一種應用于雙輻板渦輪盤盤腔的導流冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有增強盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導流肋片(4)、后輻板導流肋片(5)和冷氣通道(10)組成；前輻板導流肋片(4)和后輻板導流肋片(5)分別位于雙輻板渦輪盤盤腔(3)內(nèi)部兩側(cè)的前輻板(6)和后輻板(7)的內(nèi)壁面上，所述導流肋片(4、5)為傾斜導流肋片，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流肋片(4)和后輻板導流肋片(5)的導流作用下，?？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)導流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。根據(jù)流動結(jié)構(gòu)特點設計的肋片可以利用離心作用將冷氣導流至葉片內(nèi)冷通道，有效的避免出口冷氣堵塞問題，同時肋片增大了盤腔內(nèi)的換熱面積，有助于提高換熱效果。
【專利說明】
一種應用于雙輻板渦輪盤盤腔的導流冷卻結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航空發(fā)動機高壓渦輪盤冷卻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有增強雙輻板渦輪盤盤緣冷卻效果的盤腔導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、熱應力載荷和輪盤外載荷，是典型的壽命限制件，據(jù)統(tǒng)計，在航空發(fā)動機所有的非包容事故中，大約有一半是由輪盤的損壞引起的。以當前的技術(shù)發(fā)展水平來說，第四代戰(zhàn)機所使用的推重比10級別的航空發(fā)動機渦輪進口燃氣溫度已經(jīng)達到1850K-1950K，在研中推重比15級別的航空發(fā)動機該技術(shù)指標更是高達2100K-2300K，遠超過耐高溫材料的極限，使得渦輪部件的冷卻難題日益嚴峻。
[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)動機整體性能的下降為代價的，通常冷卻空氣用量不超過壓氣機主流的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，以滿足材料的強度需求(現(xiàn)有的航空材料只能在100tC以下維持較高的強度)，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力，增加渦輪盤的疲勞壽命。
[0004]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計，提出輕質(zhì)量、高冷卻效率的新型渦輪盤結(jié)構(gòu)設計技術(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入兩個輻板形成的空腔進行冷卻，與傳統(tǒng)的實心渦輪盤相比，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入此空腔對輪盤進行冷卻，增大了對流換熱面積，提高了冷卻效率，進而減少冷卻空氣的用量以提高航空發(fā)動機的性能，同時在盤腔內(nèi)壁面采用徑向直肋片將冷卻空氣導入盤緣冷卻通道。
[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將冷卻空氣導入盤緣冷卻通道。
[0007]專利US2000/6267553B1提出了一種應用在高壓壓氣機最后一級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]對于傳統(tǒng)的實心渦輪盤來說，進氣通常采用高位進氣加預旋的結(jié)構(gòu)形式，一方面通過預旋來降低相對總溫，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。對于雙輻板渦輪盤來說，輪盤的強度需求使得輻板上不能打孔，故而冷氣只能采用中心進氣的結(jié)構(gòu)形式。
[0011]然而，中心徑向進氣方式挑戰(zhàn)了雙輻板渦輪盤的冷卻氣體流路設計。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入渦輪葉片的內(nèi)冷通道繼續(xù)冷卻葉片，這個過程中的冷氣流動結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的“源-匯流動”形式。由于渦輪盤的高速旋轉(zhuǎn)，冷卻氣體的流動方向在進入盤緣冷卻通道之前相對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，則會產(chǎn)生兩個問題:一是冷氣方向與通道中心線近乎垂直，很難進入冷氣通道，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)坐標系來看，冷氣入射通道壁面，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，滯止升溫，嚴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，肋片的引入使得對流換熱面積增大從而有利于冷氣對盤體的冷卻，但是在徑向外流過程中，隨著輪盤切向速度的增大，直肋片對冷氣氣體的做功量太大，導致冷氣的溫度迅速上升，這對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結(jié)構(gòu)的特點，合理的設計盤腔和盤緣冷氣通道的導流結(jié)構(gòu)形式，以保證冷氣品質(zhì)，增強盤緣的冷卻效果。

【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流結(jié)構(gòu)，不但實現(xiàn)對冷氣導流作用，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盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導流肋片、后輻板導流肋片和冷氣通道組成。前輻板導流肋片和后輻板導流肋片分別位于雙輻板渦輪盤盤腔內(nèi)部兩側(cè)的前輻板和后輻板的內(nèi)壁面上，所述導流肋片為傾斜導流肋片，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入盤腔的內(nèi)部，在前輻板導流肋片和后輻板導流肋片的導流作用下，?？寺鼘觾?nèi)的冷卻氣體逐漸折轉(zhuǎn)流通至盤緣冷氣通道處，然后由冷氣通道導流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。
[0017]所述傾斜導流肋片為弧形導流肋片，傾斜導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與徑向最小半徑點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，為減小冷氣的流動損失和輪盤對冷氣的做功量，冷氣通道數(shù)量N設置為18-22個，優(yōu)選為20個，對于每個冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個導流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個傾斜冷氣通道和與之配合的2N個傾斜導流肋片。
