CN107060889A - 一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘 - Google Patents

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李磊
唐仲豪
张猛创
高文静
万欢
李亚东
岳珠峰
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Abstract

本发明涉及一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，包括两个双辐板涡轮盘，在双辐板涡轮盘的盘腔内设有若干扰流柱，形成扰流柱群；扰流柱为柱状体，连接方式为两端分别与两个涡轮盘固连，或一端与其中一个涡轮盘表面连接，另一端与对面涡轮盘表面不接触；冷却气体通过双辐板涡轮盘盘心入口，进入双辐板涡轮盘盘腔内，通过扰流柱群的强化换热后，经过双辐板涡轮盘盘缘处出口流出。该发明盘腔内部布置的扰流柱群会使流经的冷却气体产生边界层分离，增加冷却气体湍流度，提高盘腔的强化换热效率；扰流柱群增加了涡轮盘盘腔与冷却气体的接触面积，可以进一步降低双辐板涡轮盘温度、减少冷却用量；②通过扰流柱群增加了双辐板涡轮盘前后辐板轴向刚度等。

Description

一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘
技术领域
本发明涉及一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，可以用于航空发动机和燃气轮机领域。
背景技术
作为航空发动机和燃气轮机核心零部件，高压涡轮盘需要承受复杂的机械载荷和热载荷。恶劣的工况容易导致其破坏，并且涡轮盘一旦发生断裂将会击穿机匣引起灾难性事故的发生。传统高压涡轮盘常采用单辐板的形式，通过较厚的盘心和一定径向高度来承担叶片和自身的离心载荷，这种结构形式一方面大大增加了涡轮盘的重量，另一方面容易导致温度不均、热应力过大。当前单辐板涡轮盘已达到了结构的设计极限，限制了涡轮进口温度、高压涡轮转速的进一步提高，严重影响到高性能航空发动机的发展。
针对传统单辐板涡轮盘的问题，美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划提出了一种新型涡轮盘——双辐板涡轮盘。其可利用两个辐板形成的盘腔进行冷却，具有明显降低工作温度、大幅减少冷气用量、等强度条件下减重17％-25％、有效提高AN2等巨大优势，已成为高压涡轮盘的未来发展趋势。
美国专利“Twin-web rotor disk”(美国专利号5,961,287,1999-10-5)提出一种具有光滑盘腔的双辐板涡轮盘，冷气经盘心进入涡轮盘盘腔，对流换热后经盘缘出口排出。这种光滑盘腔结构由于没有采用强化换热手段，对流换热不够充分导致盘缘温度过高，容易引起盘缘和相连接的叶片榫头过早失效，降低双辐板涡轮盘的使用寿命，成为航空发动机安全服役的隐患，增加维护成本。中国专利“一种具有盘腔导流肋板的双辐板涡轮盘”(中国专利号ZL 201410335942.5)在盘腔内部布置了一定数目的导流肋板，一方面增加了盘腔的换热面积、起到了强化换热的效果，另一方面起到了离心增压的作用；但是这种方式在距离盘缘的盘腔处布置的导流肋板数量和位置固定，换热面积较小，不能有效降低盘缘温度。因此，提高双辐板涡轮盘盘腔对流换热效率，进一步降低盘缘工作温度，对于提高双辐板涡轮盘的性能具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了避免现有技术存在的不足，本发明提出了一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘。通过在双辐板涡轮盘的盘腔内布置扰流柱群，提高盘腔出口处对流换热效率，增加对流换热面积，解决现有双辐板涡轮盘盘缘温度过高的问题。通过数值计算表明，本专利提出的扰流柱结构实现最高温度降低10K以上，平均温度降低45K以上。
本发明的技术方案是：一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，包括两个双辐板涡轮盘，其特征在于，在双辐板涡轮盘的盘腔内设有若干扰流柱4，形成扰流柱群；所述扰流柱4为柱状体，连接方式为两端分别与两个涡轮盘固连，或一端与其中一个涡轮盘表面连接，另一端与对面涡轮盘表面不接触；冷却气体通过双辐板涡轮盘盘心入口，进入双辐板涡轮盘盘腔内，通过扰流柱群的强化换热后，经过双辐板涡轮盘盘缘处出口流出。
本发明的进一步技术方案是：当扰流柱4两端分别与两个涡轮盘固连时，扰流柱4与扰流柱4之间相互平行分布或交错分布。
本发明的进一步技术方案是：当扰流柱4一端与其中一个涡轮盘固连，另一端与另一个涡轮盘不接触时，扰流柱4与扰流柱4之间相互平行分布或交错分布。
本发明的进一步技术方案是：扰流柱4轴线与辐板内表面所在平面之间的夹角为60度—90度。
发明效果
本发明的技术效果在于：①盘腔内部布置的扰流柱群会使流经的冷却气体产生边界层分离，增加冷却气体湍流度，提高盘腔的强化换热效率；扰流柱群增加了涡轮盘盘腔与冷却气体的接触面积，可以进一步降低双辐板涡轮盘温度、减少冷却用量；②通过扰流柱群增加了双辐板涡轮盘前后辐板轴向刚度等。
附图说明
图1为本发明双辐板涡轮盘的三维结构示意图。
图2为本发明双辐板涡轮盘的剖面示意图。
图3为本发明扰流柱连接前后辐板的截面示意图。
图4为本发明扰流柱连接一个辐板的截面示意图。
图5为本发明双辐板涡轮盘的扰流柱排列方式示意图。
图6为双辐板涡轮盘可以采用扰流柱的横截面示意图。
附图标记说明：1—涡轮盘辐板 2—涡轮盘盘心 3—涡轮盘盘缘 4—扰流柱 5—涡轮盘盘心冷气入口 6—涡轮盘盘腔 7—盘缘冷气出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1-图6，本实施例具有盆腔扰流柱的双辐板涡轮盘，包括双辐板涡轮盘本体，由前后辐板1、涡轮盘盘心2、省略榫槽结构的涡轮盘盘缘3、盘心冷气入口5、涡轮盘盘腔6、涡轮盘轮缘3上沿圆周径向均布多个盘缘冷气出口通道7组成。
扰流柱群4布置于双辐板涡轮盘本体的前后辐板1上，位于涡轮盘盘腔6中。扰流柱群4由扰流柱按照交错、平行等排列而成，沿轴向呈对称分布。扰流柱群中的扰流柱采用等半径、等截面的圆形扰流柱，沿一定的夹角和前后辐板相连接，连接处采用导圆过渡，以减小应力集中；根据需要，考虑有强度，质量，对流换热等因素，连接一端时质量比连接两端时低，扰流柱旋转时尾端带动气流旋转，增加湍流强度，连接两端时的结构强度比连接一端时高。扰流柱可以同时连接前后两个辐板，也可以只连接其中一个辐板；扰流柱4可以与径向垂直连接辐板1，径向就是涡轮盘半径方向，即图3里的扰流柱垂直中间那条虚线，也可以垂直于辐板1内壁面。根据对流换热的需要，可以设计扰流柱的形状、高度、横截面面积、排列形式；扰流柱的横截面可以采用圆形、圆竹节形、椭圆竹节形、椭圆形、水滴形、矩形或菱形等，高度和横截面面积等可根据需要变化。在本实施例中，扰流柱的材料是和涡轮盘相同，是同一个整体，材料为GH4169，GH4133等。
实施例具体工作时，冷却气体经盘心冷气入口5进入涡轮盘盘腔6与扰流柱群4和盘腔内壁进行对流换热，然后经盘缘冷气出口7流出。冷却空气流经扰流柱4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增加了流体的湍流度，一方面起到了强化换热的效果，另一方面增加了对流换热的面积，可以有效降低双辐板涡轮盘温度。数值计算表明，实施例提出的具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘可实现最高温度降低10K以上，平均温度降低45K以上，同时增加了双辐板涡轮盘轴向刚度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，包括双辐板涡轮盘本体，通过在双辐板涡轮盘盘腔辐板上布置扰流柱群4，冷却气体通过盘心处入口5流入双辐板盘腔6，冷却气体经过扰流柱群4从盘缘出口7流出，起到强化换热作用的扰流柱提高了盘腔对流换热效率，可以进一步降低双辐板涡轮盘的温度。
所述扰流柱群4布置于盘腔辐板1上，可根据强化换热需要布置于不同的位置。
所述扰流柱群4沿圆周成轴向对称分布。
所述扰流柱4和辐板1成一定夹角，可以同时连接前后两个辐板，也可以只连接其中一个辐板。
所述扰流柱4可以交叉排列，也可以平行排列。
所述扰流柱4可以有不同的截面形状，如圆形、圆竹节形、椭圆竹节形、椭圆形、水滴形、矩形、菱形等。
所述扰流柱4横截面沿高度方向可以是等截面，也可以非等截面。

