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1、某重型燃机透平结构设计特点杨养花尹加录马风柯李子志( 沈阳航空发动机设计研究所，沈阳1 1 0 0 1 5 )摘要L 本：文主要从结构设计的角度出发，简要介绍了某重型燃机透平设计中，包括气冷叶片、叶尖间隙控制、整体外环蜂窝、后支承环组件等一些先进的结构设计方法，并指出了各自的优缺点一、概述某重型燃机是一台单轴、：双支点3 轴承、简单循环、前输出的发电用工业燃气轮机，用于在基本负荷状态和尖峰负荷调蜂状态下的单独供电或热电联供。主要性能指标：设计转速：3 0 0 0 r m i n ，标准状态下额定负荷：1 1 4 5 M W ，透平前温度：1 2 1 0 ，总寿命I1 0 万小时。主要结构参数：
2、重量6 0 t机匣总长5 8 2 8 5 z s a转子总长5 3 8 1 。1 舳最大直径3 7 0 0 m m透平共有4 级。其转子由一四级盘、第一级吊挂盘、第四级吊挂盘、I 工V 级动叶片等组成。转子通过紧度螺栓刚性地与压气机转子固定在一起。静子由I I V 级导向器和后承力框架组成( 见图1 ) 。二、冷却叶片内腔的结构设计一种新式的强化换热结构透平的I 、级静叶片及I 、级动叶片为气冷叶片。各级气冷叶片由于所处的环境不同，结构和强度的要求不同，选用的冷却方式各异，内部冷却结构也有差异，但有一共同点：就是内腔表面沿叶高设有数列不同结构形式和不同方向的“矩阵形”肋，而且，叶盆和叶背的肋是
3、相互交错的，使叶片内部形成密布的迷宫式结构，冷却气进入叶片内腔后，迂回而行，强迫进入每一个部位。有的在相邻的两肋间另开有柱状的涡槽，使冷气形成局部涡流，进一步加强冷却效果。这种叶盆叶背内表面交错肋设置，不仅冷却效果好，而且与目前空心叶片相比，大大增强了叶身的刚性，特别适用子动力涡轮和结构尺寸较大( i 0 0 蕊以上长度) 的燃机透平冷却叶片的设计。对于较小的冷却叶片内腔结构设计有一定的参考价值。其缺点是型芯复杂，脱芯较困难。图2 是叶片内腔型芯结构图。三、I 级透平叶尖间隙控制设计图1 透平结构图2 叶片内腔型芯结构图I 级透平叶尖间隙控制是透平设计的一个难点和重点。由手透平温度高，难以保证
4、各种j 趺态下最佳的叶尖间隙。叶尖间隙的大小直接影响透平的效率：过大的叶尖间隙使透平效率大大下1 4 5降。重型燃机在设计时，从结构设计和冷却两方面着手保证间隙的控制。如图3 所示，带“螺旋型”冷却槽的外环壳体前安装边用螺栓固定在承力气缸上，蜂窝外环扇块嵌在外环壳体内，个厚1 2 5 嘲的外环罩套在外环壳体外部，这样做主要保证静子外环系统有足够的热容量，同时也起隔热作用，保障发动机状态变化时有良好的协动性。在外环罩和外环壳体间通有经水冷器循环后的冷却气体，冷气经过外环壳体上“螺旋型”的槽和后方的径向孔后，进入蜂窝外环块和带螺旋型冷却槽的外环壳体之间，进行冷却。保证合适的叶尖间隙。四、整体蜂窝外
5、环结构设计图3 透平一级叶尖间隙控制结构设计重型燃机的第1 到第1 V 级外环蜂窝、第1 I 到I V 级级间隔板内环蜂窝都是在铸件机体内表面直接电脉冲加工出来的蜂窝结构，如图4 所示。蜂窝内孔3 锄3 吼，孔深4 衄，蜂窝间壁厚0 2 0 4 哪。此种蜂窝结构在国内设计、生产都是首次，目前国内大多采用焊接结构的蜂窝外环，这种蜂窝主要受焊料熔化温度1 1 0 0 的限制，主要用在航机上环境温度低于8 0 0 “ C 的地方。整体蜂窝外环结构与焊接结构的蜂窝相比，使用上可避免高温脱焊的故障发生，结构可靠性得到了提高，寿命从几百小时一下跨越到2 5 0 0 0 小时。缺点是加工难度大，电极接刀处蜂
6、窝错位，电极磨损后齿形难以保证。五、后支承环的结构设计图4 蜂窝结构 Q透平后支承环是发动机的主要承力和传力件，又处在高温区，所以是发动机设计的重点和难点之一。已往的使用经验表明，焊接结构的后承力环内应力大，热变形协调性差，易出现裂纹。该燃机从设计和安装两方面考虑解决这些问题。后支承环组件在设计上主要采用铸造的1 2 个支柱和具有“C ”型弹性截面的后承力环结构。后支承环组件( 图5 ) 从外到内依次由后气缸、1 2 个支柱、- 后承力环和轴承座等组成。- 后气缸为环锻件，支柱为铸造件，后承力环是环锻件，且特设计成“c ”型弹性截面，能有效地吸收热变型，进行热补偿。轴承座与后承力环、后承力环与
7、支柱都用螺栓连接，支柱的顶部端面“零”闻隙贴紧后气缸，7 内表面，并用螺钉拉紧。安装时，后承力环与支柱先用工艺螺栓连接试装，根据后气缸内表面与支柱配合处的实际尺寸，对支柱顶部端面加1 完后，装上后气缸，拧紧顶部螺钉。然后一加工后承力环与支柱的连接螺栓孔，装上螺栓拧紧。这种加工和安装方法能很好地保证各支柱受力均匀、后支承环组件上各个零件承载均匀。1 4 7图5 后承力环组件六、透平静子叶片缘板的结构设计一种新型简单的设计方法静叶片缘板的设计除合理的将叶身的顶、根叶型包容在里面以外，在结构上的要求莫过于组装成整环导向器时，相邻缘板之间流道光滑，无突起，整环叶片缘板前、后端面齐平无锯齿。该燃机静叶片
8、的两侧面设计思想是：当叶片置于正上方( 积叠轴竖直方向) ，左侧面是垂直于水平面的，且不过圆心。当将叶片向左旋转一个分布角后，右侧面重合于刚才的左侧面位置。这种设计方法设计的叶片，与目前的设计方法比较，安装成整环导向器时，上下缘板的侧向间隙是相同的，不会出现上大下小的情况，设计时无需考虑二面角计算和一些复杂的尺寸转换计算，视图清晰简单，减少了人为的积累误差。这种设计方法在图纸设计上减少了一个沿两侧面的侧向视图。结论重型燃机的设计，有好多地方值得我们去仔细地分析，除上述先进的结构设计外，还有好多巧妙的细节设计，如转子平衡块的设计和固定、转子叶片的锁紧、转子连接螺钉的锁紧等，在这里未一一做介绍，如果感兴趣的话，愿共同探讨和分享。i 4 9
