一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构

摘要

本发明公开了一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，由进气通道(1)、离心叶片(4)和旋转唇形封严结构(3)组成。进气通道(1)是位于旋转唇形封严结构(3)中的空腔；离心叶片(4)位于进气通道(1)中，对冷却气体进行离心增压、升温；旋转唇形封严结构(3)位于双辐板涡轮盘(9)盘心，对冷却气体进行轴向封严。本发明的具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，在减轻轮盘质量的前提下，能够充分利用冷气实现高效的盘腔流动换热效果、轮盘主动热应力控制和冷气封严。该结构能够有效提高对冷气的利用水平，且结构设计、加工简单，易于在实际机型中实现。

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机高压涡轮盘冷却技术领域，尤其涉及一种具有离心 增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构。

背景技术

随着发动机技术的不断发展，推重比不断增大，时至今日，高压涡轮盘的 盘缘温度已高达700℃，距离高温燃气较远的盘心温度通常也在400℃左右，工 作转速高达16000r/min左右，这导致了高压涡轮盘的工作环境越来越恶劣，传 统单辐板涡轮盘已经很难满足先进大推重比发动机的设计要求，严重限制了航 空发动机的进一步发展。

双辐板涡轮盘是在美国高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划下，针对下 一代高推重比涡扇发动机的高压涡轮盘设计，提出轻质量、高冷却效率的新型 涡轮盘结构设计技术。与传统涡轮盘相比，该计划中的双辐板涡轮盘采用盘腔 冷却结构，通过挖空辐板中部减小了每个盘辐轴向宽度，减轻质量，优化传力 路径；通过增大盘腔换热面积来提高冷却效率、降低涡轮盘盘身的总体温度和 温度差。

专利US1999/005961287A提出了一种区别以往单辐板涡轮盘的双辐板涡轮 盘。这种涡轮盘由两个对称半盘焊接而成，轮盘中间形成盘腔结构，且两个辐 板的盘心间加入垫片。冷气通过盘心处的开孔进入盘腔，一方面减轻了轮盘重 量，另外增大了盘腔流动换热面积。

专利US2005/0025627A1提出了另一种没有盘心间垫片的双辐板涡轮盘结 构。这种涡轮盘为防止高转速下两个辐板在盘心由于轴向变形而接触，其盘毂 尺寸较大。

专利US2000/6267553B1提出一种应用在高压压气机上的双辐板轮盘。这种 轮盘的两个辐板间通入冷气可以更好的冷却轮盘从而控制轮盘上的热应力水 平。

专利CN2014/104196572A提出了一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘， 在双辐板涡轮盘的两个辐板上设有若干导流肋板，涡轮盘盘缘处沿圆周径向均 布盘缘冷气通道，冷气通过盘缘冷气通道从双辐板涡轮盘盘腔进入冷却叶片。

由于考虑到轮盘强度要求，双辐板涡轮盘不能在辐板上打孔，其冷却气流 只能通过盘心径向进入盘腔。冷却气流是从高压压气机轴向引气而来，盘心径 向进气方式需要将冷气折转，这必然会导致冷气流量和压力的损失，冷气流量 损失会降低涡轮盘的换热效果，增加引气量会导致发动机效率降低，并且冷气 压力损失会降低轮盘和叶片的换热效果，冷气压力严重不足的情况可能会遭致 主流燃气倒吸从而烧毁叶片和轮盘。另外，涡轮盘盘缘处离燃气近、温度高， 盘心径向进气是从温度较低的盘心流入再经盘腔冷却盘辐和盘缘，如果不改善 冷气品质，增强辐板和盘缘的冷却效果，将很有可能造成轮盘较大的径向温差。 因而，必须合理的设计双辐板涡轮盘的盘心进气结构，综合利用“离心压气机 原理”、“泵吸效应”以及典型盘腔结构、主动热应力控制等冷却设计方法， 才能对轮盘冷气进行有效地补偿和封严才能进一步提高轮盘流动换热效果和降 低冷却气量。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种用于航空发动机双辐板涡轮盘的 盘心进气结构，与传统涡轮盘冷却方式相比，它能够对冷气产生轴向密封和离 心增压、升温的效果，冷气轴向密封能够保证足够量的冷气进入盘腔；提升冷 气压力能提高盘腔流动换热效率和改善进入涡轮叶片的冷气品质；提升冷气温 度能够起到主动热应力控制的效果，使盘心温度不至于太低，降低了轮盘径向 温差，从而降低轮盘热应力分布。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以 下技术方案：

一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，由进气通道 (1)、离心叶片(4)和旋转唇形封严结构(3)组成。进气通道(1)是位于 旋转唇形封严结构(3)中的空腔，冷却气体经过冷气进口(2)经过进气通道 (1)流出进气结构出气孔(8)进入双辐板涡轮盘(9)盘腔；离心叶片(4) 使用常规离心压气机叶型，位于进气通道(1)中，对冷却气体进行离心增压、 升温，并用于支撑进气通道(1)和旋转唇形封严结构(3)；旋转唇形封严结 构(3)位于双辐板涡轮盘(9)盘心，并连接双辐板涡轮盘(9)的左辐板(11) 和右辐板(12)，对冷却气体进行轴向封严，保证足够冷却气体量进入进气通 道(1)。进气通道(1)、离心叶片(4)和旋转唇形封严结构(3)通过精密 铸造一次成型，通过过盈配合安装在双辐板涡轮盘(9)盘心处。

