一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于渦輪機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)。

二、

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，是研發(fā)高推重比航發(fā)的關(guān)鍵部件之一。經(jīng)過多年努力,我國雖然在渦輪葉片的材料及其鑄造工藝上取得不少進(jìn)展,但與國際水平比較，還存在較大的差距。傳統(tǒng)航發(fā)的渦輪機(jī)，渦輪葉片是鑲嵌或焊接在渦輪盤上。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)速超過1萬轉(zhuǎn)/分鐘，渦輪葉片在接近材料的承溫極限（與合金熔點(diǎn)相比不足200℃的差距）條件下，承受著極大的離心載荷及高溫氧化和燃?xì)飧g等的復(fù)合作用。拉應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變現(xiàn)象的存在，使其失效概率相對(duì)較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航發(fā)失效事件中，由于渦輪葉片失效而導(dǎo)致的故障占到了70％以上。

目前的應(yīng)對(duì)措施主要有兩種，尋找特定合金材料和降低渦輪葉片的溫度。先進(jìn)單晶合金可達(dá)到更高的持久強(qiáng)度及抗氧化、抗熱腐蝕能力，是目前高性能渦輪葉片的主導(dǎo)材料。為改善渦輪葉片工作環(huán)境，在外表面涂覆陶瓷涂層以起到高溫防護(hù)作用，內(nèi)部則設(shè)計(jì)成極復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)以達(dá)到均勻冷卻目的。這使得渦輪葉片從選材到加工，變得極為復(fù)雜和困難。

一般來說，一款軍用航發(fā)從研制到立項(xiàng)需要投入幾十億美元，其中相當(dāng)一部分就花在了渦輪葉片材料上，每片渦輪葉片價(jià)格高達(dá)上萬美元，可見其驚人價(jià)值。但這些仍不能使問題從根本上得到解決，也不能滿足未來新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)使用要求。

航發(fā)的核心指標(biāo)在于推重比，而提高推重比的關(guān)鍵在于提高渦輪葉片材料的耐高溫能力，渦前溫度每提高100℃，推重比增加10%左右。早期，每隔5～10年出現(xiàn)一代新發(fā)動(dòng)機(jī)，而從f100到f119（f22用航發(fā)）竟相隔30年?？梢?，當(dāng)前航發(fā)的發(fā)展空間，正在向極限逼近。

陶瓷的耐高溫和耐腐蝕特性，遠(yuǎn)勝于合金，且價(jià)格較低。但陶瓷屬脆性材料，抗壓不抗拉，從而限制了陶瓷在渦輪葉片制造上的應(yīng)用。但各國研發(fā)部門仍投入大量精力，以期實(shí)現(xiàn)用陶瓷代替昂貴單晶合金的目的。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是使陶瓷在渦輪葉片上的應(yīng)用成為可能，由此提出一種設(shè)計(jì)合理、構(gòu)思巧妙的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：該渦輪機(jī)包括若干渦輪葉片及渦輪盤，其特點(diǎn)是：渦輪盤的外側(cè)間隔的設(shè)有多個(gè)楔形槽，每個(gè)楔形槽內(nèi)置有與其留有間隙的楔形鍵；每個(gè)楔形鍵外側(cè)連接有兩片渦輪葉片，每個(gè)渦輪葉片外側(cè)均與渦輪箍?jī)?nèi)側(cè)固接并由其限位。

采用上述結(jié)構(gòu)，工作時(shí)，渦輪葉片與渦輪盤通過楔形鍵、槽斜面的接觸作用實(shí)現(xiàn)共同旋轉(zhuǎn)。當(dāng)渦輪葉片與渦輪盤兩者不同心旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于渦輪葉片與渦輪盤間存有一定的間隙，靠近渦輪盤軸心一端的楔形鍵槽首先接觸，形成斜面間作用力，其徑向分力將使渦輪葉片的軸心，向渦輪盤軸心靠近，最終渦輪葉片與渦輪盤達(dá)到同心旋轉(zhuǎn)，所有楔形鍵槽處于均勻受力狀態(tài)。由于渦輪葉片連接在渦輪箍?jī)?nèi)側(cè)，渦輪葉片與渦輪盤間無連接。工作時(shí)，渦輪葉片的離心力全部落到了渦輪箍上，渦輪葉片承受的完全是壓應(yīng)力，改變了傳統(tǒng)渦輪機(jī)的渦輪葉片只承受拉應(yīng)力的局面，這為全陶瓷渦輪葉片的普及應(yīng)用，提供了充分的條件保障。渦輪葉片與渦輪盤的結(jié)合形式，不但為渦輪葉片受熱提供了充分的自由膨脹空間，最大限度地減小渦輪葉片的熱應(yīng)力，且還能減輕振動(dòng)對(duì)渦輪軸的沖擊，延長(zhǎng)航發(fā)壽命。同是航發(fā)關(guān)鍵性核心部件的渦輪盤，由于渦輪盤不再承受渦輪葉片的離心拉力，因此大大降低了渦輪盤對(duì)材料的要求和生產(chǎn)技術(shù)難度。

