專利名稱：帶彎曲轂面的高壓渦輪機盤轂及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
和
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及燃氣輪發(fā)動機，特別涉及航空燃氣輪發(fā)動機盤轂中軸向應(yīng)力的降低。在本申請中，本發(fā)明特別結(jié)合暴露于高溫壓縮機抽氣(compressor bleed)和排出氣體中的航空燃氣輪發(fā)動機高壓渦輪機(“HPT”)盤轂來進行描述和闡明。在拆卸過程中，處于高壓渦輪機盤轂處的陡的熱梯度會在轂面中心處導(dǎo)致高壓縮性軸向應(yīng)力。該高軸向應(yīng)力會導(dǎo)致計算壽命值大大低于發(fā)動機規(guī)程需求(engine programrequirement)?，F(xiàn)有技術(shù)的方案包括較大地降低熱梯度和/或盤緣負荷或較大地增加轂的大小。這些方案對發(fā)動機性能有消極影響。
更具體而言，當(dāng)前降低軸向應(yīng)力的實踐包括調(diào)整盤緣負荷、轂大小、或空載轂流量(idle hub flow)以從盤轂獲得足夠的壽命。調(diào)整盤緣負荷的方法為非直接的方法。降低葉片的重量使得即使在具有高軸向轂應(yīng)力的情況下，也將盤中的周向應(yīng)力降低到符合壽命需求的點。該方法對葉片的壽命和性能具有消極影響。調(diào)整轂大小也是非直接的。該實踐還降低周向應(yīng)力以使得盤將接納大的軸向應(yīng)力并具有可接受的壽命。該方法對盤的重量和熱性能具有消極影響。通過在拆卸之前加熱盤，增加發(fā)動機空載轂流量直接降低轂上的軸向應(yīng)力。于是，降低了產(chǎn)生高軸向應(yīng)力的熱梯度。然而，高轂流量對系統(tǒng)性能具有消極影響。
在本申請中，本發(fā)明公開并主張了一種解決該問題的新穎性方式，以降低高壓渦輪機盤轂上的軸向應(yīng)力，而不具有現(xiàn)有技術(shù)方案所產(chǎn)生的不利的折衷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，將凸出的彎曲幾何結(jié)構(gòu)引入到盤轂中，以降低高壓渦輪機盤轂中的高軸向應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在盤轂上形成凸出的彎曲轂面。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的、沿著燃氣輪發(fā)動機高壓渦輪機部分的縱軸線的部分剖視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的、高旁路比燃氣輪航空發(fā)動機的高壓渦輪機部分10的一部分。該高壓渦輪機部分10包括第一、第二級盤14，16，該第一、第二級盤14，16分別具有從各自的轂21，24向外延伸的連結(jié)板(web)18，20。第一級盤轂21包括凸出的環(huán)形轂面22，其將在以下詳述。燕尾槽26，28分別在該連結(jié)板18，20的外端上形成。
第一級盤14包括和連結(jié)板18成一體的前軸30。前軸30的壁基本上和發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)軸線平行。第一級盤14的轂21包括向后延伸的后軸42，該后軸42擠裝成與軸承44接合。該軸42包括多個開口46以允許冷空氣進入級間容積48。級間密封50位于第一級盤14和第二級盤16之間并包括外殼52和中央盤54，中央盤54具有轂56。殼52通常為柱形并帶有向前和向后延伸的曲臂58，60，曲臂58，60從支撐密封齒64的的中部62延伸并附接到各自的盤14，16。
渦輪機部分10進一步包括前外密封組件70，該組件70包括通過位于徑向外周緣處的卡口連接件74和位于徑向內(nèi)周緣處的卡口連接件76而安裝到第一級盤14上的面板72。面板72包括葉片保持外緣78，該葉片保持外緣78終止于接觸第一級葉片82的軸向凸緣80處。
第一級盤轂21的曲面22大大降低了孔表面有效應(yīng)力的峰值。該種降低通過兩種方法實現(xiàn)。第一，連續(xù)彎曲的轂面迫使軸向應(yīng)力峰值到達位于圖1中“X”位置處的頂點。在該位置處，因為自由表面的彎曲迫使主應(yīng)力區(qū)域從主要軸向定位轉(zhuǎn)變到主要徑向定位，所以軸向壓縮應(yīng)力的峰值降低。結(jié)果，曲面降低了在位置“X”處的表面的軸向約束。第二，表面彎曲將軸向應(yīng)力峰值和周向應(yīng)力峰值分離，因此，允許表面有效應(yīng)力得以優(yōu)化到其最小值。
曲面22的適宜的形狀、角度、大小和尺寸通過實施設(shè)計變更繼而通過計算機分析以觀察復(fù)合應(yīng)力來考察該變更的影響而經(jīng)驗性地確定，而不是通過單純地解析方法而確定。該設(shè)計方法適于平衡軸向應(yīng)力的降低和通過降低盤轂21的截面面積而隨之引起的周向應(yīng)力的增加。
以上描述了一種在盤孔表面具有降低的軸向和有效應(yīng)力峰值的燃氣輪發(fā)動機。本發(fā)明的各個細節(jié)可在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進行變更。此外，上述實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例和最佳實施例的描述僅旨在示例，不試圖限制由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃氣輪發(fā)動機的第一級渦輪機盤(14)部分，其包括(a)布置在中心的盤轂(21)，該盤轂(21)具有一體成形的、徑向向外延伸的連結(jié)板(18)，該連結(jié)板(18)終止于外端處；以及(b)該盤轂(21)具有在發(fā)動機運行過程中暴露于高壓、高溫壓縮機抽氣和排出氣體中的凸出的彎曲轂面(22)，在軸向應(yīng)力峰值位置處，該凸出的彎曲轂面(22)起到降低有效軸向約束的作用，因此降低了該盤轂(21)中不期望有的軸向應(yīng)力的形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪機部分，其中，該盤(114)只包括凸出的彎曲盤面(22)且沒有位于其上的柱形或截頭-圓錐形區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪機部分，其中，該凸出的彎曲盤面(22)定位成將盤轂(21)上的最大軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力改變成不相互對準(zhǔn)，因此，降低了盤轂(21)上有效應(yīng)力的大小。
4.一種降低燃氣渦輪機盤(14)的盤轂(21)中軸向應(yīng)力的方法，其包括以下步驟(a)確定燃氣渦輪機盤轂(21)中應(yīng)力梯度的位置；(b)在該盤轂(21)的盤轂表面中形成凸出的曲面部分，該凸出的曲面部分將軸向應(yīng)力峰值相對于周向應(yīng)力峰值軸向地移動并降低該軸向應(yīng)力的峰值，因此降低了盤孔表面上有效應(yīng)力的大小。
全文摘要
一種用于燃氣輪發(fā)動機的第一級渦輪機盤(14)，其包括布置在中心的盤轂(21)，該盤轂(21)具有一體成形的、徑向向外延伸的連結(jié)板(18)，該連結(jié)板(18)終止于外端處。該盤轂(21)具有在發(fā)動機運行過程中暴露于高壓、高溫壓縮機抽氣和排出氣體中的凸出的彎曲轂面(22)，并且在軸向應(yīng)力峰值位置處，該凸出的彎曲轂面(22)起到降低軸向約束的作用，因此降低了該盤轂(21)中不期望有的軸向應(yīng)力的形成且允許將軸向應(yīng)力峰值和周向應(yīng)力峰值分離，以降低轂表面有效應(yīng)力的峰值大小。
文檔編號F01D5/02GK1995707SQ20061016909
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者R·W·小阿爾布雷奇特, C·W·希金斯 申請人:通用電氣公司