一种燃气轮机涡轮支点结构

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涡轮支点结构。

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，被广泛应用于航空航天器中。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，被广泛应用于发电、独立能源系统、机械驱动等领域。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，在航空、船舶等动力机械领域以及电力、化工等工业领域都得到了广泛应用。

在双转子燃气涡轮的燃气轮机中，涡轮所采用的支承结构往往是在涡轮后支板传力结构方案或者高低压涡轮间拉杆本体传力的结构方案；其中，高低压涡轮支点传力方案是利用轴承机匣连接并支撑高低压涡轮之间的涡轮转轴，然后通过涡轮导向叶片连接到涡轮机匣上，从而使得涡轮转轴被支承到火焰筒的中部处，即是：一片涡轮导向叶片及与其对应相连的轴承机匣上的弧区部位和涡轮机匣上的弧线部位构成一个涡轮支点，涡轮支点用于支撑高压涡轮叶片与低压涡轮叶片之间位置的涡轮转轴；而这种高低压涡轮支点传力方案的优点是能够缩短低压涡轮转轴长度，提高转子稳定性；以上涡轮支撑结构中，涡轮导向叶片与涡轮机匣或轴承机匣的连接和传力用的拉杆本体往往是采用实心圆柱形结构，当拉杆本体从涡轮导向叶片内部穿过并连接后，能够将涡轮导向叶片、涡轮机匣与轴承机匣三者联成框架承力结构。而这种圆柱形的拉杆本体结构的优点是结构简单，但是其也存在承载能力低，抗环境温度能力弱等不足，其原因是涡轮导向叶片内部空间较小，所能使用的圆柱形拉杆本体直径尺寸有限，并且涡轮导向叶片壁面温度较高，对拉杆本体的热辐射会使拉杆本体温度升高，而拉杆本体产生热变形时，将会影响涡轮支撑结构的承力的均匀性和轴承机匣的同心度。因此，设计一种在高温下保持足够刚性的涡轮支点结构是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机涡轮支点结构，用于解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃气轮机涡轮支点结构，包括涡轮机匣、涡轮叶片组件和轴承机匣，所述涡轮叶片组件设置于涡轮机匣和轴承机匣之间，轴承机匣与涡轮转子之间设有轴承油腔，轴承机匣内部设有可与轴承油腔进行换热的空气冷却腔；还包括导管组件，所述导管组件穿设在涡轮叶片组件内部，且导管组件的两端分别与涡轮机匣和轴承机匣相连，所述导管组件包括油管组和空气管组，所述油管组与轴承油腔连通并形成油路循环流道，所述空气管组与空气冷却腔连通并形成空气循环流道。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述涡轮机匣包括涡轮外机匣组件和涡轮内机匣组件，所述涡轮外机匣组件设置在涡轮内机匣组件的外侧，涡轮内机匣组件与涡轮叶片组件之间设有第一隔热环块和第二隔热环块。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第一隔热环块包括多个呈环状布设的隔热块，相邻两个隔热块之间嵌设有膨胀补偿板，多个呈环状布设的隔热块的内侧设有内衬环。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，第一隔热环块的一侧与涡轮内机匣组件之间设有开口定位环，第一隔热环块的另一侧设有封堵盖，所述封堵盖通过螺栓固定在涡轮内机匣组件上。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述轴承机匣包括轴承外机匣组件和轴承内机匣组件，所述轴承外机匣组件与涡轮叶片组件相连，所述轴承内机匣组件设置在轴承外机匣组件的内侧，轴承内机匣组件与轴承外机匣组件之间形成所述空气冷却腔，轴承内机匣组件与涡轮转子之间形成所述轴承油腔。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述轴承外机匣组件与涡轮叶片组件之间设有与空气冷却腔连通的空气内腔，所述涡轮机匣与轴承外机匣组件之间连接有承力拉杆，所述承力拉杆内设置有空气通道，所述空气通道的一端与外部环境连通，空气通道的另一端与空气内腔连通。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述承力拉杆包括杆身，所述杆身与涡轮叶片组件的叶片内腔间隙配合，且杆身的外壁面与叶片内腔的壁面不接触。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述杆身的一端设有连接部，所述连接部设有拉紧连接孔和排气孔，所述拉紧连接孔能够连接用于固定承力拉杆的拉紧螺钉，所述排气孔与空气通道连通；杆身的另一端设有向外凸起的杆冒部。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述承力拉杆的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形，空气通道的横截面形状对应呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述轴承外机匣组件包括轴承外机匣环，所述空气管组的一端与轴承外机匣环相连，所述轴承外机匣环的两侧分别设有左侧板组件和右侧板组件，所述左侧板组件和右侧板组件均与涡轮叶片组件相连，左侧板组件、轴承外机匣环、右侧板组件和涡轮叶片组件围成所述空气冷却腔。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述空气内腔内设有环形隔板，所述环形隔板上开设有与导管组件适配的通孔。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述轴承内机匣组件包括轴承内机匣环，所述油管组的一端与轴承内机匣环相连，所述轴承内机匣环的一侧设有前外层封严环和前内层封严环，轴承内机匣环的另一侧设有后外层封严环和后内层封严环。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述油管组包括至少一个进油管和至少两个出油管，所述进油管和出油管均用于连接涡轮机匣和轴承机匣，进油管和出油管均与轴承油腔连通。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述空气管组包括相对设置的进气管和出气管，所述进气管和出气管均用于连接涡轮机匣和轴承机匣，进气管和出气管均与空气冷却腔连通。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述导管组件还包括排气管组，所述排气管组与轴承油腔连通；所述排气管组包括至少三个排气管，所述排气管用于连接涡轮机匣和轴承机匣，排气管与轴承油腔连通。

