CN1995707A - 带弯曲毂面的高压涡轮机盘毂及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气轮发动机的第一级涡轮机盘(14)，其包括布置在中心的盘毂(21)，该盘毂(21)具有一体成形的、径向向外延伸的连结板(18)，该连结板(18)终止于外端处。该盘毂(21)具有在发动机运行过程中暴露于高压、高温压缩机抽气和排出气体中的凸出的弯曲毂面(22)，并且在轴向应力峰值位置处，该凸出的弯曲毂面(22)起到降低轴向约束的作用，因此降低了该盘毂(21)中不期望有的轴向应力的形成且允许将轴向应力峰值和周向应力峰值分离，以降低毂表面有效应力的峰值大小。

Description

带弯曲毂面的高压涡轮机盘毂及方法
技术领域和背景技术
本发明涉及燃气轮发动机，特别涉及航空燃气轮发动机盘毂中轴向应力的降低。在本申请中，本发明特别结合暴露于高温压缩机抽气(compressor bleed)和排出气体中的航空燃气轮发动机高压涡轮机(“HPT”)盘毂来进行描述和阐明。在拆卸过程中，处于高压涡轮机盘毂处的陡的热梯度会在毂面中心处导致高压缩性轴向应力。该高轴向应力会导致计算寿命值大大低于发动机规程需求(engine programrequirement)。现有技术的方案包括较大地降低热梯度和/或盘缘负荷或较大地增加毂的大小。这些方案对发动机性能有消极影响。
更具体而言，当前降低轴向应力的实践包括调整盘缘负荷、毂大小、或空载毂流量(idle hub flow)以从盘毂获得足够的寿命。调整盘缘负荷的方法为非直接的方法。降低叶片的重量使得即使在具有高轴向毂应力的情况下，也将盘中的周向应力降低到符合寿命需求的点。该方法对叶片的寿命和性能具有消极影响。调整毂大小也是非直接的。该实践还降低周向应力以使得盘将接纳大的轴向应力并具有可接受的寿命。该方法对盘的重量和热性能具有消极影响。通过在拆卸之前加热盘，增加发动机空载毂流量直接降低毂上的轴向应力。于是，降低了产生高轴向应力的热梯度。然而，高毂流量对系统性能具有消极影响。
在本申请中，本发明公开并主张了一种解决该问题的新颖性方式，以降低高压涡轮机盘毂上的轴向应力，而不具有现有技术方案所产生的不利的折衷。
发明内容
根据本发明的一个方面，将凸出的弯曲几何结构引入到盘毂中，以降低高压涡轮机盘毂中的高轴向应力。
根据本发明的另一个方面，在盘毂上形成凸出的弯曲毂面。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的、沿着燃气轮发动机高压涡轮机部分的纵轴线的部分剖视图。
具体实施方式
现在参考附图，图1示出了根据本发明的一个方面的、高旁路比燃气轮航空发动机的高压涡轮机部分10的一部分。该高压涡轮机部分10包括第一、第二级盘14，16，该第一、第二级盘14，16分别具有从各自的毂21，24向外延伸的连结板(web)18，20。第一级盘毂21包括凸出的环形毂面22，其将在以下详述。燕尾槽26，28分别在该连结板18，20的外端上形成。
第一级盘14包括和连结板18成一体的前轴30。前轴30的壁基本上和发动机的旋转轴线平行。第一级盘14的毂21包括向后延伸的后轴42，该后轴42挤装成与轴承44接合。该轴42包括多个开口46以允许冷空气进入级间容积48。级间密封50位于第一级盘14和第二级盘16之间并包括外壳52和中央盘54，中央盘54具有毂56。壳52通常为柱形并带有向前和向后延伸的曲臂58，60，曲臂58，60从支撑密封齿64的的中部62延伸并附接到各自的盘14，16。
涡轮机部分10进一步包括前外密封组件70，该组件70包括通过位于径向外周缘处的卡口连接件74和位于径向内周缘处的卡口连接件76而安装到第一级盘14上的面板72。面板72包括叶片保持外缘78，该叶片保持外缘78终止于接触第一级叶片82的轴向凸缘80处。
第一级盘毂21的曲面22大大降低了孔表面有效应力的峰值。该种降低通过两种方法实现。第一，连续弯曲的毂面迫使轴向应力峰值到达位于图1中“X”位置处的顶点。在该位置处，因为自由表面的弯曲迫使主应力区域从主要轴向定位转变到主要径向定位，所以轴向压缩应力的峰值降低。结果，曲面降低了在位置“X”处的表面的轴向约束。第二，表面弯曲将轴向应力峰值和周向应力峰值分离，因此，允许表面有效应力得以优化到其最小值。
曲面22的适宜的形状、角度、大小和尺寸通过实施设计变更继而通过计算机分析以观察复合应力来考察该变更的影响而经验性地确定，而不是通过单纯地解析方法而确定。该设计方法适于平衡轴向应力的降低和通过降低盘毂21的截面面积而随之引起的周向应力的增加。
以上描述了一种在盘孔表面具有降低的轴向和有效应力峰值的燃气轮发动机。本发明的各个细节可在不脱离本发明范围的情况下进行变更。此外，上述实施本发明的优选实施例和最佳实施例的描述仅旨在示例，不试图限制由权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (4)

1.一种用于燃气轮发动机的第一级涡轮机盘(14)部分，其包括：
(a)布置在中心的盘毂(21)，该盘毂(21)具有一体成形的、径向向外延伸的连结板(18)，该连结板(18)终止于外端处；以及
(b)该盘毂(21)具有在发动机运行过程中暴露于高压、高温压缩机抽气和排出气体中的凸出的弯曲毂面(22)，在轴向应力峰值位置处，该凸出的弯曲毂面(22)起到降低有效轴向约束的作用，因此降低了该盘毂(21)中不期望有的轴向应力的形成。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机部分，其中，该盘(114)只包括凸出的弯曲盘面(22)且没有位于其上的柱形或截头-圆锥形区域。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机部分，其中，该凸出的弯曲盘面(22)定位成将盘毂(21)上的最大轴向应力和周向应力改变成不相互对准，因此，降低了盘毂(21)上有效应力的大小。
4.一种降低燃气涡轮机盘(14)的盘毂(21)中轴向应力的方法，其包括以下步骤：
(a)确定燃气涡轮机盘毂(21)中应力梯度的位置；
(b)在该盘毂(21)的盘毂表面中形成凸出的曲面部分，该凸出的曲面部分将轴向应力峰值相对于周向应力峰值轴向地移动并降低该轴向应力的峰值，因此降低了盘孔表面上有效应力的大小。
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