四、附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明環(huán)形擋片的結(jié)構(gòu)示意圖。

五、具體實(shí)施方式

如圖所示，本發(fā)明包括若干渦輪葉片2及渦輪盤3。渦輪盤3的外側(cè)間隔的設(shè)有多個(gè)楔形槽7。每個(gè)楔形槽7內(nèi)，置有與其留有間隙的楔形鍵6。每個(gè)楔形鍵6外側(cè)連接有渦輪葉片2。每個(gè)渦輪葉片2外側(cè)均與渦輪箍1內(nèi)側(cè)固接，并由其限位。上述楔形鍵6外側(cè)可連接有兩個(gè)渦輪葉片2，即兩個(gè)渦輪葉片2為連接在楔形鍵6上的一體結(jié)構(gòu)，該種一體結(jié)構(gòu)，不但可增強(qiáng)渦輪葉片2的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還使得新型渦輪機(jī)無論是正常工作（渦輪葉片為動(dòng)力）還是啟動(dòng)階段（渦輪盤為動(dòng)力），都能保持渦輪葉片2和渦輪箍1與渦輪盤3同心旋轉(zhuǎn)，而無須改變目前航發(fā)的啟動(dòng)系統(tǒng)。在楔形鍵6與楔形槽7對(duì)接處，設(shè)有通過銷釘5固定在渦輪盤3兩端的環(huán)形擋板4，以限制渦輪葉片2和渦輪箍1沿軸向竄出。

渦輪箍用碳纖維材料，雖然較耐高溫，但仍有必要在渦輪箍與渦輪葉片間加墊隔熱材料及采取必要的散熱冷卻措施，使其保持最隹工作狀態(tài)。為使渦輪箍受熱均勻，將渦輪箍可設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)。外層為碳纖維材料，是渦輪箍的承力部分。內(nèi)層用導(dǎo)熱性良好的金屬材料，并設(shè)計(jì)成易于氣流流動(dòng)的散熱結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降溫目的。冷卻用氣體的來源有兩個(gè)，一是高壓壓氣機(jī)中的空氣，二是渦扇航發(fā)的外涵道冷氣，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行選擇。對(duì)于空心渦葉，其散熱用冷氣，也由渦輪箍處引入。由于在啟動(dòng)階段，葉箍與渦輪盤有一分鐘左右的同心旋轉(zhuǎn)糾正過程，使渦葉斜面與渦輪盤斜面產(chǎn)生較短暫的摩擦。為減小摩損，可在啟動(dòng)開始時(shí)，設(shè)置滑油噴淋裝置。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)，包括若干渦輪葉片及渦輪盤，渦輪盤的外側(cè)間隔的設(shè)有多個(gè)楔形槽，每個(gè)楔形槽內(nèi)置有與其留有間隙的楔形鍵；每個(gè)楔形鍵外側(cè)連接有兩片渦輪葉片，每個(gè)渦輪葉片外側(cè)均與渦輪箍?jī)?nèi)側(cè)固接并由其限位。由于渦輪葉片連接在渦輪箍?jī)?nèi)側(cè)，渦輪葉片與渦輪盤間無連接。工作時(shí)，渦輪葉片的離心力全部落到了渦輪箍上，渦輪葉片承受的完全是壓應(yīng)力，改變了傳統(tǒng)渦輪機(jī)的渦輪葉片只承受拉應(yīng)力的局面，這為全陶瓷渦輪葉片的普及應(yīng)用，提供了充分的條件保障。渦輪葉片與渦輪盤的結(jié)合形式，不但為渦輪葉片受熱提供了充分的自由膨脹空間，最大限度地減小渦輪葉片的熱應(yīng)力，且還能減輕振動(dòng)對(duì)渦輪軸的沖擊，延長(zhǎng)航發(fā)壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：田忠武
受保護(hù)的技術(shù)使用者：田忠武
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.25
技術(shù)公布日：2017.07.04