一种提高辐板承载能力的纤维增强双辐板涡轮盘

摘要

本发明提出一种提高辐板承载能力的纤维增强双辐板涡轮盘，所述涡轮盘包括轮缘(11)、前轮毂(8)和后轮毂(6)、前辐板(3)和后辐板(4)、前辐板纤维增强环(9)和后辐板纤维增强环(10)；纤维增强环(9、10)对称地分布在盘腔(5)内型面的转接区域中。纤维增强双辐板涡轮盘提高了辐板与轮毂转接处的周向、径向、轴向的承载能力，纤维环加强了盘腔内型面转接段的强度，同时也改善了辐板与轮毂外转接面处的应力集中现象，充分改善辐板的应力分布，同时由于SiC纤维密度相对基体材料小，也减轻了双辐板涡轮盘的质量。该结构设计加工简单，易于在双辐板涡轮盘结构中实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压涡轮盘结构设计，尤其涉及一种提高辐板承载能力的纤维增强双辐板涡轮盘，它能够有效加强辐板与轮毂转接位置的强度，改善辐板的应力分布，提高双辐板涡轮盘的强度及抗疲劳性能，同时减轻轮盘质量。属于航空发动机高压涡轮盘结构设计技术领域。

背景技术

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、高冷却效率的先进涡轮盘结构设计技术。国内外研究学者围绕双辐板涡轮盘的结构设计提出了以下几种方法：

文献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，一方面减轻了轮盘质量，另外增大了盘腔流动换热面积。

文献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，其轮毂轴向尺寸较大。

文献US2000/6267553B1提出一种应用在高压压气机上的双辐板轮盘。这种轮盘结构可以在很大程度上减轻轮盘质量，对于提高发动机性能有重要的意义。

文献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，涡轮盘盘缘处沿周向均布冷气出气孔，冷气通过盘缘出气孔从双辐板涡轮盘的盘腔进入涡轮叶片。

无论双辐板涡轮盘的冷却设计如何先进，冷却效果如何好，轮盘减重效果多么明显，作为重要的承力部件，必须考虑轮盘的承载能力。然而双辐板涡轮盘的冷却完全依赖于两个辐板之间的盘腔，为了强化冷却效果，通常盘腔的空间较大，导致前辐板和后辐板的厚度受到限制。在轮盘高速旋转工作中，前轮毂和后轮毂产生轴向变形，在辐板与轮毂外转接段和盘腔内型面转接段应力较大，这两处还需承受高速旋转时的离心应力和热应力，因此成为整个轮盘的薄弱位置。故而盘腔的空间尺寸、型面设计尤为重要，且在不能通过增大辐板几何尺寸的情况下如何保证可靠的强度要求这也成为双辐板涡轮盘结构强度设计的薄弱环节。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是：在不能通过增大辐板几何尺寸的情况下，改善双辐板涡轮盘辐板应力分布，提高双辐板涡轮盘在辐板与轮毂转接处的强度，提高辐板承载能力，同时又能减轻轮盘质量，加工简单。

为了解决上述问题，本发明提出一种提高辐板承载能力的纤维增强双辐板涡轮盘，所述涡轮盘包括轮缘、前轮毂和后轮毂、前辐板和后辐板、前辐板纤维增强环和后辐板纤维增强环；所述前轮毂通过所述前辐板与所述轮缘相连，所述后轮毂通过所述后辐板与所述轮缘相连，所述前辐板和所述后辐板分别对应连接所述前轮毂和所述后轮毂，所述前辐板和所述前轮毂、与所述后辐板和所述后轮毂分别关于涡轮盘中心线前后对称，所述前辐板、后辐板与各自的轮毂包围涡轮盘中心线形成盘腔，前轮毂和后轮毂之间形成环形盘心进气槽道，轮缘中心位置沿周向均匀分布盘缘出气孔，每个辐板通过圆弧转接面进行平滑过渡连接到相对应的轮毂，纤维增强环对称地植入盘腔内型面的转接区域中。

优选地，所述纤维增强环植入所述涡轮盘的前辐板和后辐板的内圆弧转接面的应力集中区域。

优选地，所述前辐板和所述后辐板中的纤维增强环关于轮盘中心线对称设置。

优选地，并且每个纤维增强环以轮盘轴线为轴心布置在每个辐板中。

优选地，所述前辐板和所述后辐板中的纤维增强环的数量均为一个。

优选地，所述前辐板和所述前轮毂、以及所述后辐板和所述后轮毂分别与涡轮盘中心线呈倾斜布置。

优选地，所述辐板的外型面通过外圆弧转接面过渡到所述轮毂，所述辐板的盘腔面通过内圆弧转接面过渡到所述轮毂。

优选地，前辐板纤维增强环和后辐板纤维增强环关于轮盘中心线对称设置。

优选地，所述纤维增强环为SiC纤维增强环。

优选地，所述SiC纤维增强环的SiC纤维密度是轮盘基体材料的40％，SiC纤维的抗拉强度是基体材料的两倍。

优选地，所述纤维增强环的横截面为矩形。

本发明的有益效果如下：

与传统涡轮盘的辐板结构相比，本发明适用于更先进的双辐板涡轮盘的结构设计，纤维增强双辐板涡轮盘提高了辐板与轮毂转接处的周向、径向、轴向的承载能力，纤维环加强了盘腔内型面转接段的强度，同时也就改善了辐板与轮毂外转接面处的应力集中现象，充分改善辐板的应力分布，同时由于SiC纤维密度相对基体材料小，也减轻了双辐板涡轮盘的质量。该结构设计加工简单，易于在双辐板涡轮盘结构中实现。

