CN104196572A - 一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，在双辐板涡轮盘的两个辐板上设有若干导流肋板，涡轮盘盘缘处沿圆周径向均布盘缘冷气通道，冷却气体通过盘缘冷气通道从双辐板涡轮盘盘腔进入冷却叶片。双辐板涡轮盘前后轮毂之间嵌入有环形舌板，舌板中心通道与涡轮盘内腔相通。导流肋板沿涡轮盘的旋转方向呈流线型分层分布，在涡轮盘旋转过程中起到离心增压效果，提高了盘腔内部冷却空气的流速和压力；导流肋板增加了换热面积，提高了盘腔内部的对流换热效率，起到强化换热的效果。在涡轮盘前后轮毂处增加舌板结构，加强了盘心开口处的轴向刚度；在舌板和盘缘处利用变截面通道，可控制流经通道处冷却气体的压力和流速。

Description

一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体地说,涉及一种用于燃气轮机上具有盘腔导流肋板和增加盘心轴向刚度的舌板结构的双辐板涡轮盘。

背景技术

随着燃气轮机涡轮进口温度的不断提高，高压涡轮盘的工作温度也越来越高。目前高压涡轮盘的盘缘温度已高达700°左右，距离高温燃气较远的盘心，其温度通常也在400°左右。传统高压涡轮盘均采用单辐板结构形式，这种形式的涡轮盘由于不能实现辐板内部的冷却，容易导致温度不均、热应力较大，一般来讲高压涡轮盘的温度应力大致占到其总应力的30％左右。目前单辐板涡轮盘已经达到了结构的设计极限，严重限制了发动机的进一步发展。为了适应不断升高的环境温度，需要针对燃气轮机高压涡轮盘进行冷却，减少其温度应力对于整个涡轮盘使用寿命的影响。目前涡轮盘冷却技术已经越来越得到重视，各种有利于冷却的涡轮盘设计和制造技术已成为燃气涡轮发动机设计的核心技术之一。

专利Twin-web rotor disk(美国专利号5,961,287，1999-10-5)中提到一种新型的、区别于以前单辐板的双辐板涡轮盘。这种涡轮盘由轴向上前后两个辐板组成，两个辐板围成一个中心盘腔。双辐板涡轮盘内腔冷却的基本原理是:冷却空气通过尺寸较小的涡轮盘盘心入口进入截面面积较大的盘腔，经过盘腔的对流换热流入涡轮冷却叶片。与单辐板涡轮盘相比，这种结构形式有利于冷却空气直接流入双辐板涡轮中对内腔进行冷却，可以明显降低涡轮盘的工作温度、大幅减少冷气用量并提高AN2值；此外，在满足轮盘变形及强度要求的前提下，双辐板较之单幅板涡轮盘可以减重1/4。由于双辐板涡轮盘呈现的突出优势，美国开展的综合高性能涡轮发动机技术计划(IHPTET)(U.S.Department ofDefense.Integrated high performance turbine engine technology(IHPTET)[R].Gas Turbine Forecast,Archived,2006)中将双辐板涡轮盘指定为高压涡轮盘结构的未来发展趋势。因此针对双辐板涡轮盘进行相关的结构设计并推广应用，对于进一步提升燃气轮机的性能具有重要意义。

但是所提出的盘腔表面光滑没有相应的辅助结构。这种涡轮盘腔形成的对流换热面积较小，并且导致冷气从较小入口流入较大盘腔后形成较大涡流、容易导致气体压力降低、流速减小，严重时会导致涡轮冷却叶片燃气倒灌；虽然提出一种保持双辐板距离的盘毂间隙控制器(hub spacer)，但是缺乏相应说明；此外，双辐板涡轮盘盘心往往具有较大的环形缺口，这种开口设计下的双辐板涡轮盘在盘心处轴向刚度较小，容易发生轴向变形和引起结构共振，甚至导致灾难性事故发生。因此进一步提高双辐板涡轮盘对流换热效率、提高盘腔出口压力，并增加盘心轴向刚度成为需要解决的问题。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,本发明提出一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘。目的是采用具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘和舌板结构，以解决现有双辐板涡轮盘换热效率低、盘腔出口压力小的问题；采用若干导流肋板和与舌板件结构与双辐板涡轮盘配合增加盘心处的轴向刚度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡轮盘，其中还包括前辐板、后辐板、导流肋板、舌板、前轮毂、后轮毂，所述涡轮盘盘缘上沿圆周径向均布多个盘缘冷气通道,所述前辐板内壁面上沿径向和周向分层均布若干导流肋板，导流肋板弯曲方向与涡轮盘的旋转方向相同，所述后腹板内壁面上沿径向和周向分层均布若干导流肋板，导流肋板弯曲方向与涡轮盘的旋转方向相同，前辐板和后辐板与中心线倾斜角α为15～30°,所述舌板为圆环形,沿舌板圆周径向均布舌板中心通道，舌板嵌入在前轮毂与后轮毂之间,舌板中心通道与涡轮盘内腔相通，舌板中心通道与盘缘冷气通道数量相同。

