一种带有拉杆结构的涡轮壳体装置的制作方法

本发明属于流体机械应用技术领域，尤其涉及一种带有拉杆结构的涡轮壳体装置。

背景技术：

闭式膨胀发动机中涡轮泵是输送液氢液氧推进剂的关键组件，其中涡轮工作在高压环境下，涡轮壳体的应力水平对其结构强度的稳定性与安全性有着重要影响。出于结构紧凑性以及减重的设计考虑，该涡轮壳体为薄壁结构，并设有膨胀做功的喷嘴叶片，整体结构的刚性并不高，在实际工作中，装配在涡轮壳体上的其他零件由于内腔压力较高会对壳体的装配面产生较大的作用力，从而影响刚度较为薄弱部位的应力分布，导致局部应力过高，常规的涡轮壳体结构设计方法难以解决该项问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种带有拉杆结构的涡轮壳体装置，能够调整壳体的应力分布，有效降低叶片等强度裕度不足部位的应力水平。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种带有拉杆结构的涡轮壳体装置，包括：进气法兰、壳体、喷嘴叶栅环和若干个拉杆；其中，所述壳体包括环形集气腔，所述壳体径向设置有进气法兰，所述壳体侧面设置有装配拉杆用的拉杆孔；所述喷嘴叶栅环设置有利用气流膨胀做功的喷嘴叶片以及装配拉杆用的防干涉孔和螺纹孔；所述壳体的进气法兰的圆柱形内腔与环形集气腔相通，工作介质依次流经壳体的进气法兰、集气腔以及喷嘴叶栅环的叶片通道；所述喷嘴叶栅环焊接在壳体上，所述螺纹孔与所述拉杆孔的角向位置一致，所述喷嘴叶片置于壳体集气腔内部；所述拉杆穿过壳体上的拉杆孔并拧入喷嘴叶栅环上的螺纹孔，拉杆的头部与壳体焊接。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，所述拉杆包括拉杆头、拉杆身部和拉杆螺纹段；其中，拉杆头、拉杆身部和拉杆螺纹段依次一体连接；拉杆身部和拉杆螺纹段穿过拉杆孔，拉杆螺纹段拧入螺纹孔。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，所述喷嘴叶片为径向等截面叶片，所述喷嘴叶片沿喷嘴叶栅环的圆周方向均匀分布。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，所述壳体开设的若干个拉杆孔的连线组成一个圆形。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，若干个拉杆孔沿圆周均匀分布。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，工作介质的压力范围在4.5～6.5mpa之间，温度在0℃以下。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，所述拉杆为实心结构。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，所述拉杆头开设有一字槽。

上述带有拉杆结构的涡轮壳体装置中，

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明提供的一种带有拉杆的涡轮壳体装置，总体结构紧凑、布局合理。进气口垂直于环形集气腔，采用径向进气的方式，喷嘴叶栅环的叶片通道较短，并设置于壳体集气腔内部的中间位置，极大地改善了涡轮壳体的紧凑程度，减小了壳体的体积，且该结构能保证工作介质的流动性能满足使用要求，布局合理有效；

(2)本发明中薄壁壳体与拉杆结构的结合，不仅能够有效减轻壳体的重量，还能保证壳体的刚度，装配时对拉杆施加一定的拧紧力矩还可以缓解强度不足位置的应力集中情况，在兼顾壳体轻量化需求的同时，进一步提高涡轮壳体结构安全性；

(3)本发明装置可以在高压环境下工作，在膨胀循环发动机涡轮的低温高压工作环境下，工作介质的压力范围在4.5～6.5mpa之间,温度在0℃以下，对于在较宽范围的压力变化环境，装置的工作适应性较好。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为发明提供的涡轮壳体结构示意图；

图2为发明提供的未装配拉杆的涡轮壳体结构侧视图；

图3为发明提供的未装配拉杆的喷嘴叶栅环局部放大图；

图4为发明提供的拉杆结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为发明提供的涡轮壳体结构示意图。如图1所示，该带有拉杆结构的涡轮壳体装置包括壳体2以及设置在壳体2内的拉杆4、喷嘴叶栅环3，所述壳体2包括具有环形空间的集气腔6，径向设置有进气法兰1，侧面设置有装配拉杆4用的拉杆孔5，所述喷嘴叶栅环3设置有利用气流膨胀做功的全周进气叶栅式喷嘴叶片7以及装配拉杆4用的防干涉孔8和螺纹孔9，所述拉杆4设置有拉杆圆柱头，拉杆底部设置有螺纹。

