一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤，所述渦輪盤包括輪緣(11)、前輪轂(8)和后輪轂(6)、前輻板(3)和后輻板(4)、前輻板纖維增強環(huán)(9)和后輻板纖維增強環(huán)(10)；纖維增強環(huán)(9、10)對稱地分布在盤腔(5)內(nèi)型面的轉(zhuǎn)接區(qū)域中。纖維增強雙輻板渦輪盤提高了輻板與輪轂轉(zhuǎn)接處的周向、徑向、軸向的承載能力，纖維環(huán)加強了盤腔內(nèi)型面轉(zhuǎn)接段的強度，同時也改善了輻板與輪轂外轉(zhuǎn)接面處的應力集中現(xiàn)象，充分改善輻板的應力分布，同時由于SiC纖維密度相對基體材料小，也減輕了雙輻板渦輪盤的質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)設(shè)計加工簡單，易于在雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。
【專利說明】
一種提高輻板承載能力的纖維増強雙輻板渦輪盤
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其涉及一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤，它能夠有效加強輻板與輪轂轉(zhuǎn)接位置的強度，改善輻板的應力分布，提高雙輻板渦輪盤的強度及抗疲勞性能，同時減輕輪盤質(zhì)量。屬于航空發(fā)動機高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]雙輻板渦輪盤是在美國高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)計劃下，針對下一代高推重比渦扇發(fā)動機的高壓渦輪盤設(shè)計，提出輕質(zhì)量、高冷卻效率的先進渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。國內(nèi)外研究學者圍繞雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了以下幾種方法:
[0003]文獻US1999/005961287A提出了一種區(qū)別以往單輻板渦輪盤的雙輻板渦輪盤。這種渦輪盤由兩個對稱半盤焊接而成，輪盤中間形成盤腔結(jié)構(gòu)，且兩個輻板的盤心間加入墊片。冷氣通過盤心處的開孔進入盤腔，一方面減輕了輪盤質(zhì)量，另外增大了盤腔流動換熱面積。
[0004]文獻US2005/0025627A1提出了另一種沒有盤心間墊片的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)。這種渦輪盤為防止高轉(zhuǎn)速下兩個輻板在盤心由于軸向變形而接觸，其輪轂軸向尺寸較大。
[0005]文獻US2000/6267553B1提出一種應用在高壓壓氣機上的雙輻板輪盤。這種輪盤結(jié)構(gòu)可以在很大程度上減輕輪盤質(zhì)量，對于提高發(fā)動機性能有重要的意義。
[0006]文獻CN2014/104196572A提出了一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，在雙輻板渦輪盤的兩個輻板上設(shè)有若干導流肋板，渦輪盤盤緣處沿周向均布冷氣出氣孔，冷氣通過盤緣出氣孔從雙輻板渦輪盤的盤腔進入渦輪葉片。
[0007]無論雙輻板渦輪盤的冷卻設(shè)計如何先進，冷卻效果如何好，輪盤減重效果多么明顯，作為重要的承力部件，必須考慮輪盤的承載能力。然而雙輻板渦輪盤的冷卻完全依賴于兩個輻板之間的盤腔，為了強化冷卻效果，通常盤腔的空間較大，導致前輻板和后輻板的厚度受到限制。在輪盤高速旋轉(zhuǎn)工作中，前輪轂和后輪轂產(chǎn)生軸向變形，在輻板與輪轂外轉(zhuǎn)接段和盤腔內(nèi)型面轉(zhuǎn)接段應力較大，這兩處還需承受高速旋轉(zhuǎn)時的離心應力和熱應力，因此成為整個輪盤的薄弱位置。故而盤腔的空間尺寸、型面設(shè)計尤為重要，且在不能通過增大輻板幾何尺寸的情況下如何保證可靠的強度要求這也成為雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:在不能通過增大輻板幾何尺寸的情況下，改善雙輻板渦輪盤輻板應力分布，提高雙輻板渦輪盤在輻板與輪轂轉(zhuǎn)接處的強度，提高輻板承載能力，同時又能減輕輪盤質(zhì)量，加工簡單。
[0009]為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤，所述渦輪盤包括輪緣、前輪轂和后輪轂、前輻板和后輻板、前輻板纖維增強環(huán)和后輻板纖維增強環(huán);所述前輪轂通過所述前輻板與所述輪緣相連，所述后輪轂通過所述后輻板與所述輪緣相連，所述前輻板和所述后輻板分別對應連接所述前輪轂和所述后輪轂，所述前輻板和所述前輪轂、與所述后輻板和所述后輪轂分別關(guān)于渦輪盤中心線前后對稱，所述前輻板、后輻板與各自的輪轂包圍渦輪盤中心線形成盤腔，前輪轂和后輪轂之間形成環(huán)形盤心進氣槽道，輪緣中心位置沿周向均勻分布盤緣出氣孔，每個輻板通過圓弧轉(zhuǎn)接面進行平滑過渡連接到相對應的輪轂，纖維增強環(huán)對稱地植入盤腔內(nèi)型面的轉(zhuǎn)接區(qū)域中。
[0010]優(yōu)選地，所述纖維增強環(huán)植入所述渦輪盤的前輻板和后輻板的內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面的應力集中區(qū)域。
[0011]優(yōu)選地，所述前輻板和所述后輻板中的纖維增強環(huán)關(guān)于輪盤中心線對稱設(shè)置。
[0012]優(yōu)選地，并且每個纖維增強環(huán)以輪盤軸線為軸心布置在每個輻板中。