作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述涡轮叶片组件包括涡轮外环、涡轮内环和多个导向叶片，所述涡轮外环与涡轮机匣相连，所述涡轮内环与轴承机匣相连，涡轮内环设置在涡轮外环内部，所述导向叶片的两端分别与涡轮外环和涡轮内环相连。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种燃气轮机涡轮支点结构，油管组和空气管组均连接涡轮机匣和轴承机匣，其具有径向支撑的功能，而且油管组与轴承油腔连通并形成油路循环流道，可对轴承机匣进行润滑和冷却，空气管组与空气冷却腔连通并形成空气循环流道，使得外界冷空气可进入空气冷却腔中对轴承机匣进行冷却，保证设备可以稳定的持续运行。本发明中空气管组与空气冷却腔建立空气循环流道，由于轴承油腔可与空气冷却腔进行换热，空气管组可冷却轴承油腔，并形成轴承油腔的吹风系统，从而对轴承机匣和滑油进行有效降温，确保涡轮支点结构的刚性。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中燃气轮机涡轮支点结构的立体结构示意图；

图2是图1中a部放大图；

图3是本发明一种实施方式中燃气轮机涡轮支点结构的正面结构示意图；

图4是图3中A-A局部剖面图；

图5是图4中b部放大图；

图6是图4中c部放大图；

图7是图3中B-B局部剖面图；

图8是图3中C-C局部剖面图；

图9是本发明一种实施方式中第一隔热环块的结构示意图；

图10是图9中d部放大图；

图11是本发明一种实施方式中承力拉杆的结构示意图。

图中：1-涡轮机匣；2-涡轮叶片组件；3-轴承机匣；

101-涡轮外机匣组件；102-涡轮内机匣组件；103-第一隔热环块；104-第二隔热环块；105-隔热块；106-膨胀补偿板；107-内衬环；108-开口定位环；109-封堵盖；

201-涡轮外环；202-涡轮内环；203-导向叶片；

301-轴承油腔；302-空气冷却腔；303-轴承外机匣组件；304-轴承内机匣组件；305-空气内腔；306-承力拉杆；307-空气通道；308-杆身；309-排气孔；310-拉紧螺钉；311-杆冒部；312-轴承外机匣环；313-左侧板组件；314-右侧板组件；315-环形隔板；316-轴承内机匣环；317-前外层封严环；318-前内层封严环；319-后外层封严环；320-后内层封严环；

401-进油管；402-出油管；403-进气管；404-出气管；405-排气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1-图11所示，本实施例提供了一种燃气轮机涡轮支点结构，包括涡轮机匣1、涡轮叶片组件2和轴承机匣3，涡轮叶片组件2设置于涡轮机匣1和轴承机匣3之间，轴承机匣3与涡轮转子之间设有轴承油腔301，轴承机匣3内部设有可与轴承油腔301进行换热的空气冷却腔302。轴承机匣3采用合金ZG1Cr11Ni2W2MoV铸造加工，合金ZG1Cr11Ni2W2MoV是耐热不锈钢材料，具有良好的综合力学性能，优异的高温、高压、腐蚀性能，可以承受恶劣的工作环境。

