CN117988932A - 一种涡轮盘及一种航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮盘及一种航空发动机，包括盘体，所述盘体包括主盘体和盘缘，所述盘缘环绕设置在所述主盘体的外径侧；沿着所述主盘体的径向且从所述主盘体的内径侧到所述主盘体的外径侧，所述主盘体的轴向尺寸逐渐变小；所述主盘体内设置有环形空腔，所述环形空腔环绕所述主盘体的盘心设置，所述环形空腔为多个，多个所述环形空腔沿着所述主盘体的径向排布。本发明不仅在盘体内设置了空心结构，从而实现了盘体的轻量化，同时还根据盘体的结构特征设置了轴向尺寸逐个减小的多个环形空腔，以确保盘体整体具有较高的刚度和稳定性，同时确保盘体的各个部位均能够得到充分地冷却，从而提高冷却效果。

Description

一种涡轮盘及一种航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地说，涉及一种涡轮盘及一种航空发动机。

背景技术

将涡轮盘轻量化是提高发动机推重比的有力措施。为此，本领域技术人员设计了空心结构的涡轮盘。但是，空心结构的设置会导致涡轮盘的刚度和稳定性降低。涡轮盘的空心结构内用于流通冷却气，如果单纯通过缩减空心结构的容积来提供涡轮盘的刚度和稳定性，那么较小容积的空心结构会影响冷却气的冷却效果。

因此，如何在实现涡轮盘轻量化的同时还能够提高涡轮盘的刚度和稳定性，同时还能够提高冷却气的冷却效率，是本领域技术人员亟待解决的关键性问题。

发明内容

本发明的目的是在实现涡轮盘轻量化的同时还能够提高涡轮盘的刚度和稳定性，同时还能够提高冷却气的冷却效率。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种涡轮盘，包括盘体，所述盘体包括主盘体和盘缘，所述盘缘环绕设置在所述主盘体的外径侧，沿着所述主盘体的径向且从所述主盘体的内径侧到所述主盘体的外径侧，所述主盘体的轴向尺寸逐渐变小；

所述主盘体内设置有环形空腔，所述环形空腔环绕所述主盘体的盘心设置，所述环形空腔为多个，多个所述环形空腔沿着所述主盘体的径向排布；

所述盘缘内设置有排气通道，最靠近所述盘缘的所述环形空腔与所述排气通道相通，最靠近所述主盘体的内径侧的所述环形空腔与所述主盘体的盘心相通，所述主盘体的盘心用于进气，多个所述环形空腔沿着径向依次相通；

所述环形空腔被过所述主盘体的轴线的平面所截得的截面为梯形截面，所述梯形截面的上底和下底沿着所述主盘体的径向排布，所述上底相对于所述下底远离所述主盘体的盘心，且所述上底的尺寸小于所述下底的尺寸，在相邻的两个所述环形空腔中，远离所述主盘体的盘心的所述环形空腔的梯形截面的下底的尺寸小于靠近所述主盘体的盘心的所述环形空腔的梯形截面的上底的尺寸。

优先地，所述主盘体内设置有通气环槽，所述通气环槽围绕所述主盘体的盘心布置，相邻的两个所述环形空腔之间通过所述通气环槽相通；

所述通气环槽被过所述主盘体的轴线的平面所截得的截面为长方形截面，所述通气环槽的轴向尺寸小于与之相接的所述环形空腔的梯形截面的下底的尺寸，且该相接的所述环形空腔相对于所述通气环槽远离所述主盘体的盘心。

优先地，在相邻的两个所述环形空腔中，远离所述主盘体的盘心的所述环形空腔的容积大于靠近所述主盘体的盘心的所述环形空腔的容积。

优先地，最靠近所述主盘体的内径侧的所述环形空腔通过所述通气环槽与所述主盘体的盘心相通。

优先地，所述通气环槽中设置有隔块，在所述主盘体的轴向上，所述隔块的相对的两个壁面分别与所述通气环槽的相对的两个壁面相接触；所述隔块为环绕所述通气环槽的周向间隔设置的多个。

