肋板控涡结构、旋转盘腔系统、燃气轮机的制作方法

本发明涉及燃气轮机和航空发动机技术领域，尤其涉及一种旋转盘腔内的肋板控涡结构，具有该肋板控涡结构的旋转盘腔系统。

背景技术：

在燃气轮机和航空发动机空气系统中，气体经过旋转盘腔向内或向外流动是非常常见的流动结构，处于不同位置、具有不同结构的旋转盘腔流动有着各自不同的功用。比如：位于压气机端的旋转盘腔一般用于引气，此股气体经由压气机转子根部进入旋转盘腔向内流动到达盘心，再经过不同流路，到达燃气轮机不同位置，实现高温部件冷却、轴承腔封严等各种功能；从压气机所引空气进入涡轮盘腔，在盘腔中向外流动，由低半径的涡轮盘心向高半径盘缘流动以冷却涡轮盘，最后从涡轮转静子根部排入主流道以封严转静子根部，防止主流1000￣2200K高温燃气倒灌进入涡轮盘腔；涡轮叶片预旋进气系统通过增大进入盖板与涡轮盘构成的旋转盘腔内部气流的切线速度，降低冷却气体的相对总温，达到更好的冷却涡轮盘与涡轮叶片的作用。

根据大量的理论与实验研究发现：气体经由旋转盘腔向内或向外流动过程中，由于旋转轮盘固有的摩擦泵效应，靠近旋转盘面的流体具有很大的切线速度，而这会导致涡流的产生，造成很大的压力损失，所以对于盘腔流动的控制根本在于对涡流的控制。

然而，针对不同功能的盘腔，由于要实现的目标不一样，需要采取的控制策略也不相同。

对于压气机端引气盘腔，希望尽量减少引气盘腔内气体沿程流动损失，以较小的引气压力、引气温度、引气量完成封严与冷却来提升燃气轮机整机效率，延长热端部件的使用寿命。针对这一目的，对于这种径向入流的旋转盘腔，需要采取的控制策略是减小盘腔进口旋转比、抑制周向涡流的发展，减少由于强烈的周向涡流造成的总压损失。

对于涡轮转－静系盘腔(由旋转轮盘与静子件构成的盘腔)，增强涡轮盘的冷却效果、减少转静子根部封严所需冷却气量以及减少由于封严气体掺混造成的主流气动损失是盘腔流动优化的目标。优化所采取的策略在于调整盘腔内部流动：针对强化换热，通过增大冷却空气的切线速度，降低气流相对总温；针对减少掺混损失，调整盘腔出口的流体切线速度接近于转、静子交界位置处主流燃气的切线速度。

对于涡轮叶片预旋系统中的转－转系盘腔(由两个相同转速的转子件构成的盘腔)，调整盘腔内部气流的切线速度，使得涡轮叶片冷却通道进口的气流切线速度与此半径处的盘面切线速度相同，减少进口流动损失，从而提高叶片冷却通道进口压力，保证叶片冷气量达到要求。采取的控制策略在于使肋片通道内的气体以强迫涡的方式运动，保证气流切线速度始终与当地盘面切线速度相等。

技术实现要素：

本发明提出了一种简单、通用的控制旋转盘腔内部涡流产生与发展的结构。该结构能够用于盘腔内的向心或离心流动；可以用于转－静系盘腔、转－转系盘腔。通过控制盘腔内部涡流发展，实现不同的目标，如：减少引气总压损失、调整轴向力、增强换热、减少主流与二次流掺混损失等。

总体而言，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：提出一种应用在旋转盘腔内的肋板控涡结构。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种设置在旋转盘腔中的肋板控涡结构，包括：肋板，所述肋板呈环状；和相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径。

根据本发明实施例的另一方面，提出了一种旋转盘腔系统，包括：离心压气机盘腔，离心叶轮盘部分限定所述离心压气机盘腔；涡轮盘腔，涡轮盘部分限定所述涡轮盘腔，其中：离心压气机盘腔与涡轮盘腔之间通过封严结构连通；离心压气机盘腔与涡轮盘腔中的至少一个内设置有肋板控涡结构，该肋板控涡结构包括：肋板，所述肋板呈环状；和相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径。

