一種應(yīng)用于雙輻板渦輪盤盤腔的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有增強(qiáng)盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導(dǎo)流肋片(4)、后輻板導(dǎo)流肋片(5)和冷氣通道(10)組成；前輻板導(dǎo)流肋片(4)和后輻板導(dǎo)流肋片(5)分別位于雙輻板渦輪盤盤腔(3)內(nèi)部?jī)蓚?cè)的前輻板(6)和后輻板(7)的內(nèi)壁面上，所述導(dǎo)流肋片(4、5)為傾斜導(dǎo)流肋片，冷氣通道(10)位于盤緣(9)的內(nèi)部，所述冷氣通道(10)為傾斜冷氣通道；冷卻氣體在前輻板導(dǎo)流肋片(4)和后輻板導(dǎo)流肋片(5)的導(dǎo)流作用下，?？寺鼘觾?nèi)的冷卻氣體逐漸折轉(zhuǎn)流通至盤緣冷氣通道(10)處，然后由冷氣通道(10)導(dǎo)流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。根據(jù)流動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的肋片可以利用離心作用將冷氣導(dǎo)流至葉片內(nèi)冷通道，有效的避免出口冷氣堵塞問題，同時(shí)肋片增大了盤腔內(nèi)的換熱面積，有助于提高換熱效果。
【專利說明】
一種應(yīng)用于雙輻板渦輪盤盤腔的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤冷卻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有增強(qiáng)雙輻板渦輪盤盤緣冷卻效果的盤腔導(dǎo)流肋片和盤緣冷氣通道結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪盤工作的過程中承受離心力載荷、熱應(yīng)力載荷和輪盤外載荷，是典型的壽命限制件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)所有的非包容事故中，大約有一半是由輪盤的損壞引起的。以當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平來說，第四代戰(zhàn)機(jī)所使用的推重比10級(jí)別的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1850K-1950K，在研中推重比15級(jí)別的航空發(fā)動(dòng)機(jī)該技術(shù)指標(biāo)更是高達(dá)2100K-2300K，遠(yuǎn)超過耐高溫材料的極限，使得渦輪部件的冷卻難題日益嚴(yán)峻。
[0003]增加冷卻空氣的使用量固然可以直接提升冷卻效果，但這卻是以航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的下降為代價(jià)的，通常冷卻空氣用量不超過壓氣機(jī)主流的20%，在冷卻空氣用量固定的前提下，只能采用更高的耐溫材料和更好的冷卻結(jié)構(gòu)。對(duì)于渦輪盤的冷卻問題而言，既要盡量降低其整體溫度水平，以滿足材料的強(qiáng)度需求(現(xiàn)有的航空材料只能在100tC以下維持較高的強(qiáng)度)，提高其工作可靠性;又要盡量使其內(nèi)部溫度均勻的分布，以期減小溫度梯度從而降低熱應(yīng)力，增加渦輪盤的疲勞壽命。
[0004]雙輻板渦輪盤是在美國(guó)高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃下，針對(duì)下一代高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪盤設(shè)計(jì)，提出輕質(zhì)量、高冷卻效率的新型渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。雙輻板渦輪盤由于采用了空心結(jié)構(gòu)，冷卻空氣可以直接進(jìn)入兩個(gè)輻板形成的空腔進(jìn)行冷卻，與傳統(tǒng)的實(shí)心渦輪盤相比，其換熱面積增大，有利于提高冷卻效果，在降低整體溫度水平和降低徑向溫度梯度方面有很大潛力。
[0005]專利US1999/005961287A提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)心渦輪盤的雙輻板渦輪盤。這種渦輪盤采用焊接方法加工而成，前后的輻板形成空心結(jié)構(gòu)，冷卻空氣可以直接進(jìn)入此空腔對(duì)輪盤進(jìn)行冷卻，增大了對(duì)流換熱面積，提高了冷卻效率，進(jìn)而減少冷卻空氣的用量以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí)在盤腔內(nèi)壁面采用徑向直肋片將冷卻空氣導(dǎo)入盤緣冷卻通道。
[0006]專利US3982852B2中提出了一種用于雙輻板渦輪盤的的徑向直肋片，利用離心力和栗吸效應(yīng)將冷卻空氣導(dǎo)入盤緣冷卻通道。
[0007]專利US2000/6267553B1提出了一種應(yīng)用在高壓壓氣機(jī)最后一級(jí)輪盤上的雙輻板輪盤。其原理及使用目的均與雙輻板渦輪盤相似，輻板間通入冷氣以更好的冷卻輪盤從而控制輪盤上的熱應(yīng)力水平。
[0008]專利US2005/0025627A1提出了一種盤轂尺寸較大且沒有盤心間墊片的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)，從而防止盤心處兩個(gè)輻板在高轉(zhuǎn)速下由于軸向變形而接觸的情況。