优先地，各个所述通气环槽中的相邻两个所述隔块之间的间距沿着从所述主盘体的内径侧到所述主盘体的外径侧的方向依次增大。

优先地，所述盘缘中设置有多个所述排气通道，多个所述排气通道环绕所述主盘体的盘心布置，多个所述排气通道与多个叶片一一对应。

优先地，沿着所述盘体的轴向所述盘体为两半式，所述盘缘、所述主盘体、所述环形空腔以及所述隔块均为两半式；

所述盘体的两半相互焊接，每半所述盘体上的焊接面包括每半所述盘缘的内侧面、每半所述隔块的内侧面。

优先地，最靠近所述主盘体的外径侧的所述环形空腔的梯形截面的上底的尺寸不小于4mm。

本发明还提供了一种航空发动机，包括涡轮盘，所述涡轮盘为如上述任意一种涡轮盘。

从上述技术方案可以看出，本实施例不仅在盘体内设置了空心结构，从而实现了盘体的轻量化，同时还根据盘体的结构特征设置了轴向尺寸逐个减小的多个环形空腔，以确保盘体整体具有较高的刚度和稳定性，同时确保盘体的各个部位均能够得到充分地冷却，从而提高冷却效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的方案，下面将对实施例中描述所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明一具体实施例提供的盘体被过盘体的轴线的平面截得的截面图；

图2为本发明一具体实施例提供的盘体被与盘体的轴线相垂直的平面截得的截面图。

其中，1为盘体、11为主盘体、12为盘缘、2为环形空腔、3为通气环槽、4为排气通道、5为盘心、6为隔块。

具体实施方式

本发明公开了一种涡轮盘，该涡轮盘能够实现涡轮盘轻量化的同时还能够提高涡轮盘的刚度和稳定性，同时还能够提高冷却气的冷却效率。本发明还公开了一种航空发动机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图1-附图2。

本发明公开了一种涡轮盘，该涡轮盘包括盘体1，盘体1包括主盘体11和盘缘12。主盘体11的盘心5用于进冷却气。盘缘12环绕设置在主盘体11的外径侧。沿着盘体1的径向且从主盘体11的内径侧到主盘体11的外径侧，主盘体11的轴向尺寸逐渐变小。换言之，沿着盘体1的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧主盘体11的厚度逐渐变薄。相较于在径向方向上轴向尺寸处处相等的主盘体，本发明中沿着径向逐渐变薄的主盘体11的重量变轻，从而利于主盘体11轻量化。

在本发明具体实施例中主盘体11内设置有环形空腔2，环形空腔2环绕主盘体11的盘心5设置。环形空腔2为多个，多个环形空腔2沿着主盘体11的径向排布。

盘缘12内设置有排气通道4，最靠近盘缘12的环形空腔2与盘缘12内的排气通道4相通。最靠近主盘体11的内径侧的环形空腔2与主盘体11的盘心5相通，主盘体11的盘心5用于进气。多个环形空腔2之间沿着径向依次相通。冷却气首先进入到主盘体11的盘心5，之后在离心力的作用下进入靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2内，之后沿着径向依次经过各个环形空腔2，最后从盘缘12内部的排气通道4排出。

本实施例中环形空腔2的特征如下：环形空腔2被过主盘体11的轴线的平面所截得的截面为梯形截面，梯形截面的上底和下底沿着主盘体11的径向排布，上底相对于下底远离主盘体11的盘心5，且上底的尺寸小于下底的尺寸。在相邻的两个环形空腔2中，远离主盘体11的盘心5的环形空腔2的梯形截面的下底的轴向尺寸小于靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的梯形截面的上底的尺寸。即，沿着主盘体11的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧各个环形空腔2的厚度逐个变薄，对于同一个环形空腔2来说，沿着主盘体11的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧该环形空腔2逐渐变薄。

