专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，通过在静子机匣或离心转子罩壳上设置沿周向均匀分布的控涡孔，并通过控涡孔向离心压气机盘腔内引入燃烧室低旋流二股冷却空气，并与从离心叶轮出口根部进入离心压气机背腔的高旋流主气流发生掺混，使得掺混后的气流向内流动并最终进入高压涡轮盘前腔，用于提高高压涡轮盘冷却、封严气的压力，调整离心压气机背腔内压力分布以调整转子轴向力在止推轴承工作范围内。当控涡孔出口气流的旋流与主流旋流同方向且数值更大时，引入的气流增强主流的旋流，此时背腔内压力损失增大；当控涡孔出口气流的旋流与主流旋流同向但数值更小或者反向时，引入的气流减弱主流的旋流，此时压力损失减小。

权利要求

1.一种燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，所述燃气轮机包括燃烧室以及同轴设置在高压转子轴上并紧邻布置的离心压气机和高压燃气涡轮，离心叶轮盘和高压涡轮盘之间设置有静子机匣，所述静子机匣的下游端固定设置一封严篦齿环，所述封严篦齿环的末端抵接在所述高压涡轮盘前端的高压转子轴上，所述静子机匣在其低半径位置处向下游折弯，并在该折弯位置处设置一离心转子罩壳，所述离心转子罩壳的末端抵接在所述封严篦齿环末端的外表面上；

其中，

所述封严篦齿环紧邻所述高压涡轮盘设置，二者之间的空间形成为高压涡轮盘前腔；

所述离心转子罩壳紧邻所述离心叶轮盘的背部设置，且所述离心转子罩壳与所述离心叶轮盘的背部形状大体一致，所述静子机匣的折弯位置上游的高半径位置的机匣内侧、离心转子罩壳的内侧与离心叶轮盘的背部之间的空间形成为离心压气机背腔；

其特征在于，

所述离心叶轮盘的出口根部与所述静子机匣的内侧之间设置有狭缝，离心压气机主流道内的部分高旋流主气流经所述狭缝进入所述离心压气机背腔中；

所述静子机匣或离心转子罩壳上设有沿周向均匀分布的控涡孔，所述控涡孔与其所在板面的切线方向具有10°～170°的夹角，所述静子机匣的外侧引入燃烧室低旋流二股冷却空气，所述燃烧室低旋流二股冷却空气经所述控涡孔进入所述离心压气机背腔中；

所述高旋流主气流与所述燃烧室低旋流二股冷却空气在所述离心压气机背腔中进行掺混，掺混后的气流进入所述高压涡轮盘前腔中，用于所述高压涡轮盘的冷却及封严，并调整所述离心压气机背腔内的气流作用在所述离心叶轮盘背面上的轴向力。

2.根据权利要求1所述的控涡流路系统，其特征在于，为了减少气流通过所述控涡孔的压力损失，所述控涡孔的进口处设置有倒圆或倒角。

3.根据权利要求1所述的控涡流路系统，其特征在于，为了保证控涡孔出口射流具有设计的射流速度及方向，所述控涡孔的长径比大于3。

4.根据权利要求1所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔在径向上设置在所述静子机匣的高半径位置处，所述燃烧室低旋流二股冷却空气在所述离心压气机背腔的高半径位置处与所述高旋流主气流进行掺混，改变整个离心压气机背腔内部气流的压力分布及出口压力。

5.根据权利要求4所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力减小，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力减小。

6.根据权利要求4所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度小于所述高旋流主气流的旋流程度，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力增大，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力增大。

7.根据权利要求4所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相反，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力增大，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力增大。

8.根据权利要求1所述的控涡流路系统，其特征在于，所述离心转子罩壳的与所述离心叶轮盘正对的壳体表面上也对应设置有所述控涡孔，所述静子机匣的低半径位置处沿周向均匀设置有多个气流通孔，所述燃烧室低旋流二股冷却空气依次经设置在所述静子机匣上的气流通孔、设置在所述离心转子罩壳的控涡孔后进入所述离心压气机背腔中，并与所述高旋流主气流在所述离心压气机背腔的低半径位置处进行掺混，以改变所述离心压气机背腔的出口压力，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，气流作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

9.根据权利要求8所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力减小，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

10.根据权利要求8所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度小于所述高旋流主气流的旋流程度，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力增大，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

