁口

25-安装螺栓

26-涡轮轴

27-篦齿环

271-接油环

272-挡口

273-甩油槽

28-接触式封严组件

29-内流道板

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图2所示，本申请提供了一种油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构20，该发动机涡轮盘后冷却结构20主要由涡轮盘21、后挡板22、封严环组件23、导流板24、安装螺栓25、涡轮轴26、篦齿环27、接触式封严组件28及内流道板29组成。

涡轮盘21与后挡板22、封严环组件23构成盘后腔，在盘后腔中设有导流板24，导流板24设置在涡轮盘21与封严环组件23之间，其与封严环组件23通过安装螺栓25装配在一起形成静子，从而将涡轮盘盘心流入的冷却气体和通过接触式封严组件28泄露进盘后腔的滑油流路分隔开，形成单独的冷却气加速通道和滑油流通通道。

涡轮盘21具有轴向延伸的支臂，该支臂与涡轮轴26连接，涡轮轴26另一侧装配有篦齿环27，篦齿环27与封严环组件23构成篦齿密封结构，后挡板22卡接在涡轮盘21上，从而能够与涡轮盘21、涡轮轴26与篦齿环27形成转子一起转动。

在本申请中，导流板24为柔性薄壁结构，从而使其具有卸荷协调变形能力，导流板24的柔性薄壁结构型面形状及尺寸根据涡轮盘21和后挡板22构成的弧形转子壁面形状确定，导流板24与转子之间的间隔距离根据转静子极限状态的变形计算得到，在保证无碰磨风险的情况下两者的间隙尽量小，从而提高冷却气体的流动速度。

导流板24具有内安装边和外安装边，导流板24的内安装边采用安装螺栓25装配在封严环组件23上。如图3所示，导流板24的外安装边为双凸台花边结构241，该双凸台花边结构241包括轴向前后设置的第一凸台2411和第二凸台2412，第一凸台2411和第二凸台2412之间具有一定的距离，周向相邻的两个第一凸台2411和/或第二凸台2412之间具有豁口2413，从而形成花边结构。其中，第一凸台2411和第二凸台2412的高度(即外径尺寸)不同，更靠近涡轮盘21一侧的第一凸台2411的高度大于远离涡轮盘21一侧的第二凸台2412的高度，避免装配时，由于人为操作错误，轴向向后过度推进，导致第一凸台2411进入封严环组件23的插头花边结构231周向豁口中。

结合图3及图4所示，封严环组件23的外径端头设有径向延伸的插头花边结构231，插头花边结构231在周向上也设有豁口，从而也形成花边结构。

装配时，将导流板24周向旋转，使封严环组件23的插头花边结构231中豁口对应导流板24的双凸台花边结构241中的第二凸台2412，第二凸台2412的高度小于插头花边结构231中的豁口深度，从而第二凸台2412可以直接插入封严环组件23的插头花边结构231中。同时，第一凸台2411的高度大于插头花边结构231中的豁口深度，第二凸台2412穿过豁口后，插头花边结构231被第一凸台2411限位。之后旋转导流板24，使双凸台花边结构241与插头花边结构231位于同一周向位置，防止导流板24前后移动。装配后的花边豁口形成的间隙可以作为通气槽，作为导流板24与封严环组件23之间形成的腔室均压通道。

如图5所示，封严环组件23的外径端头配置为截面大致呈工字形的端头结构232，端头结构232的两侧形成凹槽，分别与后挡板22和内流道板29形成气路咬嘴封严。在封严环组件23的端头结构232下侧设有通油孔233，泄露的滑油通过通油孔233流出，端头结构232的顶部位置有利于主流道气动性能保持。

如图6所示，封严环组件23的内径端配置有接油槽234，接油槽234的轴向长度根据安装螺栓25的装配要求及甩油路线的最远位置S1和最近位置S2确定，以避免油滴经过篦齿环27的离心转动甩出后超出接油槽234的范围。接油槽234上设有漏油孔235，用于使泄露的滑油沿着盘后腔的油路流出。

如图7和图8所示，篦齿环27的内径端部设有轴向倾斜延伸的接油环271，接油环271为整环结构，在接油环271的右端具有指向轴心方向的挡口272。挡口272的右侧端面与接触式封严组件28的左侧端面至少部分的重叠从而形成轴向搭接，以保证从接触式封严组件28泄露的油滴可以顺利的流入篦齿环27和涡轮轴26之间。其中，篦齿环27的主体部分面向涡轮轴26一侧的表面设有甩油槽273，甩油槽273在周向均布多个。在本申请优选实施例中，甩油槽273的截面采用大长宽比设计——即轴向深度小、周向宽度大(例如宽深比大于10)，保证甩油面积的同时减少气体泄露。

涡轮盘21的支臂上设有通气孔211，冷却气经过涡轮盘21盘心引入，沿着支臂上的通气孔211进入盘后腔，之后沿着涡轮盘21与导流板24之间形成的弯折通道向上流动，再通过后挡板22和封严环组件23形成的咬嘴结构流通至主流道而排出。

过渡态时，油腔中的少量滑油通过接触式封严组件28与转子之间的间隙流出，滴落到涡轮轴26与篦齿环27之间的接油环271上，在离心力作用下沿着倾斜的接油环271流入至甩油槽273中，进而流至封严环组件23的接油槽234中，通过漏油孔235流入至导流板24与封严环组件23之间的腔室均压通道内，再由封严环组件23外径端的通油孔233流入内流道板29的前缝隙，最终进入主流道中。

本申请提供的油气分离的发动机涡轮盘后冷却结构能够实现航空发动机/燃气轮机的涡轮盘后腔排气流路和滑油流路的有效分隔，防止泄露的滑油直接接触涡轮转子高温部件，同时分隔结构设计为柔性随型导流结构，使盘后排气通道截面积收缩，使冷却气流可以加速且均匀的冷却热端转子件——如涡轮盘、挡板的表面，有效降低盘后腔气流沿流动过程的温度升高，提高盘后冷却效果，提高发动机安全性。

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所述权利要求的保护范围为准。