所述前辐板上的导流肋板依中心向盘缘延伸为三层，导流肋板沿径向交错排列或等间距排列结构的任意一种。

所述后腹板上的导流肋板依中心向盘缘延伸为二层，导流肋板沿径向交错排列结构或等间距排列结构的任意一种。

所述导流肋板为叶片横截面形结构，弯曲弧度与叶片型线一致。

所述舌板与双辐板涡轮盘轮毂为过盈配合。

有益效果

本发明提出的一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘,通过在双辐板涡轮盘的前辐板和后辐板上均布导流肋板，导流肋板增加了双辐板盘腔换热面积；冷却空气流经导流肋板时，由于边界层分离所产生的流体漩涡与流体剪切层的相互作用使流体湍流度增加，提高了双辐板涡轮盘的对流换热效率；导流肋板起到了强化换热的效果，相比传统的双辐板涡轮盘工作均温降低了40℃，提高了盘腔内部的对流换热效率。导流肋板具有流线型的变高度结构，距离盘心高度较高，沿着旋转方向从盘心向盘缘方向延伸分层均布，冷却空气流经导流肋板时，流线型的外形会相应减少流动阻力，并且盘腔上的导流肋片旋转会带着冷却空气一同旋转，增加了盘腔内部空气的流速和压力；增压后的冷气通过盘缘处的冷气通道流入涡轮冷却叶片，涡轮盘旋转过程中起到离心增压效果，可提高盘腔内部冷却空气的流速，提高盘腔出口压力近10％。在盘心处增加了与双辐板涡轮盘配合的舌板结构，可增加盘心开口处的轴向刚度，提高了盘心开口处轴向抗变形的能力；在舌板零件和盘缘处利用变截面的通道，可控制流经通道处冷却的压力和流速。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘作进一步详细说明。

图1为本发明双辐板涡轮盘三维结构示意图。

图2为本发明双辐板涡轮盘的前辐板示意图。

图3为本发明双辐板涡轮盘的后辐板示意图。

图4为本发明双辐板涡轮盘的截面图。

图5为本发明双辐板涡轮盘的导流肋板示意图。

图6为本发明双辐板涡轮盘位于燃气轮机中的结构示意图。

图中:

1.盘缘冷气通道2.导流肋板3.前辐板4.涡轮盘盘缘5.前轮毂6.后辐板7.涡轮盘内腔8.舌板中心通道9.后轮毂10.舌板11.导向叶片12.密封垫圈13.前辐板紧固螺栓  14.前轴套冷气孔  15.盘轴腔  16.轴  17.转子叶片18.后辐板紧固螺栓  19.后轴套冷气孔  20.轴套  21.导流肋板前缘22.导流肋板肋身  23.导流肋板尾缘

01.涡轮盘动冷却气流  02.静叶冷却气流  α.辐板倾斜角

具体实施方式

本实施例是一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘。

参阅图1-图5,本实施例双辐板涡轮盘包括前辐板3、后辐板6、导流肋板2、舌板10、前轮毂5、后轮毂9、盘缘冷气通道1和涡轮盘，盘缘上面的榫槽结构省略；涡轮盘盘缘4上沿圆周径向均布多个盘缘冷气通道1；前辐板3和后腹板6的内壁面上有导流肋板2，导流肋板2为叶片横截面形结构，导流肋板2弯曲方向与涡轮盘的旋转方向相同。本实施例中,前辐板3上的导流肋板2依中心沿径向向盘缘延伸为三层，后腹板6上的导流肋板2沿径向向盘缘延伸为二层，前辐板3和后辐板6与中心线倾斜角α为15～30°。舌板10为圆环形,嵌入在前轮毂5与后轮毂9之间,沿舌板10圆周径向均布多个舌板中心通道8，舌板中心通道8与涡轮盘内腔7相通，涡轮盘内腔7和转子叶片冷却通道连接。冷却气体进入涡轮盘内腔7。舌板中心通道8与盘缘冷气通道1数目相同。舌板10与双辐板涡轮盘为过盈配合。