根据本发明实施例的再一方面，提出了一种旋转盘腔系统，包括涡轮盘腔，涡轮盘部分限定所述涡轮盘腔，其中：涡轮盘腔内设置有肋板控涡结构，肋板控涡结构包括：肋板，所述肋板呈环状；和相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径，所述肋板控涡结构应用于涡轮叶片冷却预旋系统中，所述肋板固定在作为旋转轮盘的涡轮轮盘上，肋板与涡轮轮盘的盘面之间形成涡轮盘腔，所述肋板上设置有供气流流入涡轮盘腔的多个第一孔，每一对周向上相邻的第一肋之间设置有至少一个第一孔。

根据本发明实施例的还一方面，提出了一种燃气轮机，包括上述的旋转盘腔系统。

附图说明

本发明的基本特征将通过具体实施方案，结合附图进行更深入的说明。以下具体实施方案只是本发明的一部分实施例，并不构成对本发明的不当限定。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的、肋板控涡结构应用在离心压气机盘腔及涡轮盘腔中的剖视图，图中较大的箭头指明了主流流动方向，较小箭头指明了空气系统流路流动方向。

图2为根据本发明的一个示例性实施例的应用于图1中的离心压气机盘腔中的肋板的结构示意图；

图3为图2中的肋板的立体示意图；

图4为根据本发明的另一个示例性实施例的、肋板控涡结构应用在离心压气机盘腔及涡轮盘腔中的剖视图；

图5为根据本发明的示例性实施例的、应用在图4的离心压气机盘腔中的肋板的结构示意图；

图6为根据本发明的示例性实施例的、应用于向心流动盘腔以增强旋流的肋板的结构示意图；

图7为根据本发明的一个示例性实施例的应用于图1中的涡轮盘腔中的肋板的结构示意图；

图8为根据本发明的一个示例性实施例的、应用在涡轮叶片冷却预旋系统中的肋板控涡结构的剖视图；

图9为图8中肋板的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

如图1所示，本发明应用于压气机引气流路以及涡轮盘冷却流路，离心压气机盘腔4由离心叶轮盘1、肋板2、静子机匣3、封严环7构成；涡轮盘腔5由涡轮盘9、肋板6(包括肋排11与肋排12)、封严环7组成。

离心叶轮及涡轮盘绕旋转轴8逆时针转动(从左向右看)，图1中较小箭头表示空气系统流路方向：压气机主流道的空气经过离心叶轮转子根部狭缝进入盘腔4，进入盘腔4的气体首先经过肋板2径向向内流动，流入低半径处大腔；流入大腔的气体经过封严结构例如篦齿10进入涡轮盘腔5，进入涡轮盘腔5内的冷却空气经过肋板6及涡轮盘9的表面向外流动，经过涡轮转静子根部进入主流道与主流燃气混合。

如图1所示，肋板控涡结构应用于转－静盘腔向心流动结构包括：构成盘腔的离心压气机轮盘、带有不同形式肋的肋板、构成盘腔的静子机匣，所述离心叶轮盘1及静子机匣形成空气系统引气通道。

如图1所示，肋板2可通过焊接或者螺钉连接的方式固定于静子机匣上。

应用于盘腔向内流动控制策略一般采取“减旋”：减旋目的在于减少总压损失。少数情况下采取“增旋”，目的在于增大径向静压差，减小盘面轴向载荷，调整转子轴向力在止推轴承工作范围内。

肋板靠近离心叶轮一侧的面上设置有周向均匀分布的肋，肋可以为不同形状、不同偏折角度。肋的偏折角度是指肋的中心线与压气机轮盘径向的夹角。肋板上肋的偏折角介于0度￣90度之间，该角度与来流绝对气流角相同时，肋通道进口损失最小。设置具有与来流绝对气流角相同的肋能够减少来流进入肋－肋通道的损失，同时肋与肋之间的通道能够控制周向涡流的发展，通过设计不同结构的肋，使气流以设计的旋转比(气流的切线速度与当地盘面的切线速度的比值)变化规律沿着肋－肋通道向内流动。当旋转比减小时，旋流减弱，实现“减旋”；当旋转比增大时，旋流加强，实现“增旋”。对于安装于低半径处的用于减少总压损失的肋板结构，调整肋－肋通道出口绝对气流角度为0度，可消除通道出口气流旋转对于下游通流元件的流通能力的影响。