[0013]優(yōu)選地，所述前輻板和所述后輻板中的纖維增強環(huán)的數(shù)量均為一個。
[0014]優(yōu)選地，所述前輻板和所述前輪轂、以及所述后輻板和所述后輪轂分別與渦輪盤中心線呈傾斜布置。
[0015]優(yōu)選地，所述輻板的外型面通過外圓弧轉(zhuǎn)接面過渡到所述輪轂，所述輻板的盤腔面通過內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面過渡到所述輪轂。
[0016]優(yōu)選地，前輻板纖維增強環(huán)和后輻板纖維增強環(huán)關(guān)于輪盤中心線對稱設(shè)置。
[0017]優(yōu)選地，所述纖維增強環(huán)為SiC纖維增強環(huán)。
[0018]優(yōu)選地，所述SiC纖維增強環(huán)的SiC纖維密度是輪盤基體材料的40%，SiC纖維的抗拉強度是基體材料的兩倍。
[0019]優(yōu)選地，所述纖維增強環(huán)的橫截面為矩形。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:
[0021]與傳統(tǒng)渦輪盤的輻板結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明適用于更先進的雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，纖維增強雙輻板渦輪盤提高了輻板與輪轂轉(zhuǎn)接處的周向、徑向、軸向的承載能力，纖維環(huán)加強了盤腔內(nèi)型面轉(zhuǎn)接段的強度，同時也就改善了輻板與輪轂外轉(zhuǎn)接面處的應力集中現(xiàn)象，充分改善輻板的應力分布，同時由于SiC纖維密度相對基體材料小，也減輕了雙輻板渦輪盤的質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)設(shè)計加工簡單，易于在雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0022]圖1纖維增強雙輻板渦輪盤二維截面示意圖；
[0023]圖2纖維增強雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3纖維增強環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖標記如下:
[0026]I纖維增強雙輻板渦輪盤，2盤緣出氣孔，3前輻板，4后輻板，5盤腔，6后輪轂，7盤心進氣槽道，8前輪轂，9前輻板纖維增強環(huán)，10后輻板纖維增強環(huán)，11輪緣，12外圓弧轉(zhuǎn)接面，13內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面，14纖維環(huán)外徑，15纖維環(huán)內(nèi)徑，16纖維環(huán)厚度，17輪盤軸線，18輪盤中心線。
【具體實施方式】
[0027]下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0028]如圖1-3所示，一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤，該渦輪盤包括輪緣11、前輪轂8和后輪轂6、前輻板3和后輻板4、前輻板纖維增強環(huán)9和后輻板纖維增強環(huán)10。前輪轂8通過前輻板3與輪緣11相連，后輪轂6通過后輻板4與輪緣11相連，前輪轂8與后輪轂6是獨立分開的，前輻板3和后輻板4分別對應連接前輪轂8和后輪轂6，前輻板3和前輪轂8、以及后輻板4和后輪轂6分別關(guān)于渦輪盤中心線18前后對稱，并分別與渦輪盤中心線18呈一定角度傾斜布置，前輻板3、后輻板4與各自的輪轂包圍輪盤中心線18形成一個盤腔5，前輪轂8和后輪轂6之間形成的環(huán)形盤心進氣槽道7即為冷氣進入盤腔5的通道，輪緣11中心位置沿周向均勻分布盤緣出氣孔2，供冷氣從盤腔5進入渦輪葉片。每個輻板通過圓弧轉(zhuǎn)接面進行平滑過渡連接到輪轂，輻板的外型面通過外圓弧轉(zhuǎn)接面12過渡到輪轂，輻板的盤腔面通過內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面13過渡到輪轂。
[0029]由于輻板外圓弧轉(zhuǎn)接面12和內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面13處應力較大，這兩處還需承受高速旋轉(zhuǎn)時的離心應力和熱應力，因此成為整個輪盤的薄弱位置。而纖維增強材料普遍具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗腐蝕和低密度等優(yōu)點，能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力，因此為解決輪盤中存在的缺陷，本發(fā)明在輪盤的前輻板和后輻板的相應內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面13的應力集中區(qū)域，各植入一條纖維增強環(huán)，使纖維增強環(huán)對稱地埋設(shè)在盤腔5內(nèi)型面的轉(zhuǎn)接區(qū)域中，即前輻板纖維增強環(huán)9和后輻板纖維增強環(huán)10關(guān)于輪盤中心線18對稱設(shè)置，并且每個增強環(huán)以輪盤軸線17為軸心布置在每個輻板中。
[0030]纖維增強環(huán)的橫截面為矩形，所述纖維增強環(huán)的外徑14、內(nèi)徑15、和厚度16尺寸參數(shù)決定纖維環(huán)對輪盤承載能力的增強效果，其可根據(jù)渦輪盤的應力集中特點確定。纖維增強環(huán)可采用SiC纖維，其密度是輪盤基體材料的40%，可以減輕輪盤質(zhì)量;而抗拉強度是基體材料的兩倍，可以增強輻板的承載能力，改善輪盤的應力分布。