本实施例中沿着主盘体11的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧主盘体11逐渐变薄，沿着主盘体11的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧逐个变薄的多个环向空腔与逐渐变薄的主盘体11相适应。主盘体11较厚的部位，对应的环形空腔2较厚，较厚的环形空腔2内容纳的冷却气较多，因此能够充分冷却主盘体11的较厚部位，同时确保该位置具有较高的刚度。主盘体11较薄的部位，所需的冷却气的量较小，因此将对应的环形空腔2设计的较薄，从而确保主盘体11的较薄的部位具有较高的刚度。

本实施例不仅在盘体1内设置了空心结构，从而实现了盘体1的轻量化，同时还根据盘体1的结构特征设置了轴向尺寸逐个减小的多个环形空腔2，以确保盘体1整体具有较高的刚度和稳定性，同时确保盘体1的各个部位均能够得到充分地冷却，从而提高冷却效果。

需要说明的是，沿着主盘体11的径向且从主盘体11的内径侧到外径侧多个环形空腔2的轴向尺寸依次减小，那么为了避免环形空腔2在轴向上形成尖角，从而造成应力集中，本发明限定最靠近盘缘12的环形空腔2的梯形截面的上底的尺寸不小于4mm。由于在所有环形空腔2对应的梯形截面中，最靠近盘缘12的环形空腔2的梯形截面的上底的尺寸最小，如果最靠近盘缘12的环形空腔2的梯形截面的上底的尺寸不小于4mm，那该环形空腔2的梯形截面的下底的尺寸以及其它环形空腔2的梯形截面的上底和下底的尺寸均大于4mm。

在本发明一具体实施例中，主盘体11内还设置有通气环槽3，通气环槽3围绕主盘体11的盘心5布置。相邻的两个环形空腔2之间通过通气环槽3相通。本实施中通气环槽3的特征之处在于：通气环槽3被过主盘体11的轴线的平面所截得的截面为长方形，通气环槽3的轴向尺寸小于与之相接的环形空腔2的梯形截面的下底的轴向尺寸，且该相接的环形空腔2相对于通气环槽3远离主盘体11的盘心5，换言之，该相接的环形空腔2为与通气环槽3相接的两个环形空腔2中远离主盘体11的盘心5的那个环形空腔2。

与通气环槽3相接的两个环形空腔2的轴向尺寸较大，因此两个环形空腔2内的冷却气完全能够将两个环形空腔2所在区域冷却到预设温度。如果相邻的两个环形空腔2直接相接会减弱冷却效果，同时会加大主盘体11的空心体积，从而削弱主盘体11的刚度和稳定性。

本实施例限定相邻的两个环形空腔2之间通过通气环槽3相通，通气环槽3相对于与之相接的两个环形空腔2在轴向上发生收缩，如此能够缩减通气环槽3所在部位的空心体积，从而提高主盘体11的刚度和稳定性。相邻的两个环形空腔2之间的通气环槽3主要起到连通两个环形空腔2的作用。

交替布置的通气环槽3和环形空腔2结构构成了竹节结构，竹材具有优良的抗压力特性和稳定性，因此本发明中的盘体1同样具有良好的抗压力特性和稳定性。

对于相邻的两个环形空腔2而言，如果远离主盘体11的盘心5的环形空腔2的容积小于靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的容积，那么不利于冷却气从盘心5向盘缘12处流动。因此本实施例限定在相邻的两个环形空腔2中，远离主盘体11的盘心5的环形空腔2的容积大于靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的容积。由于相邻的两个环形空腔2中远离主盘体11的盘心5的环形空腔2的梯形截面的面积小于靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的梯形截面的面积，因此需要确保远离主盘体11的盘心5的环形空腔2具有较大的径向尺寸才能够确保该环形空腔2的容积大于靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的容积。