肋板可以根据不同的控制目标安装在盘腔高半径或低半径处。当需要减小沿程总压损失或者增大盘腔轴向载荷时，可将肋板安装于盘腔高半径处，直接减小进口气流的旋转比，也可以安装于低半径处，对抑制自由涡有更加明显的效果；当需要减小盘面轴向载荷时，将肋板安装于盘腔高半径处，通过肋板增大气流进口旋转比，增强旋流的发展，进而增大盘面径向静压差，减少盘面平均压力，最终减小盘面轴向载荷。

肋在肋板上周向均匀分布，肋片数量根据肋片所在径向位置决定，保证肋片排具有一定稠度。肋的长度可以根据涡流控制与盘腔压力分布调整的最终目标综合考虑来进行选择。肋板可在相关应用的盘腔内以悬臂型式安排布置其结构，解决温度场作用下结构热应力释放的问题。

肋的高度由肋板与旋转轮盘盘面的间距决定，保证肋的顶端与旋转轮盘间距大于例如1.0mm，优选地，对于1.5mm以避免碰磨。不过，该间距也不宜过大，以避免较多份额的气流未经调制就通过了肋板与旋转轮盘之间的通道，例如，该间距可以小于5mm。肋的高度需保证有足够的有效通流面积。

肋的形状可以为直肋、弯曲肋、导流叶片形式。根据“增旋”与“减旋”的不同目的，进行不同的设计。

肋板2具体结构如图2、图3所示。进入盘腔4的空气在轮盘1与肋板2形成的狭缝内沿径向向内流动，肋板上不同的肋－肋通道能够控制空气径向向内流动过程中周向涡流的发展。

肋板2可以如图1所示装于高半径处，也可以如图4所示装于低半径处。装于低半径处的肋板由于距离盘腔出口更近，对于减小气流旋转比有更加直接和明显的效果。

图4所示肋板2上肋的高度按照盘面曲面形状来确定，使得肋顶与盘面距离基本一致，保证尽可能多的气体处于肋－肋通道内。

图2所示肋板进口角度α等于沿径向向内流动空气进口绝对气流角，ω所示为离心叶轮旋转方向。图2所示为简单直肋结构，肋进口倒圆，减少肋－肋通道进口损失。肋排也可以按照图5、图6设计为导流叶片形式，图5所示形式肋板的肋－肋通道出口气流角基本为0度，用于减弱旋流；图6所示结构形式肋板的通道出口气流角为β，β大于进口角度α，用于增强旋流。

研究表明来流气流具有较大周向速度时会导致下游通流部件流量系数减小，如图1中离心盘腔出口处篦齿10，而这种影响对孔板尤为明显。所以，图5所示结构形式肋板用于低半径处，不仅能够减少压力损失，同时能够消除出口气流周向速度对下游元件影响。

图1中肋板6用于涡轮盘腔5中，安装肋板后将原来大的涡轮盘腔变为小盘腔，能够减小涡轮盘腔转静子根部所需的封严流量，同时隔绝导向器内环对涡轮盘的辐射传热。

设置于涡轮盘腔内部的肋板控涡结构的主要目标是：强化换热，增强冷却气体对涡轮盘的冷却效果；减少冷却封严气从端壁泄露入主流时对主流造成的气动损失。用于增强冷却气体对涡轮盘冷却效果的肋设置于盘腔低半径处。用于减少冷却封严气与主流掺混损失的肋一般设置于盘腔高半径处，通过调整盘腔出口气流角度，使得从端壁泄漏到主流的气体以接近于转子主流进口的切线速度汇入主流燃气，减少掺混损失。具体地，如图1所示，肋板6上有分别位于低半径处的肋排11与高半径处的肋排12。位于低半径处的肋排11控制策略为：调整冷却气流角度，使得气流切线速度增大，从而降低气流相对总温，强化换热，与传统的预旋喷嘴相比，肋板结构得到的流场更加均匀，消除盘面局部热应力集中；位于高半径处的肋排12控制策略为：将肋排12设置于靠近转静子根部，将即将汇入主流的涡轮盘冷却空气切线速度调整为接近于此处主流燃气切线速度，减少掺混对于主流造成的气动损失。