[0020]為了進一步增強盤緣的冷卻效果，肋片的徑向最大半徑點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出口處對準冷卻通道。
[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)流動結(jié)構(gòu)特點設計的肋片可以利用離心作用將冷氣導流至葉片內(nèi)冷通道，有效的避免出口冷氣堵塞問題，同時肋片增大了盤腔內(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損失、減小輪盤對冷氣的做功量，避免冷氣溫度的迅速上升，有助于增強盤緣處的冷卻效果。
[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°。針對不同幾何尺度的雙輻板渦輪盤，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)會相應的改變，但拓撲結(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個導流肋片分別與其相對應配合。
[0026]本發(fā)明是一種適用于雙輻板渦輪盤盤腔的導流冷卻結(jié)構(gòu)，根據(jù)流動結(jié)構(gòu)特點而設計，對冷氣實現(xiàn)導流作用，增大了盤腔內(nèi)表面的換熱面積，同時能夠減小流動損失和輪盤對冷氣的做功量，有助于保持冷氣品質(zhì)，增強盤緣的冷卻效果。該結(jié)構(gòu)設計能夠有效提高冷氣的利用效率，且加工方法簡單，易于在實際雙輻板渦輪盤盤腔中實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0027]圖1為導流冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤周向截面二維視圖
[0028]圖2為導流冷卻結(jié)構(gòu)的雙輻板渦輪盤三維視圖
[0029]圖3為導流冷卻結(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前輻板導流肋片，5后輻板導流肋片，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。
【具體實施方式】
[0032]下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0033]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的一種具有增強盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導流冷卻結(jié)構(gòu)，由前輻板導流肋片4、后輻板導流肋片5和冷氣通道10組成。前輻板導流肋片4和后輻板導流肋片5分別位于雙輻板渦輪盤盤腔3內(nèi)部兩側(cè)的前輻板6和后輻板7的內(nèi)壁面上，所述導流肋片為傾斜導流肋片，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之間的冷卻入口進入盤腔3的內(nèi)部，在前輻板導流肋片4和后輻板導流肋片5的導流作用下，?？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導流至渦輪葉片內(nèi)冷通道。
[0035]其中，所述傾斜導流肋片為弧形導流肋片，傾斜導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與徑向最小半徑點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，為減小冷氣的流動損失，冷氣通道數(shù)量N設置為18-22個，優(yōu)選為20個，對于每個冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個導流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個傾斜冷氣通道和與之配合的2N個傾斜導流肋片。
[0038]為了進一步增強盤緣的冷卻效果，肋片的徑向最大半徑點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出口處對準冷卻通道。
[0039]本發(fā)明是一種適用于雙輻板渦輪盤盤腔的導流冷卻結(jié)構(gòu)，根據(jù)流動結(jié)構(gòu)特點而設計，對冷氣實現(xiàn)導流作用，增大了盤腔內(nèi)表面的換熱面積，同時能夠減小流動損失和輪盤對冷氣的做功量，有助于保持冷氣品質(zhì)，增強盤緣的冷卻效果。該結(jié)構(gòu)設計能夠有效提高冷氣的利用效率，且加工方法簡單，易于在實際雙輻板渦輪盤盤腔中實現(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】
1.一種具有增強盤緣冷卻效果的雙輻板渦輪盤盤腔導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:由前輻板導流肋片(4)、后輻板導流肋片(5)和冷氣通道(10)組成;前輻板導流肋片(4)和后輻板導流肋片(5)分別位于雙輻板渦輪盤盤腔(3)內(nèi)部兩側(cè)的前輻板(6)和后輻板(7)的內(nèi)壁面上，所述導流肋片(4、5)為傾斜導流肋片，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流肋片(4)和后輻板導流肋片(5)的導流作用下，埃克曼層內(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所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述傾斜導流肋片為弧形導流肋片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述傾斜導流肋片的徑向半徑為93.3mm?188.2mm04.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點與徑向最小半徑點與渦輪盤中心形成的夾角為15°-23°。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點與徑向最小半徑點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設置為18-22個。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:冷氣通道數(shù)量N為20個。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:對于每個冷氣通道，盤腔內(nèi)部每側(cè)輻板上均有一個導流肋片與之相配合，即渦輪盤包含N個傾斜冷氣通道和與之配合的2N個傾斜導流肋片。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導流冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述肋片的徑向最大半徑點出口處對準冷卻通道。
【文檔編號】F01D5/08GK106014485SQ201610515887
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】韓玉琪, 賈志剛, 朱大明
【申請人】中航空天發(fā)動機研究院有限公司