在本发明具体实施例中限定最靠近主盘体11的内径侧的环形空腔2通过通气环槽3与主盘体11的盘心5相通。通气环槽3的一端与盘心5直接相通，通气环槽3的另一端与最靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2相通。由于通气环槽3的轴向尺寸小于与之相接的环形空腔2的轴向尺寸，从而确保了主盘体11在通气环槽3处具有较高的刚度和稳定性，以有效地抵御盘心5处的盘心应力。

在本发明具体实施例中，在通气环槽3中设置了隔块6。隔块6在主盘体11的轴向上的相对的两个壁面分别与通气环槽3的在主盘体11的轴向上的相对的两个壁面相接触。换言之，隔块6沿着通气环槽3的周向将通气环槽3隔为不相通的弧段。如果通气环槽3中设置有沿着周向排布的多个隔块6，那么多个隔块6将通气环槽3分割为多个弧段。隔块6的设置有效地提高了所在区域的结构刚度和结构的稳定性

为了利于冷却气从主盘体11的内径侧向外径侧流动，本实施例限定各个通气环槽3中的相邻的两个隔块6之间的间距沿着主盘体11的内径侧到主盘体11的外径侧的方向依次增大。换言之，越远离主盘体11的盘心5的通气环槽3，其内部的相邻隔块6之间的间距越大。相邻隔块6之间的间距越大，对冷却气的阻力会越小，越利于冷却气的流动。

对于用于连通盘心5和最靠近主盘体11的盘心5的环形空腔2的通气环槽3而言，根据盘心5处的进气量来设计通气环槽3中隔块6的个数和周向尺寸。如果盘心5处的进气量较大，那么减少隔块6的个数以及减小隔块6的周向尺寸，从而减小冷却气的阻力。如果盘心5处的进气量较小，那么增大隔块6的个数以及增大隔块6的周向尺寸。基于刚度和稳定性考虑，多个隔块6在周向上的周向尺寸之和不小于盘心5的周向尺寸的40％。

在本发明一具体实施例中沿着主盘体11的径向设置了四个环形空腔2和四个通气环槽3。每个通气环槽3中均布有八个隔块6。

由上文描述可知盘缘12中设置有排气通道4，在本发明具体实施中，将排气通道4设计为多个，多个排气通道4环绕主盘体11的盘心5布置。每个排气通道4对应一个叶片。从排气通道4排出的冷却气会进入到叶片内部。在本发明一具体实施例中排气通道4的数量不小于53个，排气通道4的截面积不小于10mm²。排气通道4的数量可根据叶片数量的变化而变化，排气通道4的截面积根据冷却气量的变化而变化。

在本发明一具体实施例中盘体1为两半式结构，盘体1的两半沿着轴向组装成完整的盘体1。如果盘体1为两半式，那么盘缘12、主盘体11、环形空腔2以及隔块6对应地均为两半式。依次经过锻造、机加工后成型盘体1的一半，之后将盘体1的两半焊接为完整的盘体1。两半式盘体1利于环形空腔2成型，从而降低了盘体1的加工难度。

具体而言，采用扩散焊接的方式对盘体1的两半进行焊接。扩散焊具有焊接质量高，焊后无需加工，自动化程度高等优点。盘体1的每半的焊接面包括每半盘缘12的内侧面以及每半隔块6的内侧面。隔块6设置在每个通气环槽3中，且每个通气环槽3中均布有多个隔块6，因此沿着盘体1的径向和周向分布有多个与隔块6对应的焊接面，如此便提高了盘体1的两半连接的均匀性和牢固性。

本发明还公开了一种航空发动机，包括涡轮盘，特别地该涡轮盘为上述任意一种涡轮盘。上述涡轮盘具有上述效果，具有上述涡轮盘的航空发动机同样具有上述效果，故本文不再赘述。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮盘，其特征在于，包括盘体(1)，所述盘体(1)包括主盘体(11)和盘缘(12)，所述盘缘(12)环绕设置在所述主盘体(11)的外径侧，沿着所述主盘体(11)的径向且从所述主盘体(11)的内径侧到所述主盘体(11)的外径侧，所述主盘体(11)的轴向尺寸逐渐变小；