11.根据权利要求8所述的控涡流路系统，其特征在于，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相反，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力增大，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

说明书

技术领域

本发明属于地面燃气轮机和航空发动机空气系统技术领域，涉及一种控涡流路系统，具体涉及一种设置于燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，通过在离心压气机背腔的合适位置设置控涡孔结构，对离心压气机背腔中的气体流动进行组织，用于调整高压转子轴向力以及高压涡轮盘冷却、封严气压力。

背景技术

对于采用高压比离心压气机结构布局的中小型燃气轮机和航空发动机(属于燃气轮机的一种)，用于实现高压涡轮盘的冷却、封严以及高压转子轴向力调节等空气系统功能的空气一般来自于离心压气机出口根部引气。此股气体经由压气机转子根部进入离心压气机背腔向内流动到达盘心，再经过封严结构进入涡轮盘腔，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。此外，由于空气系统中所有转盘上的轴向载荷共同决定了转子总的轴向载荷，其中压力高、半径大的离心压气机轮盘对总的轴向载荷影响最大。因此，对离心压气机背腔内压力分布及损失进行调控具有重要意义。

根据大量的理论与实验研究发现：气体经由离心压气机背腔向内流动过程中，流动将以自由涡形式发展，在径向内流的过程中气流切向速度(即旋流)会逐渐升高，而切向速度的升高会产生很大的径向压力梯度，由此带来很大的压力损失，所以对于离心压气机背腔内压力分布及损失的控制根本在于对切向速度(旋流)的控制。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提出了一种燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，通过在静子机匣或离心转子罩壳上设置沿周向均匀分布的控涡孔，并通过控涡孔向离心压气机盘腔内引入燃烧室低旋流二股冷却空气，并与从离心叶轮出口根部进入离心压气机背腔的高旋流主气流发生掺混，以调控燃气轮机和航空发动机中离心压气机背腔中的压力分布及损失，继而用于提高高压涡轮盘冷却、封严气的压力，并可调整高压转子轴向力在止推轴承工作范围内。

为实现该目标，本发明采用的技术方案为：

一种燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，所述燃气轮机包括燃烧室以及同轴设置在高压转子轴上并紧邻布置的离心压气机和高压燃气涡轮，离心叶轮盘和高压涡轮盘之间设置有静子机匣，所述静子机匣的下游端固定设置一封严篦齿环，所述封严篦齿环的外环固定在所述高压涡轮盘前的导向器内环上，所述静子机匣在其低半径位置处向下游折弯，并在该折弯位置处设置一离心转子罩壳，所述离心转子罩壳的末端抵接在所述封严篦齿环末端的外表面上；

其中，

所述封严篦齿环紧邻所述高压涡轮盘设置，二者之间的空间形成为高压涡轮盘前腔；

所述离心转子罩壳紧邻所述离心叶轮盘的背部设置，且所述离心转子罩壳与所述离心叶轮盘的背部形状大体一致，所述静子机匣的折弯位置上游的高半径位置的机匣内侧、离心转子罩壳的内侧与离心叶轮盘的背部之间的空间形成为离心压气机背腔；

其特征在于，

所述离心叶轮盘的出口根部与所述静子机匣的内侧之间设置有狭缝，离心压气机主流道内的部分高旋流主气流经所述狭缝进入所述离心压气机背腔中；

所述静子机匣或离心转子罩壳上设有沿周向均匀分布的控涡孔，所述静子机匣的外侧引入燃烧室低旋流二股冷却空气，所述燃烧室低旋流二股冷却空气经所述控涡孔进入所述离心压气机背腔中；

所述高旋流主气流与所述燃烧室低旋流二股冷却空气在所述离心压气机背腔中进行掺混，掺混后的气流进入所述高压涡轮盘前腔中，用于所述高压涡轮盘的冷却及封严，并调整所述离心压气机背腔内的气流作用在所述离心叶轮盘背面上的轴向力。

本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统中，通过在静子机匣和/或离心转子罩壳上设置沿周向均匀分布的控涡孔，并通过控涡孔向离心压气机盘腔内引入燃烧室低旋流二股冷却空气与从离心叶轮出口根部进入离心压气机背腔的高旋流主气流发生掺混，掺混后的气流向内流动并最终进入高压涡轮盘前腔，用于高压盘的冷却及封严，并调整背腔内的气流作用于离心叶轮盘背面上的轴向力。