[0009]專利CN2014/104196572A提出了一種具有盤腔導(dǎo)流肋板的雙輻板渦輪盤，解決現(xiàn)有雙輻板渦輪盤換熱效率低、盤腔出口壓力小的問題;采用若干導(dǎo)流肋板和與舌板件結(jié)構(gòu)與雙輻板渦輪盤配合增加盤心處的軸向剛度。
[0010]對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)心渦輪盤來說，進(jìn)氣通常采用高位進(jìn)氣加預(yù)旋的結(jié)構(gòu)形式，一方面通過預(yù)旋來降低相對(duì)總溫，另一方面將從盤緣傳來的熱量有效的加以阻隔，減小其向縱深的傳遞。對(duì)于雙輻板渦輪盤來說，輪盤的強(qiáng)度需求使得輻板上不能打孔，故而冷氣只能采用中心進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)形式。
[0011]然而，中心徑向進(jìn)氣方式挑戰(zhàn)了雙輻板渦輪盤的冷卻氣體流路設(shè)計(jì)。冷氣徑向流入兩側(cè)輻板形成的空腔后，在慣性力、輪盤摩擦力和離心力的作用下通過空腔，然后通過盤緣的冷氣通道進(jìn)入渦輪葉片的內(nèi)冷通道繼續(xù)冷卻葉片，這個(gè)過程中的冷氣流動(dòng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的“源-匯流動(dòng)”形式。由于渦輪盤的高速旋轉(zhuǎn)，冷卻氣體的流動(dòng)方向在進(jìn)入盤緣冷卻通道之前相對(duì)于盤體幾乎沿盤緣切向方向，若盤緣冷卻通道仍采用徑向直孔的結(jié)構(gòu)形式，則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題:一是冷氣方向與通道中心線近乎垂直，很難進(jìn)入冷氣通道，在通道一側(cè)形成回流區(qū)，堵塞了通道的一大部分面積;二是在剩余的通道面積里，從輪盤的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來看，冷氣入射通道壁面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，滯止升溫，嚴(yán)重降低了冷氣的品質(zhì)，減弱了輪緣區(qū)域的冷卻效果。
[0012]專利US3982852B2和專利US1999/005961287A中的徑向直肋片可解決盤緣冷氣通道堵塞的問題，肋片的引入使得對(duì)流換熱面積增大從而有利于冷氣對(duì)盤體的冷卻，但是在徑向外流過程中，隨著輪盤切向速度的增大，直肋片對(duì)冷氣氣體的做功量太大，導(dǎo)致冷氣的溫度迅速上升，這對(duì)于盤緣的冷卻極為不利。
[0013]因此，必須根據(jù)雙輻板渦輪盤腔中冷氣流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)盤腔和盤緣冷氣通道的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式，以保證冷氣品質(zhì)，增強(qiáng)盤緣的冷卻效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種雙輻板渦輪盤腔的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，不但實(shí)現(xiàn)對(duì)冷氣導(dǎo)流作用，而且增大盤腔內(nèi)表面的換熱面積，保持冷氣品質(zhì)，增強(qiáng)盤緣的冷卻效果。
[0015]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有增強(qiáng)盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導(dǎo)流肋片、后輻板導(dǎo)流肋片和冷氣通道組成。前輻板導(dǎo)流肋片和后輻板導(dǎo)流肋片分別位于雙輻板渦輪盤盤腔內(nèi)部?jī)蓚?cè)的前輻板和后輻板的內(nèi)壁面上，所述導(dǎo)流肋片為傾斜導(dǎo)流肋片，冷氣通道位于盤緣的內(nèi)部，所述冷氣通道為傾斜冷氣通道。
[0016]冷卻氣體通過由前輪轂和后輪轂之間的冷卻入口進(jìn)入盤腔的內(nèi)部，在前輻板導(dǎo)流肋片和后輻板導(dǎo)流肋片的導(dǎo)流作用下，?？寺鼘觾?nèi)的冷卻氣體逐漸折轉(zhuǎn)流通至盤緣冷氣通道處，然后由冷氣通道導(dǎo)流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。
[0017]所述傾斜導(dǎo)流肋片為弧形導(dǎo)流肋片，傾斜導(dǎo)流肋片的徑向最大半徑為188.2mm，徑向最小半徑為93.3mm，肋片的徑向最大半徑點(diǎn)與徑向最小半徑點(diǎn)與禍輪盤中心形成的夾角為15°-23°，優(yōu)選為18°。
[0018]所述盤緣冷氣通道直徑為5mm，冷氣通道中心線與盤緣法向夾角為40°。
[0019]冷氣通道沿盤緣周向均布，為減小冷氣的流動(dòng)損失和輪盤對(duì)冷氣的做功量，冷氣通道數(shù)量N設(shè)置為18-22個(gè)，優(yōu)選為20個(gè)，對(duì)于每個(gè)冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個(gè)導(dǎo)流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個(gè)傾斜冷氣通道和與之配合的2N個(gè)傾斜導(dǎo)流肋片。
