[发明专利]整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机

说明书

本发明公开了一种整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，通过在涡轮外环与支撑环之间留有一定的径向间隙，以释放涡轮外环的径向和周向的热应力，涡轮外环的热量向支撑环传递的较少，且涡轮外环的热变形不会受支撑环变形的影响，因此，涡轮外环与周围零件的匹配性及可靠性能好，提高了涡轮外环及其周围零件的使用寿命；涡轮外环与支撑环之间设有弹性件，以缓冲涡轮外环的径向变形，且使涡轮外环各个位置的径向变形量均匀，有效的保证了涡轮叶尖间隙均匀，进而保证了涡轮性能；另外，涡轮外环采用陶瓷基复合材料和整环结构，能够承受更高的温度，且减少了高压燃气从周向缝隙中泄露；相对于集成化的涡轮外环，涡轮外环损伤后方便进行更换。

技术领域

本发明涉及涡轮发动机领域，特别地，涉及一种整体式涡轮外环连接结构。此外，本发明还涉及一种包括上述整体式涡轮外环连接结构的涡轮发动机。

背景技术

目前燃气涡轮发动机以及地面燃机涡轮前温度已高达1600～2000K，这使得直接与高温高压燃气接触的燃气涡轮导向叶片、涡轮外环、转子叶片等零部件成为了发动机中工作条件最恶劣的零部件之一。对于燃气涡轮外环而言，其不仅作为涡轮流道的一个重要静子件，也与涡轮机匣一起为涡轮转子叶尖提供最合适的间隙。涡轮外环虽然是静子件，但也直接接触高温燃气，同时由于燃气气流温度场的周向不均性导致涡轮外环的受热也是不均匀的，再加上与相邻零件的尺寸、材料也不尽相同，这些差异导致各个零件的变形也不同。因此涡轮外环不仅要保证较好的叶尖间隙，同时还要自身耐高温、热应力小，还要与相邻零件具有可靠的连接和良好的热匹配。

目前的燃气涡轮发动机涡轮外环通常材料高温合金金属材料，为了保证涡轮外环的强度寿命和可靠性，降低使用和维护成本，通常的做法是：

(1)在涡轮外环上打若干冷却孔，并从二次流空气系统中引出一定量的冷却空气对涡轮外环进行冷却，以降低涡轮外环工作状态下的零件金属温度；但是这种方案中，涡轮外环的冷却需要一定量的冷却空气，为了保证冷却后的涡轮外环的金属温度在材料的耐温范围内且预留一定的裕度，需要的冷气量可能会较大，这无疑会增加涡轮部件的总冷气量，影响整个涡轮部件性能。

(2)涡轮外环通过挂钩结构或螺栓连接安装在涡轮机匣的环槽上，由于涡轮机匣的温度水平较涡轮外环低，因此通常会将整环的涡轮外环分成若干扇形，涡轮外环在机匣的安装约束下径向热膨胀变形被限制，但这也仅仅使得涡轮外环的周向热变形在一定程度上无约束，热应力得到一定的释放从而减小了部分热应力，由于涡轮外环通过挂钩安装在涡轮机匣的环槽上，受到径向安装约束的限制，分段结构的涡轮外环受热膨胀变形完全不被约束的程度受限，必然导致热应力不能被完全释放。

(3)也有将涡轮外环集成在其他零件上的结构设计，例如在涡轮导向器的外伸环上对应转子叶片的位置集成设计外环，这也是整环式涡轮外环的另一种结构形式，也同样存在热应力无法完全释放的问题，另外受其结构形式的限制，不能用于温度较高的燃气涡轮部分，同时涡轮外环损伤后不能进行更换而导致整个零件报废，产品成本较高。

以上的结构设计，都存在热应力不能被完全释放且不同位置热变形不均匀的问题，影响涡轮的性能。

发明内容

本发明提供了一种整体式涡轮外环连接结构及涡轮发动机，以解决现有的涡轮外环连接结构热应力不能完全释放及涡轮外环热变形不均匀的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种整体式涡轮外环连接结构，包括涡轮机匣、设置在涡轮机匣上的支撑环及与支撑环连接的涡轮外环，涡轮外环与支撑环之间设有用于释放涡轮外环热应力的径向间隙，支撑环与涡轮外环之间设有多个用于缓冲涡轮外环上的径向变形量，且使涡轮外环上不同位置的径向变形量均匀的弹性件。

进一步地，支撑环与涡轮外环经防转螺栓连接，支撑环上设有与防转螺栓配合的安装孔，涡轮外环上设有与防转螺栓配合的定位孔；防转螺栓包括：头部和杆部，杆部包括：与头部连接且与安装孔配合的外螺纹段及与定位孔配合的圆柱段，圆柱段与定位孔间隙配合。