[發明專利]熱管渦輪盤

有效

• 申請號: 201410345078.7
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104121037A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 丁水汀;羅斌;杜發榮
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/08
• 分類號: F01D5/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及新型航空發動機渦輪盤的結構形式，具體涉及用熱管降低渦輪盤盤緣的最高溫度，盤心的最大應力，同時降低渦輪盤的質量。?

背景技術

渦輪盤是航空發動機的核心部件之一，其工作在高溫高轉速的環境中。渦輪盤由于受到高溫氣體的傳熱作用，其盤緣溫度最高，盤心溫度最低。渦輪盤的工作轉速一般超過10000rpm，承受著極大的離心載荷作用，導致盤心的應力最高。此外盤緣溫度高、盤心溫度低這種單調的溫度分布形式導致渦輪盤盤心處的應力變得更高。而材料的許用應力取決于其工作溫度，一般而言，溫度越高，許用應力越低。對于渦輪盤而言，雖然盤心溫度低，許用應力高，但是盤心應力也最高；而盤緣應力低，但是其溫度最高，所以盤緣與盤心成為渦輪盤的危險區域。傳統的渦輪盤只能通過改善其冷卻條件，以使渦輪盤盤緣溫度降低，從而被動地降低盤心應力。實際上，盤緣的溫度高，主要由于輪盤材料的導熱系數低引起的。若盤緣處的導熱系數升高，那么盤緣處的溫度也能夠得到很好地改善。此外，若盤上的溫度分布呈現盤心和盤緣高，而腹板低的分布形式，能有效地使渦輪盤盤心的應力降低，代價是盤心的溫度升高。由于材料在溫度相對較低的范圍內，即使溫度升高，但是許用應力降低量很少，因此以盤心溫度升高的代價來換取應力的降低，在一定程度上是可行的。?

發明內容

本發明的目的是為航空發動機提供一種簡單可行的新型渦輪盤形式，可以有效降低盤緣的溫度，盤心的應力，同時降低渦輪盤的質量。?

該新型渦輪盤主要特征為：在渦輪盤內部，周向均勻布置熱管，熱管的數量為榫槽或者葉片數量的兩倍。熱管由輪盤盤緣延伸到輪盤內緣，其中有一半數的熱管中段有一段有絕熱襯套覆蓋，有絕熱襯套的熱管的比較長，該熱管在輪緣端延伸到榫頭頂部附近，無絕熱襯套的熱管在輪緣端延伸到榫槽底部附近，有絕熱襯套的熱管與無絕熱襯套的熱管在周向交替分布。有絕熱襯套的熱管另外一端延伸到盤心附近，而無絕熱襯套的熱管的另一端可以延伸到盤心附近也可以只延伸到腹板附近。此外，在渦輪盤的盤心附近的表面，在半徑小于某一位置時絕熱。由于盤緣受到加熱，盤表面受到冷卻，因此在熱管內的工質在盤緣附近吸收熱量蒸發成蒸汽，蒸汽在其他部位放出熱量冷凝成液態，冷凝液由于輪盤旋轉產生的離心力返回到盤緣附近，形成循環。由于相變的潛熱十分巨大，因此在兩端溫差較小的情況下都能傳遞很大的熱流，因而熱管具有很高的傳熱特性。加入絕熱襯套的熱管的主要作用是把盤緣受到的加熱量部分引到盤心，由于盤心表面的封嚴絕熱，導致這部分熱量必須由盤心向高半徑位置通過輪盤材料進行傳導，從而在盤心處形成負向的徑向溫度梯度，輪盤上的溫度分布即可呈現盤緣?與盤心溫度都高，而腹板處溫度最低的情況。從而可以使得輪盤盤心處的最大應力得以降低，同時由于交替布置了無絕熱襯套的熱管，從而使輪盤的導熱能力不會因為絕熱襯套的存在而被削弱，從而提高了其導熱能力，因此使盤緣的最高溫度得以下降。由于熱管內并不是實心的，而是有少量的工作液而已，所以輪盤的質量同樣得以降低。?

本發明的熱管渦輪盤與同樣外形的傳統無熱管渦輪盤相比，在同樣的熱和機械環境下，具有輪盤盤心最大應力低，盤緣最高溫度低以及質量低的特點。因此，該渦輪盤可以在冷氣消耗量更小，渦輪前溫度更高的情況下，輪盤的材料還可以滿足強度要求。?

附圖說明

圖1為本發明的熱管渦輪盤外觀示意圖。?

圖2為本發明的熱管渦輪盤在圖1所示的A-A剖面結構示意圖。?

圖3為本發明的熱管渦輪盤在圖1所示的B-B剖面結構示意圖。?

圖4為本發明的熱管渦輪盤在圖1所示的C-C剖面結構示意圖。?

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。?

如圖1-4所示，本發明的熱管渦輪盤1或24的中心，周向均勻加工與榫槽數目空腔相等的空腔14或28以及22或27，空腔14或28由輪盤榫頭頂部2或10或25附近延伸至盤心5或7或16附近，空腔22或27有輪盤榫槽底部3或19或26附近延伸至盤心5或7或16或者腹板8或17附近。空腔14或28中間放置具有很高絕熱能力的襯套13或29.如圖2和圖3所示，空腔14或28以及22或27抽成真空，并沖入一定量的液態工質11或20，形成熱管。該工質一般為液態金屬。該工質在渦輪盤工作時，由于盤緣4處受到葉片導熱和高溫氣體的換熱作用，溫度升高，工質在高溫情況下蒸發，并向低半徑方向12或21流動，在遠離盤緣4的位置冷凝成冷凝液，由于離心力的作用，冷凝液沿著高半徑方向15或23流動，由此形成循環。此外在輪盤的外表面通過封嚴裝置6，使得盤心表面附近絕熱。?