图7为低半径处的肋排11具体结构示意图。气流以很低的切线速度进入肋排通道，通过肋排后气流切线速度大大增加，从而降低气流相对总温，强化涡轮盘的换热。

在图1中，通过安装长的肋板6将大的盘腔隔为小腔，能够减少转静子根部封严所需气量，从而降低空气系统引气量。

类比于肋在向心流动盘腔中的应用，在离心流动的涡轮盘腔中肋的偏折角与进口气流角相等、肋进口进行倒圆、肋在肋板上周向均匀分布并保持一定的稠度。

肋板控涡结构还可应用于涡轮叶片预旋系统中盖板与涡轮盘形成的转－转离心流动盘腔。与涡轮转－静系盘腔不同，肋板用于此处是为了控制叶片通道进口气流切线速度与当地盘面相同，减小叶片通道进口气流压力损失，提高用于叶片冷却的空气的压力，保证叶片冷却气量充足。图8所示为肋板在盘腔系统中的另一实施例，此实施例将肋板结构应用于涡轮叶片冷却预旋系统中。箭头表示冷却空气流动方向，从预旋孔4流进腔5的冷却空气分为三股，一股经过篦齿12流入腔室13用以封严转静子根部，防止主流高温燃气倒灌；一股经过篦齿11流出进入另一腔室；一股经过接收孔9进入涡轮盘腔6。进入涡轮盘腔6内的冷却气体沿径向向外流动，经过肋板2后进入孔10用以冷却涡轮叶片。肋板2固定于旋转轮盘3上，与轮盘3一起绕轴旋转。合理设计肋排形状，使得进入孔10前，气体切线速度与此半径处盘面切线速度相同，减小进口损失。同时肋板2转动能够对肋－肋通道中的冷却空气作功，增大叶片冷气量，保证叶片在高温高载荷状态下长期工作。肋板2具体结构如图9所示，使用直肋排，保证气流在肋－肋通道内旋转比始终为1(气流切线速度与当地盘面切线速度的比)。

综上，本发明提出了如下方案：

1、一种设置在旋转盘腔中的肋板控涡结构，包括：

肋板，所述肋板呈环状；和

相同的多个第一肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第一肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第一肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第一气流引导路径。

2、根据1的肋板控涡结构，其中：第一肋的气流入口端被倒圆。

3、根据1的肋板控涡结构，其中：第一肋的顶端与旋转轮盘的盘面之间的间距在1.0mm－5.0mm之间。

4、根据1的肋板控涡结构，其中：所述肋板安装在静子机匣上。

5、根据4的肋板控涡结构，其中：每一个第一肋的进口偏折角基本上等于来流绝对气流角，第一肋的进口偏折角是指第一肋的进口段的中心线与旋转轮盘径向的夹角。

6、根据4或5的肋板控涡结构，其中：所述旋转盘腔为离心压气机盘腔，所述旋转轮盘为离心叶轮盘。

7、根据6的肋板控涡结构，其中：所述第一肋靠近轮盘盘面的径向内端布置。

8、根据7的肋板控涡结构，其中：所述第一肋为弯曲肋，且第一肋的出口偏折角大致为0度，第一肋的出口偏折角是指第一肋的出口段的中心线与旋转轮盘径向的夹角。

9、根据7的肋板控涡结构，其中：肋板的一端固定到延伸到离心压气机盘腔内的支架，所述支架固定到静子机匣上。

10、根据6的肋板控涡结构，其中：所述第一肋靠近轮盘盘面的径向外端布置。

11、根据5或10的肋板控涡结构，其中：所述第一肋为弯曲肋，且第一肋的出口偏折角大于所述进口偏折角，第一肋的出口偏折角是指第一肋的出口段的中心线与旋转轮盘径向的夹角。

12、根据10的肋板控涡结构，其中：所述第一肋为直肋。

13、根据10的肋板控涡结构，其中：肋板的一端靠近离心叶轮转子根部附近的静子机匣上。

14、根据5的肋板控涡结构，其中：所述旋转轮盘为涡轮盘，所述肋板从离心压气机盘腔的封严结构附近延伸到涡轮盘转静子根部附近，所述肋板与所述涡轮盘之间形成涡轮盘腔，所述涡轮盘腔通过所述封严结构与所述离心压气机盘腔相通。

15、根据14的肋板控涡结构，其中：所述多个肋还包括相同的多个第二肋，布置在肋板的面对旋转轮盘的盘面的第一表面上且面向所述盘面凸出，所述多个第二肋在肋板的周向方向上均匀间隔开布置，所述多个第二肋在肋板的第一表面与所述盘面之间限定第二气流引导路径；所述多个第一肋在肋板的径向内端设置，来自封严结构的至少部分气流进入多个第一肋之间的气流通道；所述多个第二肋在肋板的径向外端设置而靠近涡轮盘转静子根部，涡轮盘腔内的至少部分气流经由多个第二肋之间的气流通道而进入燃气主流道。

