CN104121037A - 热管涡轮盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热管涡轮盘的结构形式，在涡轮盘近似轴向对称的中心平面上，周向均匀布置数目为榫槽数目或叶片数目两倍的热管。其中有一半数目的热管在中间部位，有一段绝热衬套；另一半数目的热管无绝热衬套。有绝热衬套与无绝热衬套的热管交替布置。有绝热衬套的热管一端延伸到榫头顶部附近，另外一端延伸到盘心附近；而无绝热衬套的热管的一端延伸到榫槽底部附近，另一端可以延伸到盘心附近也可以只延伸到腹板附近。同时在盘心附近的表面，在半径小于某一值时绝热。使得盘上的温度分布呈现：盘的腹板区域温度最低，盘心温度高于盘的腹板区域温度但是低于盘缘温度。在同等条件下，相对传统涡轮盘而言，降低了涡轮盘的最大温度、最大应力以及质量。

Description

热管涡轮盘

技术领域

本发明涉及新型航空发动机涡轮盘的结构形式，具体涉及用热管降低涡轮盘盘缘的最高温度，盘心的最大应力，同时降低涡轮盘的质量。 

背景技术

涡轮盘是航空发动机的核心部件之一，其工作在高温高转速的环境中。涡轮盘由于受到高温气体的传热作用，其盘缘温度最高，盘心温度最低。涡轮盘的工作转速一般超过10000rpm，承受着极大的离心载荷作用，导致盘心的应力最高。此外盘缘温度高、盘心温度低这种单调的温度分布形式导致涡轮盘盘心处的应力变得更高。而材料的许用应力取决于其工作温度，一般而言，温度越高，许用应力越低。对于涡轮盘而言，虽然盘心温度低，许用应力高，但是盘心应力也最高；而盘缘应力低，但是其温度最高，所以盘缘与盘心成为涡轮盘的危险区域。传统的涡轮盘只能通过改善其冷却条件，以使涡轮盘盘缘温度降低，从而被动地降低盘心应力。实际上，盘缘的温度高，主要由于轮盘材料的导热系数低引起的。若盘缘处的导热系数升高，那么盘缘处的温度也能够得到很好地改善。此外，若盘上的温度分布呈现盘心和盘缘高，而腹板低的分布形式，能有效地使涡轮盘盘心的应力降低，代价是盘心的温度升高。由于材料在温度相对较低的范围内，即使温度升高，但是许用应力降低量很少，因此以盘心温度升高的代价来换取应力的降低，在一定程度上是可行的。 

发明内容

本发明的目的是为航空发动机提供一种简单可行的新型涡轮盘形式，可以有效降低盘缘的温度，盘心的应力，同时降低涡轮盘的质量。 

该新型涡轮盘主要特征为：在涡轮盘内部，周向均匀布置热管，热管的数量为榫槽或者叶片数量的两倍。热管由轮盘盘缘延伸到轮盘內缘，其中有一半数的热管中段有一段有绝热衬套覆盖，有绝热衬套的热管的比较长，该热管在轮缘端延伸到榫头顶部附近，无绝热衬套的热管在轮缘端延伸到榫槽底部附近，有绝热衬套的热管与无绝热衬套的热管在周向交替分布。有绝热衬套的热管另外一端延伸到盘心附近，而无绝热衬套的热管的另一端可以延伸到盘心附近也可以只延伸到腹板附近。此外，在涡轮盘的盘心附近的表面，在半径小于某一位置时绝热。由于盘缘受到加热，盘表面受到冷却，因此在热管内的工质在盘缘附近吸收热量蒸发成蒸汽，蒸汽在其他部位放出热量冷凝成液态，冷凝液由于轮盘旋转产生的离心力返回到盘缘附近，形成循环。由于相变的潜热十分巨大，因此在两端温差较小的情况下都能传递很大的热流，因而热管具有很高的传热特性。加入绝热衬套的热管的主要作用是把盘缘受到的加热量部分引到盘心，由于盘心表面的封严绝热，导致这部分热量必须由盘心向高半径位置通过轮盘材料进行传导，从而在盘心处形成负向的径向温度梯度，轮盘上的温度分布即可呈现盘缘 与盘心温度都高，而腹板处温度最低的情况。从而可以使得轮盘盘心处的最大应力得以降低，同时由于交替布置了无绝热衬套的热管，从而使轮盘的导热能力不会因为绝热衬套的存在而被削弱，从而提高了其导热能力，因此使盘缘的最高温度得以下降。由于热管内并不是实心的，而是有少量的工作液而已，所以轮盘的质量同样得以降低。 