Claims (5)

1.一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，包括两个双辐板涡轮盘，其特征在于，在双辐板涡轮盘的盘腔内设有若干扰流柱(4)，形成扰流柱群；所述扰流柱(4)为柱状体，连接方式为两端分别与两个涡轮盘固连，或一端与其中一个涡轮盘表面连接，另一端与对面涡轮盘表面不接触；冷却气体通过双辐板涡轮盘盘心入口，进入双辐板涡轮盘盘腔内，通过扰流柱群的强化换热后，经过双辐板涡轮盘盘缘处出口流出。
2.如权利要求1所述的一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，其特征在于，当扰流柱(4)两端分别与两个涡轮盘固连时，扰流柱(4)与扰流柱(4)之间相互平行分布或交错分布。
3.如权利要求1所述的一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，其特征在于，当扰流柱(4)一端与其中一个涡轮盘固连，另一端与另一个涡轮盘不接触时，扰流柱(4)与扰流柱(4)之间相互平行分布或交错分布。
4.如权利要求1所述的一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，其特征在于，扰流柱(4)轴线与辐板内表面所在平面之间的夹角为60度—90度。
5.如权利要求1或4所述的一种具有盘腔扰流柱的双辐板涡轮盘，其特征在于，所述扰流柱(4)有不同的截面形状，如圆形、圆竹节形、椭圆竹节形、椭圆形、水滴形、矩形、菱形等。
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