CN106014485B - 一种应用于双辐板涡轮盘盘腔的导流冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有增强盘缘冷却效果的双辐板涡轮盘盘腔导流冷却结构，由前辐板导流肋片(4)、后辐板导流肋片(5)和冷气通道(10)组成；前辐板导流肋片(4)和后辐板导流肋片(5)分别位于双辐板涡轮盘盘腔(3)内部两侧的前辐板(6)和后辐板(7)的内壁面上，所述导流肋片(4、5)为倾斜导流肋片，冷气通道(10)位于盘缘(9)的内部，所述冷气通道(10)为倾斜冷气通道；冷却气体在前辐板导流肋片(4)和后辐板导流肋片(5)的导流作用下，埃克曼层内的冷却气体逐渐折转流通至盘缘冷气通道(10)处，然后由冷气通道(10)导流至涡轮叶片内冷通道。根据流动结构特点设计的肋片可以利用离心作用将冷气导流至叶片内冷通道，有效的避免出口冷气堵塞问题，同时肋片增大了盘腔内的换热面积，有助于提高换热效果。

Description

一种应用于双辐板涡轮盘盘腔的导流冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机高压涡轮盘冷却技术领域，尤其涉及一种具有增强双辐板涡轮盘盘缘冷却效果的盘腔导流肋片和盘缘冷气通道结构。
背景技术
涡轮盘工作的过程中承受离心力载荷、热应力载荷和轮盘外载荷，是典型的寿命限制件，据统计，在航空发动机所有的非包容事故中，大约有一半是由轮盘的损坏引起的。以当前的技术发展水平来说，第四代战机所使用的推重比10级别的航空发动机涡轮进口燃气温度已经达到1850K-1950K，在研中推重比15级别的航空发动机该技术指标更是高达2100K-2300K，远超过耐高温材料的极限，使得涡轮部件的冷却难题日益严峻。
增加冷却空气的使用量固然可以直接提升冷却效果，但这却是以航空发动机整体性能的下降为代价的，通常冷却空气用量不超过压气机主流的20％，在冷却空气用量固定的前提下，只能采用更高的耐温材料和更好的冷却结构。对于涡轮盘的冷却问题而言，既要尽量降低其整体温度水平，以满足材料的强度需求(现有的航空材料只能在1000℃以下维持较高的强度)，提高其工作可靠性；又要尽量使其内部温度均匀的分布，以期减小温度梯度从而降低热应力，增加涡轮盘的疲劳寿命。
双辐板涡轮盘是在美国高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划下，针对下一代高推重比涡扇发动机的高压涡轮盘设计，提出轻质量、高冷却效率的新型涡轮盘结构设计技术。双辐板涡轮盘由于采用了空心结构，冷却空气可以直接进入两个辐板形成的空腔进行冷却，与传统的实心涡轮盘相比，其换热面积增大，有利于提高冷却效果，在降低整体温度水平和降低径向温度梯度方面有很大潜力。
专利US1999/005961287A提出了一种区别于传统实心涡轮盘的双辐板涡轮盘。这种涡轮盘采用焊接方法加工而成，前后的辐板形成空心结构，冷却空气可以直接进入此空腔对轮盘进行冷却，增大了对流换热面积，提高了冷却效率，进而减少冷却空气的用量以提高航空发动机的性能，同时在盘腔内壁面采用径向直肋片将冷却空气导入盘缘冷却通道。
专利US3982852B2中提出了一种用于双辐板涡轮盘的的径向直肋片，利用离心力和泵吸效应将冷却空气导入盘缘冷却通道。
专利US2000/6267553B1提出了一种应用在高压压气机最后一级轮盘上的双辐板轮盘。其原理及使用目的均与双辐板涡轮盘相似，辐板间通入冷气以更好的冷却轮盘从而控制轮盘上的热应力水平。
专利US2005/0025627A1提出了一种盘毂尺寸较大且没有盘心间垫片的双辐板涡轮盘结构，从而防止盘心处两个辐板在高转速下由于轴向变形而接触的情况。
专利CN2014/104196572A提出了一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘，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。
