CN109826670A - 涡轮盘、液体火箭发动机、液体火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮盘、液体火箭发动机、液体火箭，一种涡轮盘包括转盘；至少两级叶片成型在转盘外周上；其中所述叶片与所述转盘为增材制造一体成型。与传统的电火花等加工工艺相比，在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时，传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响，上述参数条件下的涡轮盘难以加工，但本发明中的涡轮盘采用增材制造一体成型，增材制造技术时将原材料熔融堆叠打印成设计的形状，其加工过程是堆叠成型，对结构的要求较低，可十分方便的加工出上述描述的涡轮盘，加工过程简单，时间短。

Description

涡轮盘、液体火箭发动机、液体火箭

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种涡轮盘、液体火箭发动机、液体火箭。

背景技术

涡轮盘是液体火箭发动机涡轮泵中的关键零件之一，其功能是将高温高压燃气的内能转化为动能为泵提供输入功率。为了提高涡轮效率，现有技术一般都采用带冠叶片，所有叶片的叶冠通常是一个整体的环带，称为围带。

目前涡轮盘大多采用锻件机加结合电火花加工成型，锻件毛坯订货周期长，机加量较大，同时由于涡轮盘带围带，涡轮叶片只能采用电火花加工。电火花加工叶片周期长，尤其是对于双级或多级涡轮盘，由于液体火箭发动机涡轮结构较紧凑，各叶片间距离较小，传统加工很难实现。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中多级涡轮盘因各级叶片间距较小导致加工困难的问题，从而提供一种涡轮盘、液体火箭发动机、液体火箭。

为了解决上述问题，本发明提供了一种涡轮盘，包括转盘；至少两级叶片成型在转盘外周上；其中所述叶片与所述转盘为增材制造一体成型。

进一步地，所述叶片为直叶片。

进一步地，所述叶片包括一级叶片以及与所述一级叶片同轴设置的二级叶片。

进一步地，所述叶片的轴向弦长与所述叶片的涡轮中径的比值为[0.03，0.07]。

进一步地，所述一级叶片的轴向弦长A为9.96mm，径向间距B为2.22mm。

进一步地，所述二级叶片的轴向弦长C为10.96mm，径向间距D为4.66mm。

进一步地，所述一级叶片与所述二级叶片的轴向间距E为16mm。

本发明还提供了一种液体火箭发动机包括：上述权利要求中任一所述的涡轮盘。

本发明还提供了一种液体火箭包括：上述权利要求中任一所述的涡轮盘，或上述权利要求中所述的液体火箭发动机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的涡轮盘包括转盘；至少两级叶片成型在转盘外周上；其中所述叶片与所述转盘为增材制造一体成型。

与传统的电火花等加工工艺相比，在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时，传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响，上述参数条件下的涡轮盘难以加工，但本发明中的涡轮盘采用增材制造一体成型，增材制造技术时将原材料熔融堆叠打印成设计的形状，其加工过程是堆叠成型，对结构的要求较低，可十分方便的加工出上述描述的涡轮盘，加工过程简单，时间短。

2.本发明提供的涡轮盘中所述的叶片为直叶片，直叶片结构相对于其他的复杂高阶曲面叶片，其结构相对简单，加工计算量小，可提高加工效率。

3.本发明提供的叶片包括一级叶片以及与所述一级叶片同轴设置的二级叶片。两级叶片的涡轮盘结构相对简单，增材制造时间短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中提供的涡轮盘的结构示意图；

图2为本发明实施例1中提供的一级叶片的结构示意图；

图3为本发明实施例1中提供的二级叶片的结构示意图；

图4为本发明实施例1中提供的两级叶片的间距结构示意图。

附图标记说明：

1－转盘；

2－叶片；21－一级叶片；22－二级叶片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

图1到图4所示，为本实施例1提供的一种涡轮盘，包括：转盘1；至少两级叶片2成型在转盘1外周上；其中所述叶片2与所述转盘1为增材制造一体成型。

与传统的电火花等加工工艺相比，在两级叶片2的间距过小或同级叶片2间的排列紧密时，传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响，上述参数条件下的涡轮盘难以加工，但本发明中的涡轮盘采用增材制造一体成型，增材制造技术时将原材料熔融堆叠打印成设计的形状，其加工过程是堆叠成型，对结构的要求较低，可十分方便的加工出上述描述的涡轮盘，加工过程简单，时间短。