涡轮叶片组件2包括涡轮外环201、涡轮内环202和多个导向叶片203，涡轮外环201与涡轮机匣1相连，涡轮内环202与轴承机匣3相连，涡轮内环202设置在涡轮外环201内部，导向叶片203的两端分别与涡轮外环201和涡轮内环202相连。导向叶片203具有叶片内腔，导向叶片203表面具有通孔，便于对导向叶片203进行散热。涡轮外环201和涡轮内环202均采用分段设计，涡轮外环201和涡轮内环202均分为15个扇形段，每个扇形段连接两个导向叶片203。扇形段在周向上用销钉固定，而在轴向上用环压紧。扇形段和导向叶片203均由K640S材料铸造加工，此材料在高温条件下能够长期组织稳定性且兼具优异力学性能，非常适用于燃气轮机使用。燃气轮机输出功率不断提升，入口温度变得更高，导向叶片203首当其冲受到了比以前更严峻的温度条件。每个导向叶片203都是中空的，通冷却气体用，是冷却系统零件。

该涡轮支点结构还包括导管组件，导管组件穿设在涡轮叶片组件2内部，且导管组件的两端分别与涡轮机匣1和轴承机匣3相连，导管组件包括油管组和空气管组，油管组与轴承油腔301连通并形成油路循环流道，空气管组与空气冷却腔302连通并形成空气循环流道。油管组和空气管组均连接涡轮机匣1和轴承机匣3，其具有径向支撑的功能，而且油管组与轴承油腔301连通并形成油路循环流道，可对轴承机匣3进行润滑和冷却，空气管组与空气冷却腔302连通并形成空气循环流道，使得外界冷空气可进入空气冷却腔302中对轴承机匣3进行冷却，保证设备可以稳定的持续运行。本发明中空气管组与空气冷却腔302建立空气循环流道，由于轴承油腔301可与空气冷却腔302进行换热，空气管组可冷却轴承油腔301，并形成轴承油腔301的吹风系统，从而对轴承机匣3和滑油进行有效降温，确保涡轮支点结构的刚性。

如图3所示，在本实施例中，涡轮机匣1包括涡轮外机匣组件101和涡轮内机匣组件102，涡轮外机匣组件101设置在涡轮内机匣组件102的外侧，油管组和空气管组的一端均固定在涡轮外机匣组件101上。如图5和图6所示，涡轮内机匣组件102与涡轮外环201之间设有第一隔热环块103和第二隔热环块104，减少涡轮叶片组件2的热量传递至涡轮内机匣组件102上。

如图5、图9和图10所示，优选地，第一隔热环块103包括多个呈环状布设的隔热块105，多个呈环状布设的隔热块105的内侧设有内衬环107，确保第一隔热环块103的强度。相邻两个隔热块105之间嵌设有膨胀补偿板106，膨胀补偿板106可补偿隔热块105的冷热变形，确保隔热块105之间的密封性。隔热块105由镍基合金GH4099制造，此材料合金组织稳定，是一种强化高温合金，具有满意的冷加工成型和焊接工艺性能，适用于高温承力焊接结构件。

如图5所示，第一隔热环块103的一侧与涡轮内机匣组件102之间设有开口定位环108，第一隔热环块103的另一侧设有封堵盖109，封堵盖109通过螺栓固定在涡轮内机匣组件102上，方便第一隔热环块103的安装。

如图3所示，在本实施例中，轴承机匣3包括轴承外机匣组件303和轴承内机匣组件304，轴承外机匣组件303与涡轮内环202相连，轴承内机匣组件304设置在轴承外机匣组件303的内侧，轴承内机匣组件304与轴承外机匣组件303之间形成空气冷却腔302，轴承内机匣组件304与涡轮转子之间形成轴承油腔301。

如图4所示，为了进一步提高轴承机匣3的散热效果，轴承外机匣组件303与涡轮叶片组件2之间设有与空气冷却腔302连通的空气内腔305，涡轮机匣1与轴承外机匣组件303之间连接有承力拉杆306，承力拉杆306内设置有空气通道307，空气通道307的一端与外部环境连通，空气通道307的另一端与空气内腔305连通。承力拉杆306的横截面形状呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形，空气通道307的横截面形状对应呈椭圆形、经倒角的长方形或经倒角的梯形。

