一种涡轮结构及涡轮泵

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一种涡轮结构及涡轮泵
申请号	CN202310141925.7	申请日	2023-02-21	公开(公告)号	CN115898636A	公开(公告)日	2023-04-04
申请人	蓝箭航天空间科技股份有限公司;			发明人	李金鸽; 王磊; 刘磊; 梁润孜; 张树强; 李永鹏; 王琳;
摘要	本发明提供了一种涡轮结构及涡轮泵，至少包括涡轮壳体、喷嘴叶栅环、双级涡轮盘、第一涡轮密封环、导向环、第二涡轮密封环和连接结构。在保证涡轮高效率和高可靠性的前提下，将喷嘴也栅环和双级涡轮盘安装在涡轮壳体内，通过连接结构可以将第二涡轮密封环、导向环和第一涡轮密封环全部固定安装于涡轮壳体，进而将双级涡轮盘和喷嘴叶栅环密封安装在涡轮壳体内，从而完成涡轮结构的装配。当在发动机试车过程中出现故障，且涡轮叶片可能发生烧蚀时，无需再将发动机撤离试车台，可以通过拆卸连接机构，将导向环和两个涡轮密封环全部拆除，从而快速判断故障原因，非常有利于涡轮盘和喷嘴叶栅环的故障诊断及维修。
权利要求	1.一种涡轮结构，其特征在于，至少包括涡轮壳体、喷嘴叶栅环、双级涡轮盘、第一涡轮密封环、导向环、第二涡轮密封环和连接结构；所述喷嘴叶栅环和所述双级涡轮盘同轴设置于所述涡轮壳体内，所述喷嘴叶栅环的叶片通道用于将燃气加速产生高速气流，推动所述双级涡轮盘输出轴功；所述双级涡轮盘包括转盘，以及同轴设置于所述转盘外周的一级动叶和二级动叶；所述导向环的叶片通道设置于所述一级动叶通道和所述二级动叶通道之间，所述导向环的外环部设置于所述第一涡轮密封环和所述第二涡轮密封环之间；所述连接结构依次穿过所述第二涡轮密封环、所述导向环和所述第一涡轮密封环后与所述涡轮壳体连接，将所述双级涡轮盘和所述喷嘴叶栅环包覆在所述涡轮壳体内。 2.根据权利要求1所述的涡轮结构，其特征在于，所述涡轮壳体包括：燃气弯管、集气环、第一起动凸台以及第二起动凸台；所述燃气弯管与所述集气环径向的一侧外壁连通，所述集气环的另一侧外壁供所述第一起动凸台和所述第二起动凸台连通设置；所述集气环轴向两端均设有法兰；所述第一起动凸台和所述第二起动凸台的高度不大于所述法兰的高度。 3.根据权利要求2所述的涡轮结构，其特征在于，所述第一起动凸台用于供火药起动器连通，其孔径与火药起动器匹配设置；所述第二起动凸台配有不同孔径的法兰，以便于与多种气体的起动阀门连通。 4.根据权利要求1所述的涡轮结构，其特征在于，所述导向环包括三个等面积的扇形环；各所述扇形环的径向外围设有多个安装孔；所述连接结构通过依次穿过所述第二涡轮密封环、各所述安装孔和所述第一涡轮密封环后与所述涡轮壳体连接，将三个所述扇形环装配成所述导向环。 5.根据权利要求4所述的涡轮结构，其特征在于，所述扇形环环向设有多个叶片，所述扇形环的叶片个数为3的整数；所述扇形环径向内侧设有朝向远离所述扇形环叶片方向的密封齿。 6.根据权利要求1所述的涡轮结构，其特征在于，所述喷嘴叶栅环的叶片通道高度＜所述一级动叶通道高度＜所述导向环的叶片通道高度＜所述二级动叶通道高度。 7.根据权利要求6所述的涡轮结构，其特征在于，所述第一涡轮密封环与所述第二涡轮密封环结构相同。 8.根据权利要求7所述的涡轮结构，其特征在于，所述一级动叶的叶顶设有第一叶顶围带，所述二级动叶的叶顶设有第二叶顶围带；所述第一叶顶围带和所述第二叶顶围带的外径相同；所述第一叶顶围带与所述第一涡轮密封环配合形成动密封，所述第二叶顶围带与所述第二涡轮密封环配合形成动密封。 9.根据权利要求2所述的涡轮结构，其特征在于，所述连接结构包括双头螺柱和高温自锁螺母；所述双头螺柱一端将所述第二涡轮密封环、所述导向环、所述第一涡轮密封环和所述集气环连接后，另一端通过所述高温自锁螺母锁紧。 10.一种涡轮泵，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的涡轮结构。
