[發(fā)明專利]一種提高輻板承載能力的纖維增強(qiáng)雙輻板渦輪盤

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610515888.1
• 申請日: 2016-07-01
• 公開（公告）號: CN106089310B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉紅;賈志剛;朱大明
• 申請（專利權(quán)）人: 中航空天發(fā)動機(jī)研究院有限公司
• 主分類號: F01D5/02
• 分類號: F01D5/02;F01D5/06;F01D5/08
• 代理公司: 北京華創(chuàng)博為知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11551
• 代理人: 管瑩,張波濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其涉及一種提高輻板承載能力的纖維增強(qiáng)雙輻板渦輪盤，它能夠有效加強(qiáng)輻板與輪轂轉(zhuǎn)接位置的強(qiáng)度，改善輻板的應(yīng)力分布，提高雙輻板渦輪盤的強(qiáng)度及抗疲勞性能，同時(shí)減輕輪盤質(zhì)量。屬于航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雙輻板渦輪盤是在美國高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃下，針對下一代高推重比渦扇發(fā)動機(jī)的高壓渦輪盤設(shè)計(jì)，提出輕質(zhì)量、高冷卻效率的先進(jìn)渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了以下幾種方法：

文獻(xiàn)US1999/005961287A提出了一種區(qū)別以往單輻板渦輪盤的雙輻板渦輪盤。這種渦輪盤由兩個對稱半盤焊接而成，輪盤中間形成盤腔結(jié)構(gòu)，且兩個輻板的盤心間加入墊片。冷氣通過盤心處的開孔進(jìn)入盤腔，一方面減輕了輪盤質(zhì)量，另外增大了盤腔流動換熱面積。

文獻(xiàn)US2005/0025627A1提出了另一種沒有盤心間墊片的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)。這種渦輪盤為防止高轉(zhuǎn)速下兩個輻板在盤心由于軸向變形而接觸，其輪轂軸向尺寸較大。

文獻(xiàn)US2000/6267553B1提出一種應(yīng)用在高壓壓氣機(jī)上的雙輻板輪盤。這種輪盤結(jié)構(gòu)可以在很大程度上減輕輪盤質(zhì)量，對于提高發(fā)動機(jī)性能有重要的意義。

文獻(xiàn)CN2014/104196572A提出了一種具有盤腔導(dǎo)流肋板的雙輻板渦輪盤，在雙輻板渦輪盤的兩個輻板上設(shè)有若干導(dǎo)流肋板，渦輪盤盤緣處沿周向均布冷氣出氣孔，冷氣通過盤緣出氣孔從雙輻板渦輪盤的盤腔進(jìn)入渦輪葉片。

無論雙輻板渦輪盤的冷卻設(shè)計(jì)如何先進(jìn)，冷卻效果如何好，輪盤減重效果多么明顯，作為重要的承力部件，必須考慮輪盤的承載能力。然而雙輻板渦輪盤的冷卻完全依賴于兩個輻板之間的盤腔，為了強(qiáng)化冷卻效果，通常盤腔的空間較大，導(dǎo)致前輻板和后輻板的厚度受到限制。在輪盤高速旋轉(zhuǎn)工作中，前輪轂和后輪轂產(chǎn)生軸向變形，在輻板與輪轂外轉(zhuǎn)接段和盤腔內(nèi)型面轉(zhuǎn)接段應(yīng)力較大，這兩處還需承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心應(yīng)力和熱應(yīng)力，因此成為整個輪盤的薄弱位置。故而盤腔的空間尺寸、型面設(shè)計(jì)尤為重要，且在不能通過增大輻板幾何尺寸的情況下如何保證可靠的強(qiáng)度要求這也成為雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：在不能通過增大輻板幾何尺寸的情況下，改善雙輻板渦輪盤輻板應(yīng)力分布，提高雙輻板渦輪盤在輻板與輪轂轉(zhuǎn)接處的強(qiáng)度，提高輻板承載能力，同時(shí)又能減輕輪盤質(zhì)量，加工簡單。

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種提高輻板承載能力的纖維增強(qiáng)雙輻板渦輪盤，所述渦輪盤包括輪緣、前輪轂和后輪轂、前輻板和后輻板、前輻板纖維增強(qiáng)環(huán)和后輻板纖維增強(qiáng)環(huán)；所述前輪轂通過所述前輻板與所述輪緣相連，所述后輪轂通過所述后輻板與所述輪緣相連，所述前輻板和所述后輻板分別對應(yīng)連接所述前輪轂和所述后輪轂，所述前輻板和所述前輪轂、與所述后輻板和所述后輪轂分別關(guān)于渦輪盤中心線前后對稱，所述前輻板、后輻板與各自的輪轂包圍渦輪盤中心線形成盤腔，前輪轂和后輪轂之間形成環(huán)形盤心進(jìn)氣槽道，輪緣中心位置沿周向均勻分布盤緣出氣孔，每個輻板通過圓弧轉(zhuǎn)接面進(jìn)行平滑過渡連接到相對應(yīng)的輪轂，纖維增強(qiáng)環(huán)對稱地植入盤腔內(nèi)型面的轉(zhuǎn)接區(qū)域中。

優(yōu)選地，所述纖維增強(qiáng)環(huán)植入所述渦輪盤的前輻板和后輻板的內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面的應(yīng)力集中區(qū)域。

優(yōu)選地，所述前輻板和所述后輻板中的纖維增強(qiáng)環(huán)關(guān)于輪盤中心線對稱設(shè)置。

優(yōu)選地，并且每個纖維增強(qiáng)環(huán)以輪盤軸線為軸心布置在每個輻板中。

優(yōu)選地，所述前輻板和所述后輻板中的纖維增強(qiáng)環(huán)的數(shù)量均為一個。

優(yōu)選地，所述前輻板和所述前輪轂、以及所述后輻板和所述后輪轂分別與渦輪盤中心線呈傾斜布置。

優(yōu)選地，所述輻板的外型面通過外圓弧轉(zhuǎn)接面過渡到所述輪轂，所述輻板的盤腔面通過內(nèi)圓弧轉(zhuǎn)接面過渡到所述輪轂。

優(yōu)選地，前輻板纖維增強(qiáng)環(huán)和后輻板纖維增強(qiáng)環(huán)關(guān)于輪盤中心線對稱設(shè)置。

優(yōu)選地，所述纖維增強(qiáng)環(huán)為SiC纖維增強(qiáng)環(huán)。

優(yōu)選地，所述SiC纖維增強(qiáng)環(huán)的SiC纖維密度是輪盤基體材料的40％，SiC纖維的抗拉強(qiáng)度是基體材料的兩倍。

優(yōu)選地，所述纖維增強(qiáng)環(huán)的橫截面為矩形。

本發(fā)明的有益效果如下：