[0020]為了進(jìn)一步增強(qiáng)盤緣的冷卻效果，肋片的徑向最大半徑點(diǎn)出口處基本上位于冷卻通道附近，優(yōu)選肋片的徑向最大半徑點(diǎn)出口處對(duì)準(zhǔn)冷卻通道。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]I)采用布置在盤腔內(nèi)表面的傾斜肋片和盤緣的傾斜冷氣通道的雙輻板渦輪盤腔冷卻結(jié)構(gòu)，根據(jù)流動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的肋片可以利用離心作用將冷氣導(dǎo)流至葉片內(nèi)冷通道，有效的避免出口冷氣堵塞問題，同時(shí)肋片增大了盤腔內(nèi)的換熱面積，有助于提高換熱效果。
[0023]2)盤腔內(nèi)表面的傾斜肋片和盤緣的傾斜冷氣通道相配合可以減小流動(dòng)損失、減小輪盤對(duì)冷氣的做功量，避免冷氣溫度的迅速上升，有助于增強(qiáng)盤緣處的冷卻效果。
[0024]3)考慮到本發(fā)明雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)尺寸，該冷卻結(jié)構(gòu)中導(dǎo)流肋片徑向最大半徑為188.2mm，徑向最小半徑為93.3mm，盤緣冷氣通道直徑為5mm，通道中心線與盤緣法向夾角為40°。針對(duì)不同幾何尺度的雙輻板渦輪盤，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)相應(yīng)的改變，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式不變。
[0025]4)盤緣冷氣通道數(shù)量為20，兩側(cè)輻板上的40個(gè)導(dǎo)流肋片分別與其相對(duì)應(yīng)配合。
[0026]本發(fā)明是一種適用于雙輻板渦輪盤盤腔的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，根據(jù)流動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，對(duì)冷氣實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流作用，增大了盤腔內(nèi)表面的換熱面積，同時(shí)能夠減小流動(dòng)損失和輪盤對(duì)冷氣的做功量，有助于保持冷氣品質(zhì)，增強(qiáng)盤緣的冷卻效果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高冷氣的利用效率，且加工方法簡(jiǎn)單，易于在實(shí)際雙輻板渦輪盤盤腔中實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0027]圖1為導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤周向截面二維視圖
[0028]圖2為導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤三維視圖
[0029]圖3為導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤半盤軸向截面視圖
[0030]圖中符號(hào)說明如下:
[0031 ] I前輪轂，2后輪轂，3雙輻板渦輪盤盤腔，4前輻板導(dǎo)流肋片，5后輻板導(dǎo)流肋片，6前輻板，7后輻板，8包含冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤，9盤緣，10盤緣冷氣通道。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0033]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的一種具有增強(qiáng)盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導(dǎo)流肋片4、后輻板導(dǎo)流肋片5和冷氣通道10組成。前輻板導(dǎo)流肋片4和后輻板導(dǎo)流肋片5分別位于雙輻板渦輪盤盤腔3內(nèi)部?jī)蓚?cè)的前輻板6和后輻板7的內(nèi)壁面上，所述導(dǎo)流肋片為傾斜導(dǎo)流肋片，冷氣通道10位于盤緣9的內(nèi)部，所述冷氣通道為傾斜冷氣通道。
[0034]冷卻氣體通過由前輪轂I和后輪轂2之間的冷卻入口進(jìn)入盤腔3的內(nèi)部，在前輻板導(dǎo)流肋片4和后輻板導(dǎo)流肋片5的導(dǎo)流作用下，?？寺鼘觾?nèi)的冷卻氣體逐漸折轉(zhuǎn)流通至盤緣冷氣通道10處，然后由冷氣通道10導(dǎo)流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。
[0035]其中，所述傾斜導(dǎo)流肋片為弧形導(dǎo)流肋片，傾斜導(dǎo)流肋片的徑向最大半徑為188.2mm，徑向最小半徑為93.3mm，肋片的徑向最大半徑點(diǎn)與徑向最小半徑點(diǎn)與禍輪盤中心形成的夾角為15°-23°，優(yōu)選為18°。
[0036]所述盤緣冷氣通道直徑為5mm，冷氣通道中心線與盤緣法向夾角為40°。