说明书全文	一种涡轮结构及涡轮泵技术领域 [0001] 本发明涉及火箭发动机技术领域，特别是涉及一种涡轮结构及涡轮泵。背景技术 [0002] 涡轮作为泵压式液体火箭发动机涡轮泵的关键件，主要功能是将来自发生器的高温高压燃气加速，产生高速气流推动动叶旋转，输出轴功，为离心泵提供动力。 [0003] 对于中等功率的涡轮，在开式循环系统中，可以采用单级冲击式涡轮和双级冲击式涡轮。双级冲击式涡轮充分利用了一级转子出口的余速，燃气经过二级导叶转向后，继续冲击二级转子，其效率远高于单级冲击涡轮。然而双级冲击式涡轮的结构更为复杂。 [0004] 低温液体火箭发动机的涡轮处于高温、高压、高转速、低温和振动的复杂环境中，设计者不仅要保证涡轮的性能先进性，更要保证涡轮的结构简单性、可靠性和故障诊断的可实施性。发明内容 [0005] 为解决上述技术问题，本发明提出一种涡轮结构及涡轮泵，在不影响高效率的前提下，优化了整体结构布局，使各零部组件的加工、装配和拆卸工艺性好，增强了产品互换性和故障诊断性。 [0006] 本发明的一方面提供了一种涡轮结构，包括涡轮壳体、喷嘴叶栅环、双级涡轮盘、第一涡轮密封环、导向环、第二涡轮密封环和连接结构；所述喷嘴叶栅环和所述双级涡轮盘同轴设置于所述涡轮壳体内，所述喷嘴叶栅环的叶片通道用于将燃气加速产生高速气流，推动所述双级涡轮盘输出轴功；所述双级涡轮盘包括转盘，以及同轴设置于所述转盘外周的一级动叶和二级动叶；所述导向环的叶片通道设置于所述一级动叶通道和所述二级动叶通道之间，所述导向环的外环部设置于所述第一涡轮密封环和所述第二涡轮密封环之间；所述连接结构依次穿过所述第二涡轮密封环、所述导向环和所述第一涡轮密封环后与所述涡轮壳体连接，将所述双级涡轮盘和所述喷嘴叶栅环包覆在所述涡轮壳体内。 [0007] 在一个实施例中，所述涡轮壳体包括：燃气弯管、集气环、和第一起动凸台以及第二起动凸台；所述燃气弯管与所述集气环径向的一侧外壁连通，所述集气环的另一侧外壁供所述第一起动凸台和所述第二起动凸台连通设置；所述集气环轴向两端均设有法兰；所述第一起动凸台和所述第二起动凸台的高度不大于所述法兰的高度。 [0008] 在一个实施例中，所述第一起动凸台用于供火药起动器连通，其孔径与火药起动器匹配设置；所述第二起动凸台配有不同孔径的法兰，以便于与多种气体的起动阀门连通。 [0009] 在一个实施例中，所述导向环包括三个等面积的扇形环；各所述扇形环的径向外围设有多个安装孔；所述连接结构通过依次穿过所述第二涡轮密封环、各所述安装孔和所述第一涡轮密封环后与所述涡轮壳体连接，将三个所述扇形环装配成所述导向环。 [0010] 在一个实施例中，所述扇形环环向设有多个叶片，所述扇形环的叶片个数为3的整数；所述扇形环径向内侧设有朝向远离所述叶片方向的密封齿。 [0011] 在一个实施例中，所述第一涡轮密封环与所述第二涡轮密封环结构相同。 [0012] 在一个实施例中，所述喷嘴叶栅环的叶片通道高度＜所述一级动叶通道高度＜所述导向环的叶片通道高度＜所述二级动叶通道高度。 [0013] 在一个实施例中，所述一级动叶的叶顶设有第一叶顶围带，所述二级动叶的叶顶设有第二叶顶围带；所述第一叶顶围带和所述第二叶顶围带的外径相同。 [0014] 在一个实施例中，所述连接结构包括双头螺柱和高温自锁螺母；所述双头螺柱一端将所述第二涡轮密封环、所述导向环、所述第一涡轮密封环和所述集气环连接后，另一端与所述高温自锁螺母锁紧。 [0015] 本发明的另一个方面还提供了一种涡轮泵。该涡轮泵包括上述实施例中所述的任意一种涡轮结构。 [0016] 本发明提出的一种涡轮结构及涡轮泵，至少具有以下优点： [0017] 1、涡轮效率高，整体布局方案简单，结构紧凑，故障诊断可实施性强。 [0018] 2、能够同时采用气体起动和火药起动器起动，实现发动机的多次启动，或者当火药起动器发生故障或者火药不足时，可以直接更换为气体起动方式。 [0019] 3、音叉一体式双级涡轮盘强度和刚度好，轴系临界转速余量大，轴系稳定可靠。 [0020] 4、所属零部组件的加工、装配和拆卸的工艺性好。 [0021] 5、零部组件可互换性较高，成本较低。 [0022] 在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0024] 图1是本发明实施例的涡轮结构沿燃气弯管直径截开的截面图。 [0025] 图2是本发明实施例的涡轮壳体的截面结构示意图。 [0026] 图3是本发明实施例的涡轮壳体的整体结构示意图。 [0027] 图4是本发明实施例的组成导向环的扇形环示意图。 [0028] 图5是本发明实施例的一级动叶与二级动叶的结构示意图。具体实施方式 [0029] 下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。 [0030] 下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0031] 此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0032] 诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。 [0033] 对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。 [0034] 参见图1，本发明一方面提供了一种涡轮结构，包括涡轮壳体1、喷嘴叶栅环2、双级涡轮盘3、第一涡轮密封环4、导向环5、第二涡轮密封环6和连接结构7。喷嘴叶栅环2和双级涡轮盘3同轴设置于涡轮壳体1内，喷嘴叶栅环2的叶片通道A用于将燃气加速产生高速气流，推动双级涡轮盘3旋转加速，进而持续输出轴功。双级涡轮盘3包括转盘31，以及同轴设置于转盘31外周的一级动叶32和二级动叶33。其中，一级动叶32相对于二级动叶33更靠近于喷嘴叶栅环2。 [0035] 在本发明的实施例中，喷嘴叶栅环2、双级涡轮盘3、第一涡轮密封环4、导向环5和第二涡轮密封环6均同轴设置。 [0036] 进一步地，导向环5的叶片通道D设置于一级动叶通道B和二级动叶通道C之间。也就是说，导向环5部分设置在一级动叶32与二级动叶33之间，且导向环5的内环面与转盘31之间存在一定距离，以确保导向环、一级动叶和二级动叶能够独立旋转将工作介质持续加速。装配发动机的涡轮结构时，可以将第一涡轮密封环4和第二涡轮密封环6背对背设置，并将导向环5的外环部设置在第一涡轮密封环4和第二涡轮密封环6之间，彼此对接并形成密封结构。之后，通过将第一涡轮密封环4远离导向环5的另一侧贴近涡轮壳体1，利用连接结构7依次穿过第二涡轮密封环6、导向环5和第一涡轮密封环4后与涡轮壳体1连接，进而将双级涡轮盘3和喷嘴叶栅环2完全包覆在涡轮壳体1内。 [0037] 鉴于现有技术中的涡轮结构复杂，安装与拆解的难度很大，在发动机试车过程中，一旦怀疑或确定双级涡轮盘或者喷嘴叶栅环出现问题时，需要先将发动机从试车台上拆下来，运回制造厂房进行拆解。传统的涡轮结构，不但涡轮壳体拆解麻烦，而且影响发动机试车计划，人力物力消耗较大。 [0038] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种便于装配和拆卸的涡轮结构。在保证涡轮高效率和高可靠性的前提下，通过连接结构就可以将第二涡轮密封环、导向环和第一涡轮密封环全部固定安装于涡轮壳体，使第二涡轮密封环、导向环和第一涡轮密封环之间形成密封，从而将双级涡轮盘和喷嘴叶栅环密封安装在涡轮壳体内，完成涡轮结构的装配。当本发明实施例的涡轮结构在发动机试车过程中出现故障，且怀疑是涡轮叶片烧蚀或者喷嘴叶栅环发生损坏时，无需再将发动机撤离试车台。可以通过拆卸连接机构，将导向环和两个涡轮密封环全部拆除，从而快速判断故障原因，非常有利于涡轮盘和喷嘴叶栅环的故障诊断与维修。 [0039] 在故障诊断可实施性方面，本发明实施例的涡轮结构仅通过拆除连接结构和导向环，即可通过目视或内窥镜检查，对涡轮盘和喷嘴叶栅环进行故障诊断。 [0040] 在本发明的一个实施例中，双级涡轮盘3需要承受很强的离心力和热应力，因此其结构强度将直接影响整个涡轮泵轴系的稳定性。本发明实施例的双级涡轮盘经过优化设计，采用音叉一体式的双级涡轮盘，其结构简单可靠，强度性能非常好，且一体式涡轮盘十分有利于装配。 [0041] 同时参见图2和图3，进一步地，涡轮壳体包括燃气弯管11、集气环12、第一起动凸台13和第二起动凸台14，整体采用铸造方案，一体成型。燃气弯管11与集气环12径向的一侧外壁连通，集气环12的另一侧外壁供第一起动凸台13和第二起动凸台14连通设置。两个起动凸台可以全部用于与起动阀门连接，也可以全部用于与火药起动器连接，亦可以一个用于连接起动阀门，另一个用于连接火药起动器。因此，在发动机试车过程中，无论是火药不足还是其中一个起动凸台出现问题，均可以利用另一个起动凸台进行火药起动或者气体起动。 [0042] 进一步地，集气环12轴向两端均设有法兰，用于与其他部件安装，如低温壳体。其中，第一起动凸台13和第二起动凸台14的高度不大于集气环12的法兰的高度，因此可以不占用涡轮结构的轴向和径向空间，使涡轮结构的布局更紧凑。而且，各起动凸台还能够为阀门等结构提供辅助支撑。 [0043] 需要特别说明的是，集气环12具有集气环腔，燃气弯管11与集气环腔连通，且两者可以具有相同的流通面积，保证燃气能够均匀流向下游。 [0044] 在上述实施例中，第一起动凸台13用于供火药起动器连通，其孔径与火药起动器匹配设置。第二起动凸台14配有不同孔径的法兰，以便于与多种气体的起动阀门连通，从而适应不同气体的特性。通常，气体起动常用的气体为氮气。 [0045] 两个起动凸台与集气环连接的内孔在机加工时直接加工完成，内孔位置和孔径大小可根据涡轮起动方式的变化进行适应性调整，结构适应性非常强。 [0046] 本发明实施例的涡轮结构在集气环上设置两个起动凸台，第一起动凸台用于装配火药起动器，第二起动凸台用于装配起动阀门。当火药起动器发生故障或者火药不足时，可以直接将起动阀门安装于第二起动凸台，进而利用气体起动发动机。而且，用于安装燃气起动器的第二起动凸台配有不同孔径的法兰，可以适用于多种气体的填充，彻底消除了因起动介质不足或者起动凸台故障造成的试车延期等问题。 [0047] 需要特别说明的是，本发明实施例中的两个起动凸台还可以直接实现发动机的多次起动，也可以实现在同一次热试车过程中，使用火药起动与氮气起动结合的起动方式。 [0048] 在上述实施例中，喷嘴叶栅环2设置在集气环12远离燃气弯管11一端的开口处。喷嘴叶栅环2的叶片为拉瓦尔喷嘴形式，燃气经过拉瓦尔喷嘴膨胀加速产生高速气流，推动一级动叶和二级动叶分别进行旋转，以对高速气流再次进行加速。 [0049] 本发明实施例中的喷嘴叶栅环2加工采用3D打印技术，通过电子束焊与集气环12连接为一体。 [0050] 喷嘴叶栅环2的喷嘴超声速扩张段采用二维特征线法进行设计。该方法可以使喷嘴轴向长度较短，且喷嘴出口为平行均匀流，大幅提高了喷嘴效率。 [0051] 同时参见图1、图2和图4，在一个实施例中，为了便于导向环的安装与拆卸，可以将导向环划分为三个等面积的扇形环51。各扇形环51的径向外围设有多个安装孔511，连接结构7通过依次穿过第二涡轮密封环6、各扇形环51的安装孔511和第一涡轮密封环4后与集气环12连接，进而能够将三个扇形环51装配成完整的导向环5。 [0052] 在本发明的实施例中，导向环5采用分瓣铸造方案，不但可以实现批量化生产，且三个扇形环51组成的导向环5可以灵活地安装、拆卸和维修，彼此的结构具有互换性。 [0053] 在上述实施例中，扇形环51环向设有多个叶片512，其内叶型为双圆弧对称叶型，结构简单可靠，叶片512主要起导向作用。