如图11所示，具体地，承力拉杆306包括杆身308，杆身308与涡轮叶片组件2的叶片内腔间隙配合，且杆身308的外壁面与叶片内腔的壁面不接触。杆身308靠近涡轮外机匣组件101的一端设有用于与涡轮外机匣组件101相连的连接部，连接部设有拉紧连接孔和排气孔309，拉紧连接孔能够连接用于固定承力拉杆306的拉紧螺钉310，排气孔309与空气通道307连通，排气孔309配设有连接头，连接头开设有通气孔，通气孔与空气通道307连通；杆身308的另一端设有向外凸起的杆冒部311，杆冒部311用于与轴承机匣3相连。

将承力拉杆306穿入涡轮叶片组件2后，承力拉杆306能够通过连接部进行紧固连接，其连接方式与现有技术中的螺钉连接或者插销连接方式并无不同；但是由于现有的承力拉杆306多采用圆柱形结构，承力拉杆306在涡轮机匣1以及轴承机匣3的周向上的空间占用较多，使得其连接处需要开设在周向上具有较大宽度的孔，从而对涡轮叶片组件2在设计时所需要计算应力的因素更多，若采用圆柱形结构的承力拉杆306，在设计时，需要对连接处采用更高的材料结构，或者需要降低承力拉杆306的直径；两者都对涡轮叶片组件2的稳定性不利。因此，本实施例中承力拉杆306采用非圆柱形的异形结构，该异形结构采用呈扁形的结构设计，使得承力拉杆306在涡轮机匣1的周向上的占用空间更低，同时能够加强承力拉杆306的径向宽度，从而能够在涡轮机匣1的径向上能够提供加强的支撑力，使涡轮叶片组件2与轴承机匣3和涡轮机匣1在连接处稳定性好、使用寿命长。

如图4所示，在本实施例中，轴承外机匣组件303包括轴承外机匣环312，空气管组的一端与轴承外机匣环312相连，轴承外机匣环312的两侧分别设有左侧板组件313和右侧板组件314，左侧板组件313和右侧板组件314均与涡轮叶片组件2相连，左侧板组件313、轴承外机匣环312、右侧板组件314和涡轮叶片组件2围成空气内腔305。为了促进空气流动和分散，空气内腔305内设有环形隔板315，环形隔板315上开设有与导管组件适配的通孔。油管组和空气管组均能够穿过环形隔板315上的通孔，方便滑油和空气输送。轴承内机匣组件304包括轴承内机匣环316，油管组的一端与轴承内机匣环316相连，轴承内机匣环316的一侧设有前外层封严环317和前内层封严环318，轴承内机匣环316的另一侧设有后外层封严环319和后内层封严环320。

前外层封严环317、前内层封严环318、后外层封严环319和后内层封严环320均由合金0Cr11Ni2MoVNb制造，用于建立轴承油腔301。轴承油腔301可与空气冷却腔302进行换热，从而降低滑油温度。

如图3、图4、图7和图8所示，在本实施例中，油管组包括至少一个进油管401和至少两个出油管402，进油管401和出油管402均用于连接涡轮外机匣组件101和轴承内机匣组件304，进油管401和出油管402均与轴承油腔301连通。空气管组包括相对设置的进气管403和出气管404，进气管403和出气管404均用于连接涡轮外机匣组件101和轴承外机匣组件303，进气管403和出气管404均与空气冷却腔302连通。导管组件还包括排气管组，排气管组与轴承油腔301连通；具体地，排气管组包括至少三个排气管405，排气管405用于连接涡轮外机匣组件101和轴承内机匣组件304，排气管405与轴承油腔301连通，排气管405上设置密封头，确保轴承油腔301的密封性。

进油管401、出油管402、进气管403、出气管404和排气管405均由材料K414铸造或者冲压加工，K414是镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，是航空发动机、燃气轮机高温段使用的高温合金，具有良好的耐磨性、抗拉伸性、抗冲击性。

在本发明描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对本领域技术人员而言，可以理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，实施例描述的具体特征、结构等包含于至少一种实施方式中，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将不同实施方式的特征进行组合。本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式，根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。