[0037]冷氣通道沿盤緣周向均布，為減小冷氣的流動(dòng)損失，冷氣通道數(shù)量N設(shè)置為18-22個(gè)，優(yōu)選為20個(gè)，對(duì)于每個(gè)冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個(gè)導(dǎo)流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個(gè)傾斜冷氣通道和與之配合的2N個(gè)傾斜導(dǎo)流肋片。
[0038]為了進(jìn)一步增強(qiáng)盤緣的冷卻效果，肋片的徑向最大半徑點(diǎn)出口處基本上位于冷卻通道附近，優(yōu)選肋片的徑向最大半徑點(diǎn)出口處對(duì)準(zhǔn)冷卻通道。
[0039]本發(fā)明是一種適用于雙輻板渦輪盤盤腔的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，根據(jù)流動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，對(duì)冷氣實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流作用，增大了盤腔內(nèi)表面的換熱面積，同時(shí)能夠減小流動(dòng)損失和輪盤對(duì)冷氣的做功量，有助于保持冷氣品質(zhì)，增強(qiáng)盤緣的冷卻效果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高冷氣的利用效率，且加工方法簡(jiǎn)單，易于在實(shí)際雙輻板渦輪盤盤腔中實(shí)現(xiàn)。
[0040]雖然本發(fā)明已經(jīng)在上文中參照附圖中所示的實(shí)施例進(jìn)行了描述而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地理解和實(shí)踐本發(fā)明，但這些實(shí)施例僅為示例性的或優(yōu)選的例子，本發(fā)明并不限定于上述的實(shí)施例，其能在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行種種變形，從而得到各種代替例、修正例、變形例或改進(jìn)例，這些也包含在權(quán)利要求所記載的技術(shù)范圍中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有增強(qiáng)盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:由前輻板導(dǎo)流肋片(4)、后輻板導(dǎo)流肋片(5)和冷氣通道(10)組成;前輻板導(dǎo)流肋片(4)和后輻板導(dǎo)流肋片(5)分別位于雙輻板渦輪盤盤腔(3)內(nèi)部?jī)蓚?cè)的前輻板(6)和后輻板(7)的內(nèi)壁面上，所述導(dǎo)流肋片(4、5)為傾斜導(dǎo)流肋片，冷氣通道(10)位于盤緣(9)的內(nèi)部，所述冷氣通道(10)為傾斜冷氣通道;冷卻氣體在前輻板導(dǎo)流肋片(4)和后輻板導(dǎo)流肋片(5)的導(dǎo)流作用下，?？寺鼘觾?nèi)的冷卻氣體逐漸折轉(zhuǎn)流通至盤緣冷氣通道(10)處，然后由冷氣通道(10)導(dǎo)流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述傾斜導(dǎo)流肋片為弧形導(dǎo)流肋片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述傾斜導(dǎo)流肋片的徑向半徑為93.3mm?188.2mm04.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點(diǎn)與徑向最小半徑點(diǎn)與渦輪盤中心形成的夾角為15°-23°。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點(diǎn)與徑向最小半徑點(diǎn)與渦輪盤中心形成的夾角為18°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述冷氣通道(10)的直徑為5mm，冷氣通道中心線與盤緣法向夾角為40°。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:冷氣通道沿盤緣周向均布，冷氣通道數(shù)量N設(shè)置為18-22個(gè)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:冷氣通道數(shù)量N為20個(gè)。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:對(duì)于每個(gè)冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個(gè)導(dǎo)流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個(gè)傾斜冷氣通道和與之配合的2N個(gè)傾斜導(dǎo)流肋片。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點(diǎn)出口處對(duì)準(zhǔn)冷卻通道。
【文檔編號(hào)】F01D5/08GK106014485SQ201610515887
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月1日
【發(fā)明人】韓玉琪, 賈志剛, 朱大明
【申請(qǐng)人】中航空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究院有限公司