为了保障涡轮的气动性能，可以将叶片个数设置为3的整数倍。 [0054] 进一步地，为了可以减小燃气在导向环内环面和涡轮盘外环面之间的泄漏量，可以在扇形环51的径向内侧(内环面)设置朝向远离叶片512方向的密封齿513。如此设置，可以减少燃气的泄漏，提高涡轮做功能力，使涡轮效率提高0.5个百分点。 [0055] 同时参见图1、图2和图5，在上述任意一个实施例中，发动机工作过程中，工作介质(燃气)依次流经燃气弯管11、集气腔12、喷嘴叶栅环的叶片通道A、一级动叶通道B、导向环的叶片通道D以及二级动叶通道C。为了满足已压缩到一定程度的气体继续强化压缩的需要，可以使喷嘴叶栅环的叶片通道A高度＜一级动叶通道B高度＜导向环的叶片通道D高度＜二级动叶通道C高度。 [0056] 进一步地，本发明实施例的涡轮密封环采用机加方案，使第一涡轮密封环4与第二涡轮密封环6的结构相同，彼此具有可互换性。其中，第一涡轮密封环4设置在一级动叶32的径向外围，第二涡轮密封环6设置在二级动叶33的径向外围，导向环5与第一涡轮密封环4和第二涡轮密封环6装配后实现密封，以防止一级动叶通道B、导向环的叶片通道D以及二级动叶通道C中的燃气泄出。 [0057] 鉴于两个涡轮密封环的结构相同，因此，在组装涡轮壳体时，可以不必特意区分第一涡轮密封环和第二涡轮密封环，两个涡轮密封环背对背分别放置在一级动叶外围和二级动叶外围即可。本发明实施例的涡轮密封环具有良好的可替换性，非常有利于设计、投产、生产、验收、装配和维修替换，可以明显简化装配过程，降低产品设计成本。 [0058] 在上述实施例，由于二级动叶的长度大于一级动叶的长度，因此，可以在一级动叶32的叶顶设置第一叶顶围带321，二级动叶33的叶顶设置第二叶顶围带331，且第一叶顶围带321和第二叶顶围带331的外径相同。也就是说，虽然一级动叶32与二级动叶33的长度不同，但是配置了外径相同的叶顶围带后，修正了长度差距，使得各叶顶围带与对应的涡轮密封环之间的间距相同，因此两个涡轮密封环所起到的密封作用也基本相同。这段内容的技术分析和效果，需要发明人确认 [0059] 如此设置，在保证涡轮效率减弱叶顶间隙泄漏的同时，也能够保证设置在一级动叶32外围的第一涡轮密封环4和设置在二级动叶33外围的第二涡轮密封环6的结构可以完全相同，使两个涡轮密封环仍然具有可互换性。 [0060] 基于本发明实施例的涡轮结构的特性，还可以通过替换不同内径的涡轮密封环，用于调整第一叶顶围带与第一涡轮密封环之间的间隙、以及第二叶顶围带与第二涡轮密封环之间的间隙，进而进一步改善涡轮密封性。 [0061] 进一步地，第一叶顶围带和第二叶顶围带采用机加成型，保证小叶顶间隙的同时可提高涡轮盘的刚度。 [0062] 参见图2，在一个实施例中，连接结构7包括双头螺柱71和高温自锁螺母72。第二涡轮密封环、导向环、第一涡轮密封环的外环位置均设有与双头螺柱71匹配的销钉孔，以便于径向定位与装配。具体地，双头螺柱一端依次穿过第二涡轮密封环、导向环、第一涡轮密封环的销钉孔后与集气环连接，另一端旋入高温自锁螺母，通过力矩量化控制对高温自锁螺母进行锁紧。力矩量化控制不仅可以保证高温自锁螺母拧紧，还能够确保彼此连接的各个组件受力均匀。 [0063] 以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。 [0064] 本发明的另一个方面还提供了一种涡轮泵。该涡轮泵包括上述实施例中所述的任意一种涡轮结构。本发明实施例的涡轮泵在保证了涡轮高效率和性能先进性的前提下，使得涡轮整体结构更简单可靠，方便零部件加工、装配、拆卸，具有较强的故障诊断可实施性，能够真正地实现高效率装配、快速拆卸和及时诊断故障。且相同结构但不同安装位置(或者不同功能)的零部件具有较强的可互换性，降低了涡轮泵结构设计难度的同时也大幅降低了设计成本。 [0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。