本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统中，通过在靠近离心压气机背腔低半径位置处布置的离心转子罩壳，可有效缩小离心压气机盘腔的轴向尺寸，限制轴向流动，保证高旋流主气流与燃烧室低旋流二股冷却气流进行更充分的掺混。

较优地，为了减少气流通过所述控涡孔的压力损失，所述控涡孔的进口处设置有倒圆或倒角。

较优地，为了保证控涡孔出口射流具有设计的射流速度及方向，所述控涡孔的长径比(孔的长度与直径比值)大于3。

较优地，所述控涡孔与其所在板面的切线方向具有一定夹角，考虑到实际加工的可能性，夹角范围为10°～170°。

可选择的，所述控涡孔在径向上设置在所述静子机匣的高半径位置处，所述燃烧室低旋流二股冷却空气在所述离心压气机背腔的高半径位置处与所述高旋流主气流进行掺混，改变整个离心压气机背腔内部气流的压力分布及出口压力。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力减小，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力减小。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度小于所述高旋流主气流的旋流程度，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力增大，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力增大。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相反，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使所述离心压气机背腔内的气流压力增大，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力增大。

可选择的，所述离心转子罩壳的与所述离心叶轮盘正对的壳体表面上也对应设置有所述控涡孔，所述静子机匣的低半径位置处沿周向均匀设置有多个气流通孔，所述燃烧室低旋流二股冷却空气依次经设置在所述静子机匣上的气流通孔、设置在所述离心转子罩壳的控涡孔后进入所述离心压气机背腔中，并与所述高旋流主气流在所述离心压气机背腔的低半径位置处进行掺混，以改变所述离心压气机背腔的出口压力，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，气流作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度更大，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力减小，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相同，且所述控涡孔的倾斜程度使得通过所述控涡孔的出口气流的旋流程度小于所述高旋流主气流的旋流程度，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力增大，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

进一步地，所述控涡孔的倾斜方向与所述离心叶轮盘的旋转方向相反，使得掺混后的气流其旋流程度较所述高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得所述离心压气机背腔的出口压力增大，而所述离心压气机背腔内的气流压力分布基本不变，作用于所述离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

同现有技术相比，本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统具有显著的技术效果：通过在静子机匣或离心转子罩壳上设置沿周向均匀分布的控涡孔，并通过控涡孔向离心压气机盘腔内引入燃烧室低旋流二股冷却空气，并与从离心叶轮出口根部进入离心压气机背腔的高旋流主气流发生掺混，使得掺混后的气流向内流动并最终进入高压涡轮盘前腔，用于高压盘的冷却及封严，并调整背腔内的气流作用于离心叶轮盘背面上的轴向力。当控涡孔出口气流的旋流与主流旋流同方向且数值更大时，通过控涡孔引入的气流将起到增强主流旋流的作用，此时盘腔内压力损失增大；当控涡孔出口气流的旋流与主流旋流同向但数值更小或者反向时，引入的气流将起到减弱主流旋流的作用，此时压力损失减小。

附图说明

图1为本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统实施例1的示意图，图中粗箭头代表气体流动方向；

图2为通过控涡孔中心的环形截面流线及旋流分布云图；

图3为本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统实施例2的示意图，图中粗箭头代表气体流动方向；

图中：离心叶轮盘1、静子机匣2、高压涡轮盘3、离心转子罩壳4、离心压气机背腔5、控涡孔6、高旋流主流空气7、燃烧室低旋流二股冷却空气8、封严篦齿环9、高压涡轮盘前腔10、控涡孔11、气流通孔12。

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。

实施例1

如图1所示，本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统，适用于采用高压比离心压气机结构布局的中小型燃气轮机和航空发动机，燃气轮机包括燃烧室以及同轴设置在高压转子轴上并紧邻布置的离心压气机和高压燃气涡轮，离心叶轮盘1和高压涡轮盘3之间设置有静子机匣2，静子机匣2的下游端固定设置一封严篦齿环9，封严篦齿环9的外环固定在高压涡轮盘3前的导向器内环上，静子机匣2在其低半径位置处向下游折弯，并在该折弯位置处设置一离心转子罩壳4，离心转子罩壳4的末端抵接在封严篦齿环9末端的外表面上；封严篦齿环9紧邻高压涡轮盘3设置，二者之间的空间形成为高压涡轮盘前腔10；离心转子罩壳4紧邻离心叶轮盘1的背部设置，且离心转子罩壳4与离心叶轮盘1的背部形状大体一致，静子机匣2的折弯位置上游的高半径位置的机匣内侧、离心转子罩壳4的内侧与离心叶轮盘1的背部之间的空间形成为离心压气机背腔5。