对于传统的实心涡轮盘来说，进气通常采用高位进气加预旋的结构形式，一方面通过预旋来降低相对总温，另一方面将从盘缘传来的热量有效的加以阻隔，减小其向纵深的传递。对于双辐板涡轮盘来说，轮盘的强度需求使得辐板上不能打孔，故而冷气只能采用中心进气的结构形式。
然而，中心径向进气方式挑战了双辐板涡轮盘的冷却气体流路设计。冷气径向流入两侧辐板形成的空腔后，在惯性力、轮盘摩擦力和离心力的作用下通过空腔，然后通过盘缘的冷气通道进入涡轮叶片的内冷通道继续冷却叶片，这个过程中的冷气流动结构呈现出典型的“源-汇流动”形式。由于涡轮盘的高速旋转，冷却气体的流动方向在进入盘缘冷却通道之前相对于盘体几乎沿盘缘切向方向，若盘缘冷却通道仍采用径向直孔的结构形式，则会产生两个问题：一是冷气方向与通道中心线近乎垂直，很难进入冷气通道，在通道一侧形成回流区，堵塞了通道的一大部分面积；二是在剩余的通道面积里，从轮盘的旋转坐标系来看，冷气入射通道壁面，动能转化为内能，滞止升温，严重降低了冷气的品质，减弱了轮缘区域的冷却效果。
专利US3982852B2和专利US1999/005961287A中的径向直肋片可解决盘缘冷气通道堵塞的问题，肋片的引入使得对流换热面积增大从而有利于冷气对盘体的冷却，但是在径向外流过程中，随着轮盘切向速度的增大，直肋片对冷气气体的做功量太大，导致冷气的温度迅速上升，这对于盘缘的冷却极为不利。
因此，必须根据双辐板涡轮盘腔中冷气流动结构的特点，合理的设计盘腔和盘缘冷气通道的导流结构形式，以保证冷气品质，增强盘缘的冷却效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种双辐板涡轮盘腔的导流结构，不但实现对冷气导流作用，而且增大盘腔内表面的换热面积，保持冷气品质，增强盘缘的冷却效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有增强盘缘冷却效果的双辐板涡轮盘盘腔导流冷却结构，由前辐板导流肋片、后辐板导流肋片和冷气通道组成。前辐板导流肋片和后辐板导流肋片分别位于双辐板涡轮盘盘腔内部两侧的前辐板和后辐板的内壁面上，所述导流肋片为倾斜导流肋片，冷气通道位于盘缘的内部，所述冷气通道为倾斜冷气通道。
冷却气体通过由前轮毂和后轮毂之间的冷却入口进入盘腔的内部，在前辐板导流肋片和后辐板导流肋片的导流作用下，埃克曼层内的冷却气体逐渐折转流通至盘缘冷气通道处，然后由冷气通道导流至涡轮叶片内冷通道。
所述倾斜导流肋片为弧形导流肋片，倾斜导流肋片的径向最大半径为188.2mm，径向最小半径为93.3mm，肋片的径向最大半径点与径向最小半径点与涡轮盘中心形成的夹角为15°-23°，优选为18°。
所述盘缘冷气通道直径为5mm，冷气通道中心线与盘缘法向夹角为40°。
冷气通道沿盘缘周向均布，为减小冷气的流动损失和轮盘对冷气的做功量，冷气通道数量N设置为18-22个，优选为20个，对于每个冷气通道，盘腔内部每侧辐板上均有一个导流肋片与之相配合，即涡轮盘包含N个倾斜冷气通道和与之配合的2N个倾斜导流肋片。
为了进一步增强盘缘的冷却效果，肋片的径向最大半径点出口处基本上位于冷却通道附近，优选肋片的径向最大半径点出口处对准冷却通道。
本发明的有益效果是：
1)采用布置在盘腔内表面的倾斜肋片和盘缘的倾斜冷气通道的双辐板涡轮盘腔冷却结构，根据流动结构特点设计的肋片可以利用离心作用将冷气导流至叶片内冷通道，有效的避免出口冷气堵塞问题，同时肋片增大了盘腔内的换热面积，有助于提高换热效果。
2)盘腔内表面的倾斜肋片和盘缘的倾斜冷气通道相配合可以减小流动损失、减小轮盘对冷气的做功量，避免冷气温度的迅速上升，有助于增强盘缘处的冷却效果。
3)考虑到本发明双辐板涡轮盘的结构尺寸，该冷却结构中导流肋片径向最大半径为188.2mm，径向最小半径为93.3mm，盘缘冷气通道直径为5mm，通道中心线与盘缘法向夹角为40°。针对不同几何尺度的双辐板涡轮盘，这些结构参数会相应的改变，但拓扑结构形式不变。
4)盘缘冷气通道数量为20，两侧辐板上的40个导流肋片分别与其相对应配合。
本发明是一种适用于双辐板涡轮盘盘腔的导流冷却结构，根据流动结构特点而设计，对冷气实现导流作用，增大了盘腔内表面的换热面积，同时能够减小流动损失和轮盘对冷气的做功量，有助于保持冷气品质，增强盘缘的冷却效果。该结构设计能够有效提高冷气的利用效率，且加工方法简单，易于在实际双辐板涡轮盘盘腔中实现。