本发明的热管涡轮盘与同样外形的传统无热管涡轮盘相比，在同样的热和机械环境下，具有轮盘盘心最大应力低，盘缘最高温度低以及质量低的特点。因此，该涡轮盘可以在冷气消耗量更小，涡轮前温度更高的情况下，轮盘的材料还可以满足强度要求。 

附图说明

图1为本发明的热管涡轮盘外观示意图。 

图2为本发明的热管涡轮盘在图1所示的A-A剖面结构示意图。 

图3为本发明的热管涡轮盘在图1所示的B-B剖面结构示意图。 

图4为本发明的热管涡轮盘在图1所示的C-C剖面结构示意图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 

如图1-4所示，本发明的热管涡轮盘1或24的中心，周向均匀加工与榫槽数目空腔相等的空腔14或28以及22或27，空腔14或28由轮盘榫头顶部2或10或25附近延伸至盘心5或7或16附近，空腔22或27有轮盘榫槽底部3或19或26附近延伸至盘心5或7或16或者腹板8或17附近。空腔14或28中间放置具有很高绝热能力的衬套13或29.如图2和图3所示，空腔14或28以及22或27抽成真空，并冲入一定量的液态工质11或20，形成热管。该工质一般为液态金属。该工质在涡轮盘工作时，由于盘缘4处受到叶片导热和高温气体的换热作用，温度升高，工质在高温情况下蒸发，并向低半径方向12或21流动，在远离盘缘4的位置冷凝成冷凝液，由于离心力的作用，冷凝液沿着高半径方向15或23流动，由此形成循环。此外在轮盘的外表面通过封严装置6，使得盘心表面附近绝热。 

Claims (9)

1.热管涡轮盘，其特征在于：在涡轮盘的内部，周向均匀布置热管。热管的总数为涡轮盘榫槽数目或者叶片数目的两倍。其中有一半数目的热管的中间部分有一段绝热衬套；另一半数目的热管无绝热衬套。有绝热衬套与无绝热衬套的热管交替布置；同时在涡轮盘盘心附近的表面，在半径小于某一值时通过封严绝热。 

2.如权利要求1所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套的热管在盘缘附近的一端延伸到涡轮盘榫头顶部附近，另一端延伸到盘心附近。 

3.如权利要求1或2所述的热管涡轮盘，其特征在于不带绝热衬套的热管在盘缘附近的一端延伸到涡轮盘榫槽底部附近，另一端延伸到盘心附近或者延伸到腹板的位置。 

4.如权利要求1-3中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于热管是通过在涡轮盘内加工空腔，并抽真空加入液态工质形成的。 

5.如权利要求1-4中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套的热管的长度大于绝热衬套的长度，衬套必须使得热管两端裸露在衬套外，而且绝热衬套的内径大于或等于热管的直径。 

6.如权利要求1-5中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有带绝热衬套的热管尺寸以及充液量都是一致的。 

7.如权利要求1-6中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有不带绝热衬套的热管尺寸以及充液量都是一致的。 

8.如权利要求1-7中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有的绝热衬套的尺寸以及在涡轮盘上起始的径向位置都是一致的。 

9.如权利要求1-8中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套与不带绝热衬套的热管的尺寸以及充液量都不相同。