[0031]上述纖維增強雙輻板渦輪盤的生產(chǎn)方法是:SiC纖維采用三維編織技術(shù)，按照正交三向結(jié)構(gòu)編織成環(huán)，然后將纖維環(huán)植入渦輪盤基體金屬粉末中，采用熱等靜壓技術(shù)將纖維環(huán)和渦輪盤固定在一起，最后進行機械加工，以滿足輪盤的外形設(shè)計要求。本發(fā)明使用的SiC纖維增強環(huán)采用三維編織技術(shù)，這種工藝可以滿足纖維增強環(huán)對輪盤在周向、徑向、軸向承載能力的要求。
[0032]與傳統(tǒng)渦輪盤的輻板結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明適用于更先進的雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，SiC纖維增強雙輻板渦輪盤提高了輻板與輪轂轉(zhuǎn)接處的周向、徑向、軸向的承載能力，纖維環(huán)加強了盤腔內(nèi)型面轉(zhuǎn)接段的強度，同時也就改善了輻板與輪轂外轉(zhuǎn)接面處的應力集中現(xiàn)象，充分改善輻板的應力分布，同時由于SiC纖維密度相對基體材料小，也減輕了雙輻板渦輪盤的質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)設(shè)計加工簡單，易于在雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。
[0033]雖然本發(fā)明已經(jīng)在上文中參照附圖中所示的實施例進行了描述而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地理解和實踐本發(fā)明，但這些實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施例，其能在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進行種種變形，從而得到各種代替例、修正例、變形例或改進例，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】
1.一種提高輻板承載能力的纖維增強雙輻板渦輪盤，其特征在于:所述渦輪盤包括輪緣(U)、前輪轂(8)和后輪轂(6)、前輻板(3)和后輻板(4)、前輻板纖維增強環(huán)(9)和后輻板纖維增強環(huán)(10);所述前輪轂(8)通過所述前輻板(3)與所述輪緣(11)相連，所述后輪轂(6)通過所述后輻板(4)與所述輪緣(11)相連，所述前輻板(3)和所述后輻板(4)分別對應連接所述前輪轂(8)和所述后輪轂(6)，所述前輻板(3)和所述前輪轂(8)、與所述后輻板(4)和所述后輪轂(6)分別關(guān)于渦輪盤中心線(18)前后對稱，所述前輻板(3)、后輻板(4)與各自的輪轂包圍渦輪盤中心線(18)形成盤腔(5)，前輪轂(8)和后輪轂(6)之間形成環(huán)形盤心進氣槽道(7)，輪緣(11)中心位置沿周向均勻分布盤緣出氣孔(2)，每個輻板(3、4)通過圓弧轉(zhuǎn)接面(12、13)平滑過渡連接到相連接的輪轂(8、6)，纖維增強環(huán)(9、10)對稱地植入輻板中盤腔(5)內(nèi)型面的轉(zhuǎn)接區(qū)域中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述纖維增強環(huán)(9、10)植入所述渦輪盤的前輻板(3)和后輻板(4)的內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面(13)的應力集中區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述前輻板(3)和所述后輻板(4)中的纖維增強環(huán)(9、10)關(guān)于輪盤中心線(18)對稱設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪盤，其特征在于，并且每個纖維增強環(huán)(9、10)以輪盤軸線(17)為軸心布置在每個輻板中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述前輻板(3)和所述后輻板(4)中的纖維增強環(huán)的數(shù)量均為一個。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述前輻板(3)和所述前輪轂(8)、以及所述后輻板(4)和所述后輪轂(6)分別與渦輪盤中心線(18)呈傾斜布置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述輻板(3、4)的外型面通過外圓弧轉(zhuǎn)接面(12)過渡到所述輪轂(8、6)，所述輻板(3、4)的盤腔面通過內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面(13)過渡到所述輪轂(8、6)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述纖維增強環(huán)為SiC纖維增強環(huán)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪盤，其特征在于，所述SiC纖維增強環(huán)的SiC纖維密度是輪盤基體材料的40%，SiC纖維的抗拉強度是基體材料的兩倍。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪盤，其特征在于，所述纖維增強環(huán)的橫截面為矩形。
【文檔編號】F01D5/02GK106089310SQ201610515888
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】劉紅, 賈志剛, 朱大明
【申請人】中航空天發(fā)動機研究院有限公司