附图说明
图1为导流冷却结构的双辐板涡轮盘周向截面二维视图
图2为导流冷却结构的双辐板涡轮盘三维视图
图3为导流冷却结构的双辐板涡轮盘半盘轴向截面视图
图中符号说明如下：
1前轮毂，2后轮毂，3双辐板涡轮盘盘腔，4前辐板导流肋片，5后辐板导流肋片，6前辐板，7后辐板，8包含冷却结构的双辐板涡轮盘，9盘缘，10盘缘冷气通道。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的一种具有增强盘缘冷却效果的双辐板涡轮盘盘腔导流冷却结构，由前辐板导流肋片4、后辐板导流肋片5和冷气通道10组成。前辐板导流肋片4和后辐板导流肋片5分别位于双辐板涡轮盘盘腔3内部两侧的前辐板6和后辐板7的内壁面上，所述导流肋片为倾斜导流肋片，冷气通道10位于盘缘9的内部，所述冷气通道为倾斜冷气通道。
冷却气体通过由前轮毂1和后轮毂2之间的冷却入口进入盘腔3的内部，在前辐板导流肋片4和后辐板导流肋片5的导流作用下，埃克曼层内的冷却气体逐渐折转流通至盘缘冷气通道10处，然后由冷气通道10导流至涡轮叶片内冷通道。
其中，所述倾斜导流肋片为弧形导流肋片，倾斜导流肋片的径向最大半径为188.2mm，径向最小半径为93.3mm，肋片的径向最大半径点与径向最小半径点与涡轮盘中心形成的夹角为15°-23°，优选为18°。
所述盘缘冷气通道直径为5mm，冷气通道中心线与盘缘法向夹角为40°。
冷气通道沿盘缘周向均布，为减小冷气的流动损失，冷气通道数量N设置为18-22个，优选为20个，对于每个冷气通道，盘腔内部每侧辐板上均有一个导流肋片与之相配合，即涡轮盘包含N个倾斜冷气通道和与之配合的2N个倾斜导流肋片。
为了进一步增强盘缘的冷却效果，肋片的径向最大半径点出口处基本上位于冷却通道附近，优选肋片的径向最大半径点出口处对准冷却通道。
本发明是一种适用于双辐板涡轮盘盘腔的导流冷却结构，根据流动结构特点而设计，对冷气实现导流作用，增大了盘腔内表面的换热面积，同时能够减小流动损失和轮盘对冷气的做功量，有助于保持冷气品质，增强盘缘的冷却效果。该结构设计能够有效提高冷气的利用效率，且加工方法简单，易于在实际双辐板涡轮盘盘腔中实现。
虽然本发明已经在上文中参照附图中所示的实施例进行了描述而使得本领域技术人员可容易地理解和实践本发明，但这些实施例仅为示例性的或优选的例子，本发明并不限定于上述的实施例，其能在不脱离本发明的主旨的范围内进行种种变形，从而得到各种代替例、修正例、变形例或改进例，这些也包含在权利要求所记载的技术范围中。

Claims (1)

1.一种具有增强盘缘冷却效果的双辐板涡轮盘盘腔导流冷却结构，其特征在于：由前辐板导流肋片(4)、后辐板导流肋片(5)和冷气通道(10)组成；前辐板导流肋片(4)和后辐板导流肋片(5)分别位于双辐板涡轮盘盘腔(3)内部两侧的前辐板(6)和后辐板(7)的内壁面上，所述前辐板导流肋片(4)和所述后辐板导流肋片(5)为倾斜导流肋片，冷气通道(10)位于盘缘(9)的内部，所述冷气通道(10)为倾斜冷气通道；冷却气体在前辐板导流肋片(4)和后辐板导流肋片(5)的导流作用下，埃克曼层内的冷却气体逐渐折转流通至盘缘冷气通道(10)处，然后由冷气通道(10)导流至涡轮叶片内冷通道；所述倾斜导流肋片为弧形导流肋片，所述弧形导流肋片的径向最大半径点出口处基本上位于冷气通道附近，所述弧形导流肋片的径向最大半径点出口处对准冷气通道；弧形的所述倾斜导流肋片的径向半径为93.3mm～188.2mm；所述弧形导流肋片的径向最大半径点与径向最小半径点与涡轮盘中心形成的夹角为15°-23°；所述冷气通道(10)的直径为5mm，冷气通道中心线与盘缘法向夹角为40°；冷气通道沿盘缘周向均布，冷气通道数量N设置为18-22个；对于每个冷气通道，盘腔内部每侧辐板上均有一个弧形导流肋片与之相配合，即涡轮盘包含N个倾斜冷气通道和与之配合的2N个倾斜的弧形导流肋片。
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