所述主盘体(11)内设置有环形空腔(2)，所述环形空腔(2)环绕所述主盘体(11)的盘心(5)设置，所述环形空腔(2)为多个，多个所述环形空腔(2)沿着所述主盘体(11)的径向排布；

所述盘缘(12)内设置有排气通道(4)，最靠近所述盘缘(12)的所述环形空腔(2)与所述排气通道(4)相通，最靠近所述主盘体(11)的内径侧的所述环形空腔(2)与所述主盘体(11)的盘心(5)相通，所述主盘体(11)的盘心(5)用于进气，多个所述环形空腔(2)依次相通；

所述环形空腔(2)被过所述主盘体(11)的轴线的平面所截得的截面为梯形截面，所述梯形截面的上底和下底沿着所述主盘体(11)的径向排布，所述上底相对于所述下底远离所述主盘体(11)的盘心(5)，且所述上底的尺寸小于所述下底的尺寸，在相邻的两个所述环形空腔(2)中，远离所述主盘体(11)的盘心(5)的所述环形空腔(2)的所述梯形截面的下底的尺寸小于靠近所述主盘体(11)的盘心(5)的所述环形空腔(2)的所述梯形截面的上底的尺寸。

2.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，所述主盘体(11)内设置有通气环槽(3)，所述通气环槽(3)围绕所述主盘体(11)的盘心(5)布置，相邻的两个所述环形空腔(2)之间通过所述通气环槽(3)相通；

所述通气环槽(3)被过所述主盘体(11)的轴线的平面所截得的截面为长方形截面，所述通气环槽(3)的轴向尺寸小于与之相接的所述环形空腔(2)的所述梯形截面的下底的尺寸，且该相接的所述环形空腔(2)相对于所述通气环槽(3)远离所述主盘体(11)的盘心(5)。

3.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，在相邻的两个所述环形空腔(2)中，远离所述主盘体(11)的盘心(5)的所述环形空腔(2)的容积大于靠近所述主盘体(11)的盘心(5)的所述环形空腔(2)的容积。

4.根据权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于，最靠近所述主盘体(11)的内径侧的所述环形空腔(2)通过所述通气环槽(3)与所述主盘体(11)的盘心(5)相通。

5.根据权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于，所述通气环槽(3)中设置有隔块(6)，在所述主盘体(11)的轴向上，所述隔块(6)的相对的两个壁面分别与所述通气环槽(3)的相对的两个壁面相接触；所述隔块(6)为环绕所述通气环槽(3)的周向间隔设置的多个。

6.根据权利要求5所述的涡轮盘，其特征在于，各个所述通气环槽(3)中的相邻两个所述隔块(6)之间的间距沿着从所述主盘体(11)的内径侧到所述主盘体(11)的外径侧的方向依次增大。

7.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，所述盘缘(12)中设置有多个所述排气通道(4)，多个所述排气通道(4)环绕所述主盘体(11)的盘心(5)布置，多个所述排气通道(4)与多个叶片对应。

8.根据权利要求5所述的涡轮盘，其特征在于，沿着所述盘体(1)的轴向所述盘体(1)为两半式，所述盘缘(12)、所述主盘体(11)、所述环形空腔(2)以及所述隔块(6)均为两半式；

所述盘体(1)的两半相互焊接，每半所述盘体(1)上的焊接面包括每半所述盘缘(12)的内侧面、每半所述隔块(6)的内侧面。

9.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于，最靠近所述主盘体(11)的外径侧的所述环形空腔(2)的所述梯形截面的上底的尺寸不小于4mm。

10.一种航空发动机，包括涡轮盘，其特征在于，所述涡轮盘为如权利要求1-9任意一项所述的涡轮盘。