本实施例中的叶片2为直叶片，其结构相对简单，加工计算量小，可提高加工效率。

进一步地，叶片2包括一级叶片21以及与一级叶片21同轴设置的二级叶片22，两级叶片的涡轮盘结构相对简单，增材制造时间短。

一般地，所述叶片2的轴向弦长与所述叶片2的涡轮中经F的比值为[0.03，0.07]。

其中如图2所示，本实施例中的涡轮中径F为200mm，其中一级叶片21的轴向弦长A为9.96mm，径向间距B为2.22mm，叶片高度10mm，一级叶片的数量为85个，如图3所示，二级叶片22的轴向弦长C为10.96mm，径向间距D为4.66mm，叶片高度12mm，叶片数88个，如图4所示，一级叶片21与二级叶片22的轴向间距E为16mm。本实施例中的上述技术参数，即同级叶片间的间距较小，特别是一级叶片的径向间距仅有2.22mm，若采用传统的电火花加工，首先电火花加工作为一种特种加工工艺，加工成本高昂，其因加工难度较大，加工周期长，时间成本投入巨大，且加工难度大，产品的不良率也高，严重影响生产效率。

本实施例中的涡轮盘采用增材制造技术制备，具体为3D打印机打印成型，首先利用三维软件绘制好三维涡轮盘的三维模型，将三维模型数据输入到3D打印机中，利用激光选区融化成型工艺对三维数据模型数据进行打印成型。本实施例中涡轮盘所用的材料为Inconel718高温合金，呈粉末状，其能通过NO.200#筛，且其一次通过率不少于95％。经3D打印机加工成型的涡轮盘的粗胚，然后将粗胚中的多余高温合金粉末去除，可通过吹风清除和打磨清除的方式，此后进行固溶热处理消除内部应力，并对涡轮叶片处进行精工打磨处理。

同时涡轮盘作为涡轮泵的关键部件之一，工作在高温、高压、高转速等条件下工作，承受复杂的离心载荷、热载荷、振动等载荷，其受力条件十分恶劣，强度安全裕度相对较小。由于涡轮盘首次采用3D打印技术，为验证3D打印技术在涡轮盘上应用的可行性，摸清涡轮盘及叶片的强度安全裕度，需对其进行超转试验。

超转试验前，对本实施中的涡轮盘先进行了动平衡试验。动平衡试验是对转动件进行动平衡检测、校正，并达到使用要求的过程。在理想的情况下转动件旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种转动件，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得转动件在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消。离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转动件进行动平衡试验，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。根据试验方试验台要求，动平衡试验后的最终不平衡量小于100mg，本次超转试验，为了摸清涡轮盘在常温下及高温下的强度，分别进行了多次常温超转试验和多次高温超转试验，超转总时长高达八千多秒，每次超转试验后，分别进行了尺寸检查和着色检查，经检查各项指标都正常，验证了3D打印涡轮盘此种加工方式的可行性。

实施例2

本实施例提供了一种液体火箭发动机，其包括上述实施例1中的涡轮盘，且具有其全部的技术优点，在此不再一一赘述。

实施例3

本实施例提供了一种液体火箭，包括上述的实施例1中的涡轮盘或实施例2中的液体火箭，且具有其全部的技术优点，在此不再一一赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种涡轮盘，用于火箭发动机，其特征在于，包括：

转盘(1)；

至少两级叶片(2)成型在转盘(1)外周上；

其中所述叶片(2)与所述转盘(1)为增材制造一体成型。

2.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，所述叶片(2)为直叶片。

3.根据权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于，所述叶片(2)包括一级叶片(21)以及与所述一级叶片(21)同轴设置的二级叶片(22)。

4.根据权利要求3所述的涡轮盘，其特征在于，所述叶片(2)的轴向弦长与所述叶片(2)的涡轮中径F的比值为[0.03，0.07]。

5.根据权利要求4所述的涡轮盘，其特征在于，所述一级叶片(21)的轴向弦长A为9.96mm，径向间距B为2.22mm。

6.根据权利要求4所述的涡轮盘，其特征在于，所述二级叶片(22)的轴向弦长C为10.96mm，径向间距D为4.66mm。

7.根据权利要求4所述的涡轮盘，其特征在于，所述一级叶片(21)与所述二级叶片(22)的轴向间距E为16mm。

8.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括：

权利要求1－7中任一所述的涡轮盘。

9.一种液体火箭，其特征在于，包括：

权利要求1－7中任一所述的涡轮盘，或

权利要求8中所述的液体火箭发动机。