CN102418562B - 一种纤维缠绕的预应力涡轮转子 - Google Patents

一种纤维缠绕的预应力涡轮转子 Download PDF

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Abstract

一种纤维缠绕的预应力涡轮转子，属于涡轮发动机及燃气轮机结构设计及部件的抗疲劳设计。将轻质高强、高温性能优良的纤维，以设计的张力缠绕在涡轮转叶冠外的环槽中并封闭密封。预应力缠绕层对涡轮盘及叶片将施加一定的初始预紧力，而热膨胀系数较小的预应力纤维，在高温时还将产生热致预紧力。两部分预紧力叠加，使涡轮盘及叶片的工作应力幅值和平均值大大减小，以达到提高涡轮转子的抗疲劳寿命和工作温度的目的。预应力缠绕层还可减缓涡轮转子失效时裂纹的扩展速度，起到防爆和防止碎片飞出的安全防护作用。

Description

一种纤维缠绕的预应力涡轮转子
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的涡轮转子，特别涉及一种预应力缠绕的燃气轮机的涡轮转子。
背景技术
涡轮转子是航空、航天发动机及燃气轮机的关键工作部件。在高温及高转速的恶劣工况条件下，要求长期稳定地工作。高转速产生的离心力，以及热应力、燃气或蒸汽的气动力、振动载荷等复杂载荷综合作用在涡轮转子的涡轮盘及叶片上，形成以拉应力为主的应力状态。导致涡轮材料必须具备在高温下的高强度和优良的抗疲劳性能。一旦涡轮转子的叶片或涡轮盘失效破坏，高速旋转的离心力使碎片高速飞出，对发动机的其它部件产生严重的破坏。
为了提高涡轮转子的工作安全性、可靠性及其工作的性能，开发了多种高温性能优越的镍基、钴基或铁基的高温合金以及钛-铝合金等高温合金；还开发了多种制造定向凝固叶片或单晶叶片的材料及制造技术。此外，还开发了多种叶片表面的热障涂层技术及通过叶片内部流道的冷却技术。这些技术通过改进涡轮转子部件材料的高温性能或降低部件的实际工作温度等手段，提高涡轮转子的工作性能。但涡轮转子的受力及应力状态却改变不多，因此难以从根本上改善涡轮转子的工作环境。
预应力技术是一种通过改变结构及材料的工作应力状态来提高结构抗疲劳性能及承载能力的先进结构设计技术。而钢丝缠绕预应力利用高强度的钢丝缠绕在结构的外周，对结构施加巨大的预紧力，使结构在工作时的应力状态由拉应力为主，变为压应力为主，或拉应力大大降低，从而提高结构的抗疲劳性能。
但预应力钢丝缠绕所用钢丝的工作温度不易超过80℃，否则钢丝会出现较大的蠕变及松弛。长时间的蠕变，会丧失部分或全部预应力。同时，在高温下钢丝的强度也会急剧下降，无法满足涡轮转子的高温工作环境。另外，钢丝的质量密度较大，在涡轮转子的高转速下，钢丝缠绕层自身的离心力十分巨大，产生的切向拉应力也十分巨大，大大增加了钢丝的应力，并抵消了部分原有的预应力。因此，在高温、高转速的涡轮转子应用预应力缠绕技术，必须采用质量密度低、耐高温、高强度的丝材或纤维作为缠绕预紧件。
目前具有优秀高温高强度性能的丝材或纤维主要有碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等。其中碳纤维是目前比较成熟，而且高温性能较好的纤维。碳纤维的密度低、强度高(如：日本东丽公司新一代通用级聚丙烯腈(PAN)基碳纤维T700的密度为1.80g/cm3，抗拉强度可达4.9GPa)，在无氧条件下强度能够保持到2000℃以上，且不存在高温蠕变问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种纤维缠绕的预应力涡轮转子，通过纤维缠绕产生的初始预应力和温度升高后产生的热致预应力的综合作用，降低涡轮盘及叶片的工作应力幅值及其平均值，进而提高涡轮盘及叶片的疲劳寿命或工作温度，并进一步提高其安全性。
本发明的技术方案如下：
一种预应力纤维缠绕的涡轮转子，包括涡轮盘、叶片和设置在叶片上的叶冠，其特征在于：在所述的叶冠上设有一个环槽，在该环槽内以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层缠绕预应力纤维，形成预应力纤维缠绕层，所述预应力纤维缠绕层的厚度为0.5mm～100mm。