离心叶轮盘1的出口根部与静子机匣2的内侧之间设置有狭缝，压气机主流道的高旋流主流空气7经过离心叶轮转子根部狭缝进入离心压气机背腔5，静子机匣2的外侧引入燃烧室低旋流二股冷却空气8，静子机匣2的高半径位置处沿周向均匀设置有控涡孔6，燃烧室低旋流二股冷却空气8经过能调整旋流大小及方向的控涡孔6进入离心压气机背腔5，这两股气流在离心压气机背腔5内发生掺混，掺混后气流向内流动并经过封严篦齿环9进入高压涡轮盘前腔10，用于高压涡轮盘3的冷却及轮缘封严，并可调整高压转子轴向力在止推轴承工作范围内。

本发明的燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统中，通过在靠近离心压气机背腔低半径位置处布置的离心转子罩壳4，可有效减少离心压气机背腔5的轴向尺寸，限制轴向流动，保证两股气流充分掺混。如图2所示为通过控涡孔中心的环形截面流线及旋流分布云图，当控涡孔6倾斜方向与转盘旋转方向相反时，控涡孔6出口射流旋转方向与高旋流主气流相反，此时从控涡孔6引入的燃烧室低旋流二股冷却空气8将起到减弱主流旋流的作用，称为“消旋效应”，离心压气机背腔5内的气流压力损失减小，用于高压涡轮盘冷却封严的空气压力增大，作用于离心压气机盘面上的轴向力增大。当控涡孔6出口气流的旋流与主流旋流同方向且数值更大时，通过控涡孔6引入的气流将起到增强主流旋流的作用，称为“增旋效应”，此时离心压气机背腔5内压力损失增大，用于高压涡轮盘冷却封严的空气压力减小，作用于离心压气机盘面上的轴向力减小。

实施例2

实施例1中的控涡孔位于高半径位置，此时轴向力及冷却封严气压力都受到影响。对于只想要增大高压涡轮盘冷却封严空气压力，不想改变离心压气机盘面上的轴向载荷的情况，将控涡孔布置于靠近离心叶轮盘心的低半径位置来实现。如图3所示，将控涡孔11布置于离心转子罩壳4的低半径位置处，在低半径处布置的控涡孔11主要影响离心压气机出口的压力，对高半径处的压力分布影响很小。为保证控涡孔的长径比不小于3，离心转子罩壳4在控涡孔11位置处局部加厚，同时需要在静止机匣上布置气流通孔12，来自于燃烧室的低旋流二股冷却气体依次通过气流通孔12、控涡孔11到达离心压气机背腔。

当控涡孔11的倾斜方向与离心叶轮盘1的旋转方向相同，且控涡孔11的倾斜程度使得通过控涡孔11的出口气流的旋流程度较高旋流主气流的旋流程度更大时，使得掺混后的气流其旋流程度较高旋流主气流的旋流程度更大，继而使得离心压气机背腔5的出口压力减小，而离心压气机背腔5内的气流压力分布基本不变，作用于离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

当控涡孔11的倾斜方向与离心叶轮盘1的旋转方向相同，且控涡孔的倾斜程度使得通过控涡孔的出口气流的旋流程度小于高旋流主气流的旋流程度时，使得掺混后的气流其旋流程度较高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得离心压气机背腔5的出口压力增大，而离心压气机背腔5内的气流压力分布基本不变，作用于离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

当控涡孔11的倾斜方向与离心叶轮盘1的旋转方向相反，使得掺混后的气流其旋流程度较高旋流主气流的旋流程度降低，继而使得离心压气机背腔5的出口压力增大，而离心压气机背腔5内的气流压力分布基本不变，作用于离心叶轮盘背面上的轴向力基本不变。

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。

一种燃气轮机中离心压气机背腔的控涡流路系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。