双辐板涡轮盘内腔7和叶片冷却通道连接相通。涡轮盘的两块辐板相对于燃气流动的方向分为前辐板3和后辐板6，轮毂分为前轮毂5和后轮毂9。前辐板3连接在涡轮盘盘缘4与前轮毂5，后辐板6连接在涡轮盘盘缘4和后轮毂9，前辐板3和后辐板6与径向中心线的倾斜角α为15～30°。前轮毂5和后轮毂9之间有轮毂间隙，舌板10嵌入在两轮毂间，增加了盘心处的轴向刚度。本实施例双辐板涡轮盘盘心处通过热变形方式嵌入舌板，舌板10为阶梯变截面结构，舌板中心通道8部分伸入盘腔内部，另一部分留在盘腔外部，通过与双辐板涡轮盘前轮毂5和后轮毂9过盈配合安装，结构配合形式可有效增加双辐板涡轮盘盘心处轴向刚度，增加其抵抗盘心处轴向变形的能力。冷却气体通过舌板中心通道8流入双辐板涡轮盘的盘腔，变截面的冷却通道可相应改变流经通道时冷气的压力和流速。

导流肋板2由导流肋板前缘21、导流肋板肋身22、导流肋板尾缘23组成，导流肋板2为叶片横截面形结构，弯曲弧度与叶片型线一致，导流肋板2弯曲的方向和涡轮盘的旋转方向相同。导流肋板2沿着旋转方向从盘心向盘缘方向延伸,冷却空气流经导流肋板2时，流线型的外形会相应减少流动阻力，并且盘腔上的导流肋片旋转会带着冷却气体一同旋转，增加了盘腔内部空气的流速和压力；增压后的冷气通过盘缘处的冷却通道流入涡轮冷却叶片。

图6为双辐板涡轮盘安装在某型发动机涡轮中的结构。前辐板3与导向叶片11连接板连接，并采用密封垫圈12结构进行密封；前轮毂5与轴16上的轴套20前部通过前辐板紧固螺栓13固定连接；后辐板6与轴16上的轴套20后部通过后辐板紧固螺栓18连接。冷却方式是通入冷却气体对涡轮盘进行对流换热冷却。从压气机中流出的动冷却气流01通过前轴套冷气孔14进入盘轴腔15，静叶冷却气流02部分通过后轴套冷气孔19流入下一级涡轮级，大部分气流通过舌板10流进入涡轮盘盘毂间隙最后流入涡轮盘内腔7，从盘缘冷气通道1进入转子叶片17内部，对叶片进行冷却，最后从叶片尾缘流出，提高了冷却气体利用率。

Claims (5)

1.一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，包括涡轮盘，其特征在于:还包括前辐板、后辐板、导流肋板、舌板、前轮毂、后轮毂，所述涡轮盘盘缘上沿圆周径向均布多个盘缘冷气通道,所述前辐板内壁面上沿径向和周向分层均布若干导流肋板，导流肋板弯曲方向与涡轮盘的旋转方向相同，所述后腹板内壁面上沿径向和周向分层均布若干导流肋板，导流肋板弯曲方向与涡轮盘的旋转方向相同，前辐板和后辐板与中心线倾斜角α为15～30°,所述舌板为圆环形,沿舌板圆周径向均布舌板中心通道，舌板嵌入在前轮毂与后轮毂之间,舌板中心通道与涡轮盘内腔相通，舌板中心通道与盘缘冷气通道数量相同。

2.根据权利要求1所述的具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，其特征在于:所述前辐板上的导流肋板依中心向盘缘延伸为三层，导流肋板沿径向交错排列或等间距排列结构的任意一种。

3.根据权利要求1所述的具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，其特征在于:所述后腹板上的导流肋板依中心向盘缘延伸为二层，导流肋板沿径向交错排列结构或等间距排列结构的任意一种。

4.根据权利要求1所述的具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，其特征在于:所述导流肋板为叶片横截面形结构，弯曲弧度与叶片型线一致。

5.根据权利要求1所述的具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，其特征在于:所述舌板与双辐板涡轮盘轮毂为过盈配合。