本发明所述的环槽是套在叶冠上的环槽部件，或是直接在叶冠上加工出的槽形结构。
本发明所述的预应力纤维为碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维或氧化铝纤维等。
本发明所述的涡轮盘和叶片采用分体制造的组合结构，或是一体制造的整体结构。
本发明的技术特征还在于：在预应力纤维缠绕层上设有密封盖板，密封盖板和环槽构成防止预应力纤维缠绕层氧化的密闭结构。所述的预应力纤维的表面制备有防氧化涂层。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提出的预应力纤维缠绕涡轮转子结构设计，可以通过有效地设置纤维缠绕张应力，精确地对涡轮盘及叶片施加最高达到300MPa～600MPa的初始预应(压)力，可大大降低涡轮转子部件的工作应力，进而提高涡轮转子的疲劳寿命或工作温度。
而当涡轮转子工作时，预应力纤维缠绕对涡轮转子部件施加的实际预紧力除了纤维缠绕产生的初始预紧力外，还包括由于纤维材料与涡轮转子部件材料的热膨胀系数不同以及涡轮转子部件工作温度的不均匀分布而产生的热致预紧力。当纤维材料的热膨胀量小于涡轮转子的膨胀量时，热致预紧力将使实际预紧力大于初始预紧力，使涡轮转子的工作应力进一步降低。如：碳纤维的热膨胀系数约为0.93×10-6/℃，远远小于涡轮部件材料11×10-6/℃～16×10-6/℃的热膨胀系数，因此预应力碳纤维缠绕的实际预紧力能够随涡轮转子的工作温度升高而增大，进而更有效地弥补材料在高温环境中强度性能的下降。
另外，预应力纤维缠绕涡轮转子的安全性较高。由于缠绕的多层结构有效防止了裂纹的连续扩展，具有良好的防爆性能。当涡轮转子部件出现破坏时，外周的缠绕层能够减缓裂纹贯穿速度，起到防爆和防止碎片飞出的作用，避免造成更加严重的二次破坏。
附图说明
图1为带有环槽和密封盖板的预应力纤维缠绕涡轮转子结构示意图。
图2为图1的剖面结构示意图。
图3为图2的叶冠及缠绕层局部放大的结构示意图。
图4为在叶冠上开有槽形结构并带有密封盖板的预应力纤维缠绕涡轮转子剖面结构示意图。
图5为图4的叶冠及缠绕层局部放大结构示意图。
图6为无密封盖板的预应力纤维缠绕涡轮转子剖面结构示意图。
图7为图6的叶冠及缠绕层局部放大结构示意图。
图8为预应力纤维缠绕整体式涡轮转子结构示意图。
图中：1-涡轮盘；2-叶片；3-环槽；4-密封盖板；5-预应力纤维缠绕层；6-接缝；7-叶冠；8-缠绕槽；9-榫头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、机理和具体实施方式做进一步的说明。
本发明是将质量密度低、高强度、高温性能优良的纤维(如碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)，以预设的张应力缠绕到涡轮转子的外周(即涡轮叶片的叶冠7)上，对涡轮部件(涡轮盘1及叶片2)施加预设的预紧力。
本发明提供的纤维缠绕的预应力涡轮转子包括涡轮盘1、叶片2和设置在叶片上的叶冠7，在叶冠上设有一个环槽3，在该环槽内以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层缠绕预应力纤维，形成预应力纤维缠绕层5，所述预应力纤维缠绕层的厚度为0.5mm～100mm。环槽3是套在叶冠7上的环槽部件，或是直接在叶冠上加工出的缠绕槽8。
为了防止高温下预应力纤维的氧化及损伤，在纤维的表面制备出或涂覆上防氧化涂层(如氧化铝、碳化硅涂层)等；在槽环3中逐圈逐层地缠绕上预应力纤维，形成预应力纤维缠绕层5，再用密封盖板4将其密封(如图1、图2、图3所示)。环槽3由质量密度较低的耐高温材料制成，如钛合金、钛铝金属间化合物、碳/碳复合材料、氧化铝陶瓷等。缠绕时先将环槽3以0.001mm～0.01mm的间隙配合套在涡轮叶片的叶冠外；缠绕完成后，将密封盖板4覆盖在纤维缠绕层5上，并在与环槽3的接缝6处将它们连接(可采用电子束焊接、激光焊接或烧结)。
本发明的涡轮转子预应力结构中，预应力纤维缠绕层5是预紧件，涡轮转子(涡轮盘1及叶片2等)是被预紧件。