附图说明

图1纤维增强双辐板涡轮盘二维截面示意图；

图2纤维增强双辐板涡轮盘结构示意图；

图3纤维增强环结构示意图。

附图标记如下：

1纤维增强双辐板涡轮盘，2盘缘出气孔，3前辐板，4后辐板，5盘腔，6后轮毂，7盘心进气槽道，8前轮毂，9前辐板纤维增强环，10后辐板纤维增强环，11轮缘，12外圆弧转接面，13内圆弧转接面，14纤维环外径，15纤维环内径，16纤维环厚度，17轮盘轴线，18轮盘中心线。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1-3所示，一种提高辐板承载能力的纤维增强双辐板涡轮盘，该涡轮盘包括轮缘11、前轮毂8和后轮毂6、前辐板3和后辐板4、前辐板纤维增强环9和后辐板纤维增强环10。前轮毂8通过前辐板3与轮缘11相连，后轮毂6通过后辐板4与轮缘11相连，前轮毂8与后轮毂6是独立分开的，前辐板3和后辐板4分别对应连接前轮毂8和后轮毂6，前辐板3和前轮毂8、以及后辐板4和后轮毂6分别关于涡轮盘中心线18前后对称，并分别与涡轮盘中心线18呈一定角度倾斜布置，前辐板3、后辐板4与各自的轮毂包围轮盘中心线18形成一个盘腔5，前轮毂8和后轮毂6之间形成的环形盘心进气槽道7即为冷气进入盘腔5的通道，轮缘11中心位置沿周向均匀分布盘缘出气孔2，供冷气从盘腔5进入涡轮叶片。每个辐板通过圆弧转接面进行平滑过渡连接到轮毂，辐板的外型面通过外圆弧转接面12过渡到轮毂，辐板的盘腔面通过内圆弧转接面13过渡到轮毂。

由于辐板外圆弧转接面12和内圆弧转接面13处应力较大，这两处还需承受高速旋转时的离心应力和热应力，因此成为整个轮盘的薄弱位置。而纤维增强材料普遍具有高比强度、高比模量、耐高温、抗腐蚀和低密度等优点，能够提高结构的承载能力，因此为解决轮盘中存在的缺陷，本发明在轮盘的前辐板和后辐板的相应内圆弧转接面13的应力集中区域，各植入一条纤维增强环，使纤维增强环对称地埋设在盘腔5内型面的转接区域中，即前辐板纤维增强环9和后辐板纤维增强环10关于轮盘中心线18对称设置，并且每个增强环以轮盘轴线17为轴心布置在每个辐板中。

纤维增强环的横截面为矩形，所述纤维增强环的外径14、内径15、和厚度16尺寸参数决定纤维环对轮盘承载能力的增强效果，其可根据涡轮盘的应力集中特点确定。纤维增强环可采用SiC纤维，其密度是轮盘基体材料的40％，可以减轻轮盘质量；而抗拉强度是基体材料的两倍，可以增强辐板的承载能力，改善轮盘的应力分布。

上述纤维增强双辐板涡轮盘的生产方法是：SiC纤维采用三维编织技术，按照正交三向结构编织成环，然后将纤维环植入涡轮盘基体金属粉末中，采用热等静压技术将纤维环和涡轮盘固定在一起，最后进行机械加工，以满足轮盘的外形设计要求。本发明使用的SiC纤维增强环采用三维编织技术，这种工艺可以满足纤维增强环对轮盘在周向、径向、轴向承载能力的要求。

与传统涡轮盘的辐板结构相比，本发明适用于更先进的双辐板涡轮盘的结构设计，SiC纤维增强双辐板涡轮盘提高了辐板与轮毂转接处的周向、径向、轴向的承载能力，纤维环加强了盘腔内型面转接段的强度，同时也就改善了辐板与轮毂外转接面处的应力集中现象，充分改善辐板的应力分布，同时由于SiC纤维密度相对基体材料小，也减轻了双辐板涡轮盘的质量。该结构设计加工简单，易于在双辐板涡轮盘结构中实现。

虽然本发明已经在上文中参照附图中所示的实施例进行了描述而使得本领域技术人员可容易地理解和实践本发明，但这些实施例仅为示例性的或优选的例子，本发明并不限定于上述的实施例，其能在不脱离本发明的主旨的范围内进行种种变形，从而得到各种代替例、修正例、变形例或改进例，这些也包含在权利要求所记载的技术范围中。