16、根据15的肋板控涡结构，其中：所述第一肋为弯曲肋，且第一肋的出口偏折角设计成增大流出第一肋之间的气流通道的出口气流的切线速度，第一肋的出口偏折角是指第一肋的出口段的中心线与旋转轮盘径向的夹角；所述第二肋为弯曲肋，第二肋的径向外端靠近涡轮盘转静子轮缘，且第二肋的出口偏折角构造成使得流出第二肋之间的气流通道的出口气流的切线速度与主流燃气切线速度相近，第二肋的出口偏折角是指第二肋的出口段的中心线与旋转轮盘径向的夹角。

17、根据15的肋板控涡结构，其中：第二肋的气流入口端被倒圆。

18、根据14的肋板控涡结构，其中：所述肋板上仅设置有第一肋，第一肋的一端靠近肋板的径向内端，另一端靠近涡轮盘转静子根部。

19、根据4的肋板控涡结构，其中：肋板的一端固定到静子机匣，另一端为自由端。

20、根据1的肋板控涡结构，其中：所述肋板控涡结构应用于涡轮叶片冷却预旋系统中，所述肋板固定在作为旋转轮盘的涡轮轮盘上，肋板与涡轮轮盘的盘面之间形成涡轮盘腔，所述肋板上设置有供气流流入涡轮盘腔的多个第一孔，每一对周向上相邻的第一肋之间设置有至少一个第一孔。

21、根据20的肋板控涡结构，其中：所述第一肋为直肋，第一肋的出口偏折角大致为0度，第一肋的出口偏折角是指第一肋的中心线与涡轮轮盘径向的夹角。

22、根据21的肋板控涡结构，其中：每一对周向上相邻的第一肋之间设置有一个第一孔，所有的第一孔沿一个圆周等间隔布置，每一条第一肋的径向内端延伸过第一孔所在的圆周，每一条第一肋的径向外端靠近涡轮叶片冷却通道进口。

23、一种旋转盘腔系统，包括：离心压气机盘腔，离心叶轮盘部分限定所述离心压气机盘腔；涡轮盘腔，涡轮盘部分限定所述涡轮盘腔，其中：离心压气机盘腔与涡轮盘腔之间通过封严结构连通；离心压气机盘腔与涡轮盘腔中的至少一个内设置有根据1－5、19中任一项的肋板控涡结构。

24、根据23的旋转盘腔系统，其中：离心压气机盘腔内设置有根据权利要求6－13中任一项所述的肋板控涡结构。

25、根据23或24的旋转盘腔系统，其中：涡轮盘腔内设置有根据权利要求14－18中任一项所述的肋板控涡结构。

26、一种旋转盘腔系统，包括涡轮盘腔，涡轮盘部分限定所述涡轮盘腔，其中：涡轮盘腔内设置有根据20－22中任一项的肋板控涡结构。

27、一种燃气轮机，包括根据23－26中任一项的旋转盘腔系统。

本发明的肋板控涡结构通过在盘腔内安装带有肋条的肋板，对盘腔内的涡流产生与发展进行调控，该发明至少具有如下优点之一：

①、结构简单，非常易于实现。简单的肋板结构，易于加工与安装，重量轻，同时由于肋板安装于静子件上(少数情况也安装于转子件上)可以避免振动问题。

②、肋板上肋的形式多变，根据需要设计为直肋、弯曲肋、导流叶片形式肋。

③、肋板结构应用广泛。该肋板结构可以应用于盘腔向心或离心流动。可以实现减少盘腔引气总压损失；调整盘腔内部压力分布从而调整转子止推轴承所承受的轴向载荷；调整盘腔内部冷却气流角度，从而减小相对总温，加强换热；调整盘腔转静子根部泄漏流切线速度与涡轮转子进口主流切线速度接近，减少掺混损失。

④、肋板能够起到隔热的作用。安装于离心背腔的肋板能够隔绝燃烧室热量的传导，安装于涡轮盘腔的肋板能够隔绝燃烧室出口高温静子机匣对于涡轮盘的热量传导，而且肋板为薄板结构，一端为自由端，能够自由膨胀，可以解决不同温度分布下结构热应力的释放问题。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。