本发明的一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，由 高温合金精密铸造而成，沿双辐板涡轮盘(9)的盘心呈圆环形。

通过进气边角度(5)、间隙(6)、封严边角度(7)三个参数的调整控制 进入盘腔的冷气量。

进气通道(1)内布置有11-33个采用离心压气机叶型的离心叶片(4)，起 到离心增压的效果并支撑整个进气结构。

本发明的一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，具 有如下特点：

采用进气通道、离心叶片、旋转唇形封严结构的双辐板涡轮盘的盘心进气 结构，在已有专利文献中未见提及。

将本发明的进气结构通过过盈配合安装在双辐板涡轮盘的盘心处，冷气经 过进气通道进入轮盘盘腔，沿途能够对轴向冷气起到离心增压、升温的作用和 冷气的轴向封严作用。

冷气在盘心处升温能够起到盘心热应力控制的目的，降低轮盘径向温差； 冷气的离心增压能够改变气流走向，并提高盘腔冷却效率和提升盘缘出口处冷 气的品质，更好的冷却涡轮叶片；冷气轴向封严能保证由足够的冷气量进入盘 腔。

考虑到本发明双辐板涡轮盘的结构尺寸，该进气结构最大半径61.7mm，最 小半径31.7mm，径向长度为30mm，最大宽度45mm，上端出口宽度11mm，间隙3mm。 针对不同尺寸的双辐板涡轮盘，为实现相同功能，其进气结构尺寸会适当改变， 但其拓扑形式不变。

进气结构具有11-33个离心叶片，是根据离心压气机叶型制作，能够将冷气 离心增压、升温。

使用现有的高温合金材料(如GH4169)，即可满足要求。

与传统涡轮盘的冷却结构和冷却方式相比，本发明适用于更先进的双辐板 涡轮盘的冷却结构和冷却方式，在减轻轮盘质量的前提下，能够充分利用冷气 实现高效的盘腔流动换热效果、轮盘主动热应力控制和冷气封严。该结构设计 能够有效提高对冷气的利用水平，且结构设计、加工简单，易于在实际机型中 实现。

附图说明

图1示出了一个扇区的双辐板涡轮盘的盘心进气结构示意图。

图2示出了不含离心叶片的盘心进气结构二维视图。

图3示出了盘心进气结构三维视图。

附图标号说明：

1-进气通道，2-冷气进口，3-旋转唇形封严结构，4-离心叶片，5-进气边 角度，6-间隙，7-封严边角度，8-进气结构出气孔,9-双辐板涡轮盘，10-盘缘， 11-左辐板，12-右辐板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限 于此。

本发明的一种具有离心增压和封严效果的双辐板涡轮盘盘心进气结构，由 进气通道(1)、离心叶片(4)和旋转唇形封严结构(3)组成。进气通道(1) 是位于旋转唇形封严结构(3)中的空腔，冷却气体经过冷气进口(2)经过进 气通道(1)流出进气结构出气孔(8)进入双辐板涡轮盘(9)盘腔；离心叶片 (4)使用常规离心压气机叶型，位于进气通道(1)中，对冷却气体进行离心 增压、升温，并用于支撑进气通道(1)和旋转唇形封严结构(3)；旋转唇形封 严结构(3)位于双辐板涡轮盘(9)盘心，并连接双辐板涡轮盘(9)的左辐板 (11)和右辐板(12)，对冷却气体进行轴向封严，保证足够冷却气体量进入进 气通道(1)。进气通道(1)、离心叶片(4)和旋转唇形封严结构(3)通过精 密铸造一次成型加工出来，通过过盈配合安装在双辐板涡轮盘(9)盘心处。

如图1、图2、图3所示，本发明的具体实施方式如下：

本发明是一种能够有效提高双辐板涡轮盘冷却效果的进气结构，它由进气 通道、离心叶片和旋转唇形封严结构组成：进气通道成圆环形状，里面布置有 17个离心叶片，通过调整进气边角度、封严边角度和间隙实现冷气的轴向封严。 整个结构通过精密铸造一次成型。

图1为一个扇区的双辐板涡轮盘的盘心进气结构示意图，离心叶片采用离心 压气机叶型设计，进气结构通过过盈配合安装在双辐板涡轮盘盘心处。

图2为不含离心叶片的盘心进气结构二维视图，进气结构最大半径61.7mm， 最小半径31.7mm，径向长度为30mm，最大宽度45mm，上端出口宽度11mm，间隙 3mm。

图3为盘心进气结构三维视图，包含17个离心叶片，17个进气结构出气孔。

本发明的进气结构，采用了“离心压气机原理”和“泵吸效应”相结合的 思路，充分利用离心压气机的离心增压和泵吸封严效果，使冷气的冷却能力得 到发挥，并在一定程度上起到主动热应力控制的目的。该结构设计、加工简单， 易于在实际机型中实现。