[發明專利]一種應用于雙輻板渦輪盤盤腔的導流冷卻結構

有效

• 申請號: 201610515887.7
• 申請日: 2016-07-01
• 公開（公告）號: CN106014485B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 韓玉琪;賈志剛;朱大明
• 申請（專利權）人: 中航空天發動機研究院有限公司
• 主分類號: F01D5/06
• 分類號: F01D5/06;F01D5/08
• 代理公司: 北京華創博為知識產權代理有限公司11551
• 代理人: 管瑩,張波濤

技術領域

本發明屬于航空發動機高壓渦輪盤冷卻技術領域，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構。

背景技術

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，據統計，在航空發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。以當前的技術發展水平來說，第四代戰機所使用的推重比10級別的航空發動機渦輪進口燃氣溫度已經達到1850K-1950K，在研中推重比15級別的航空發動機該技術指標更是高達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。

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構。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(現有的航空材料只能在1000℃以下維持較高的強度)，提高其工作可靠性；又要盡量使其內部溫度均勻的分布，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。

雙輻板渦輪盤是在美國高性能渦輪發動機技術(IHPTET)計劃下，針對下一代高推重比渦扇發動機的高壓渦輪盤設計，提出輕質量、高冷卻效率的新型渦輪盤結構設計技術。雙輻板渦輪盤由于采用了空心結構，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。

專利US1999/005961287A提出了一種區別于傳統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構，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動機的性能，同時在盤腔內壁面采用徑向直肋片將冷卻空氣導入盤緣冷卻通道。

專利US3982852B2中提出了一種用于雙輻板渦輪盤的的徑向直肋片，利用離心力和泵吸效應將冷卻空氣導入盤緣冷卻通道。

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。

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構，從而防止盤心處兩個輻板在高轉速下由于軸向變形而接觸的情況。

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構與雙輻板渦輪盤配合增加盤心處的軸向剛度。

對于傳統的實心渦輪盤來說，進氣通常采用高位進氣加預旋的結構形式，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構形式。

然而，中心徑向進氣方式挑戰了雙輻板渦輪盤的冷卻氣體流路設計。冷氣徑向流入兩側輻板形成的空腔后，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冷通道繼續冷卻葉片，這個過程中的冷氣流動結構呈現出典型的“源-匯流動”形式。由于渦輪盤的高速旋轉，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構形式，則會產生兩個問題：一是冷氣方向與通道中心線近乎垂直，很難進入冷氣通道，在通道一側形成回流區，堵塞了通道的一大部分面積；二是在剩余的通道面積里，從輪盤的旋轉坐標系來看，冷氣入射通道壁面，動能轉化為內能，滯止升溫，嚴重降低了冷氣的品質，減弱了輪緣區域的冷卻效果。

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。

因此，必須根據雙輻板渦輪盤腔中冷氣流動結構的特點，合理的設計盤腔和盤緣冷氣通道的導流結構形式，以保證冷氣品質，增強盤緣的冷卻效果。

發明內容