所述壳体的进气法兰1的圆柱形内腔与环形集气腔6相通，工作介质依次流经壳体的进气法兰1、集气腔6以及喷嘴叶栅环3的叶片通道。所述喷嘴叶栅环3焊接在壳体2上，喷嘴叶栅环上拉杆用螺纹孔9与壳体上拉杆孔5的角向位置一致，所述喷嘴叶栅环的叶片7置于壳体集气腔6内部。所述拉杆4穿过壳体上的拉杆孔5并拧入喷嘴叶栅环3上的螺纹孔9(如图2所示)，拉杆头41与壳体2焊接为一体。

如图2所示，壳体2开设的若干个拉杆孔5的连线组成一个圆形。若干个拉杆孔5沿圆周均匀分布。

拉杆全周均布，施加拧紧力矩拧入螺纹口。拧紧力矩m符合约束条件：

0.36d(d²-d²)πp/4000＜m＜0.05πd³；

其中，m为拧紧力矩(单位n·m)，d为拉杆直径(单位mm)，d为拉杆孔直径(单位mm)，p为壳体内介质压力(单位mpa)。

通过以上拧紧力矩的约束条件，更好的缓解强度不足位置的应力集中情况，在兼顾壳体轻量化需求的同时，进一步提高涡轮壳体结构安全性。

进气法兰1的内腔与壳体2的环形集气腔6相通，构成工作介质在壳体中的流通通道，壳体在实际工作时，高压力的工作介质由进气法兰1径向流入，由喷嘴叶栅环3中的喷嘴叶片7全周轴向流出，叶片为径向等截面叶片，全周均布，叶片与顶底径圆周面的交接处要倒角。喷嘴叶栅环3与壳体2对接装配，保证壳体2上的拉杆孔5与喷嘴叶栅环3上的拉杆螺纹孔9的角向位置保持一致，然后焊接为一体，焊缝共两处，分别是大端法兰焊缝10与小端法兰焊缝11，两处焊缝均为带锁底的环形焊缝。如图4所示，拉杆4包含拉杆头41、拉杆身部42和拉杆螺纹段43，拉杆身部42和拉杆螺纹段43穿过拉杆孔5，拉杆螺纹段43拧入拉杆螺纹孔9，并通过拉杆头41的一字槽施加拧紧力矩，拉杆全周均布，另外防干涉孔8可以避免螺纹加工以及拉杆装配时的干涉情况发生。拉杆4完成整周装配后，对拉杆头41根部整周进行焊接，相应产生拉杆焊缝12，拉杆与壳体焊为一体。拉杆4为实心结构。

工作原理：根据膨胀循环发动机的工作特点，该涡轮壳体装置工作在高压亚音速气流环境中，进气法兰与工质运输管路相连，壳体两侧与涡轮泵其他壳体对接。该涡轮壳体装置全部采用钛合金材料，并设计为薄壁件壳体，以适应轻量化要求，其中壳体机加工成型，叶片电火花成型。喷嘴叶栅环采用全周进气叶栅式喷嘴，高压气流在叶片收缩通道中斜切膨胀，之后流入涡轮动叶以驱动转子做功。在工作环境中，喷嘴叶片部位的刚性较差，叶片根部的应力水平偏高，在壳体与喷嘴叶栅环之间设置拉杆增强了装置的整体刚性，改善了高应力部位的强度，同时叶片根部进行倒圆角，并对拉杆施加一定的拧紧力矩能进一步降低叶片薄弱部位的应力水平，进一步保证了涡轮壳体的结构安全性和工作可靠性。

本实施例能够在保证壳体轻量化要求的同时，优化壳体强度以及应力分布的均匀性，有效降低强度薄弱的叶片部位的应力水平。

本实施例总体结构紧凑、布局合理。进气口垂直于环形集气腔，采用径向进气的方式，喷嘴叶栅环的叶片通道较短，并设置于壳体集气腔内部的中间位置，极大地改善了涡轮壳体的紧凑程度，减小了壳体的体积，且该结构能保证工作介质的流动性能满足使用要求，布局合理有效；本实施例中薄壁壳体与拉杆结构的结合，不仅能够有效减轻壳体的重量，还能保证壳体的刚度，装配时对拉杆施加一定的拧紧力矩还可以缓解强度不足位置的应力集中情况，在兼顾壳体轻量化需求的同时，进一步提高涡轮壳体结构安全性；本实施例可以在高压环境下工作，在膨胀循环发动机涡轮的低温高压工作环境下，工作介质的压力范围在4.5～6.5mpa之间,温度在0℃以下，对于在较宽范围的压力变化环境，装置的工作适应性较好。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。