本发明的环槽还可以是直接在叶冠7上加工出的缠绕槽8(图4、图5)，以设计好的张力，将预应力纤维逐圈逐层地缠绕到槽中，构成预应力纤维缠绕层5；缠绕完成后，将密封盖板4覆盖在纤维缠绕层5上，并在与缠绕槽8的接缝6处焊接(可采用电子束焊接、激光焊接或烧结)。
本发明的另一技术方案是将具有较强高温抗氧化性能的纤维(如碳化硅纤维)或表面已制备了可靠抗氧化涂层(如碳纤维表面制备了碳化硅涂层或氧化铝涂层)的纤维，逐圈逐层地缠绕到叶冠7上的缠绕槽8中，构成预应力纤维缠绕层5(图6、图7)。
本发明的涡轮转子预应力结构既可以应用于分体的涡轮转子上(即由涡轮叶片和涡轮盘独立的零件通过榫头9连接组成，图1)，也可以应用于整体涡轮转子上(即涡轮盘和叶片为一体结构，图8)。
本发明的涡轮转子预应力结构中，预应力纤维缠绕层5是预紧件，涡轮转子(涡轮盘1及叶片2等)是被预紧件。
本发明的预应力纤维缠绕转子结构可以但不限于涡轮转子，在涡轮发动机的压气机转子、风扇转子等组件上都可采用。
实施例1：
本发明的一种预应力纤维缠绕涡轮转子的具体结构如图1、图2和图3所示。涡轮转子由涡轮盘1和一组叶片2组成，在叶片的叶冠7外以0.001mm～0.01mm的间隙装配上用轻质耐高温材料(如钛铝金属间化合物或碳/碳复合材料)制作的环槽3，将高温高强度纤维以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层地缠绕在环槽3内；当缠绕完预设的圈数和层数，预应力纤维缠绕层5的厚度可达0.5mm～100mm，在涡轮盘1及叶片2上产生预设的预应力后，用密封盖板4覆盖缠绕层，并通过接缝6与环槽3的连接形成封闭结构，隔绝预应力缠绕层5与外界气流的接触。
实施例2：
本发明的一种预应力纤维缠绕涡轮转子的具体结构如图4和图5所示。涡轮转子由涡轮盘1和一组叶片2组成，在叶片的叶冠7上直接加工出的缠绕槽8，将高温高强度纤维以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层地缠绕在缠绕槽8内；当缠绕完预设的圈数和层数，预应力纤维缠绕层5的厚度可达0.5mm～100mm，在涡轮盘1及叶片2上产生了预设的预应力后，用密封盖板4覆盖缠绕层，并通过接缝6与缠绕槽8的连接形成封闭结构，隔绝预应力缠绕缠绕层5与外界气流的接触。
实施例3：
本发明的一种预应力纤维缠绕涡轮转子的具体结构如图6和图7所示。涡轮转子由涡轮盘1和一组叶片2组成，在叶片的叶冠7上加工出的缠绕槽8，将具有较强高温抗氧化性能的纤维(碳化硅纤维)或表面已制备了可靠抗氧化涂层(如碳纤维表面制备了碳化硅涂层或氧化铝涂层)的纤维，以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层地缠绕在缠绕槽8内。缠绕完预设的圈数和层数后，预应力纤维缠绕层5的厚度可达0.5mm～100mm，在涡轮盘1及叶片2上产生了预设的预应力。
实施例4：
本发明的一种预应力纤维缠绕整体涡轮转子的具体结构如图8所示。涡轮转子由整体制造的涡轮盘1和叶片2组成。

Claims (4)

1.一种预应力纤维缠绕的涡轮转子，包括涡轮盘（1）、叶片（2）和设置在叶片上的叶冠（7），其特征在于：在所述的叶冠上设有一个环槽（3），在该环槽内以0～10.0GPa的张应力逐圈逐层缠绕预应力纤维，形成预应力纤维缠绕层（5），所述预应力纤维缠绕层的厚度为0.5mm～100mm；在预应力纤维缠绕层（5）上设有密封盖板（4），密封盖板和环槽构成防止预应力纤维缠绕层（5）氧化的密闭结构；所述的预应力纤维的表面制备有防氧化涂层。
2.按照权利要求1所述的一种预应力纤维缠绕的涡轮转子，其特征在于：所述的环槽是套在叶冠上的环槽部件，或是直接在叶冠上加工出的缠绕槽（8）。
3.按照权利要求1所述的一种预应力纤维缠绕的涡轮转子，其特征在于：所述的预应力纤维为碳纤维、碳化硅或硼纤维。
4.按照权利要求1所述的一种预应力纤维缠绕的涡轮转子，其特征在于：所述的涡轮盘（1）和叶片（2）采用分体制造的组合结构，或是一体制造的整体结构。
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