專利名稱：一種基于主動溫度梯度控制應(yīng)力的航空發(fā)動機渦輪盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于主動溫度梯度控制應(yīng)力的航空發(fā)動機渦輪盤，具體在航空發(fā) 動機盤心開加熱腔，輻板區(qū)域開內(nèi)流腔的方式，達到緩解渦輪盤上的應(yīng)力水平，減輕渦輪盤 質(zhì)量的目的。
背景技術(shù)：
渦輪盤是航空發(fā)動機的核心部件之一，承擔著將燃氣推動渦輪葉片所做的功傳遞 至軸以帶動風扇、壓氣機、發(fā)電機等部件工作的任務(wù)。其固有的工作環(huán)境和工作特點可概括 如下
1.渦輪盤位于燃燒室之后，其熱環(huán)境極其嚴峻，目前的高性能航空發(fā)動機渦輪盤 上的溫度已經(jīng)超過了 1000K，在這種溫度環(huán)境下，渦輪盤材料的強度性能將急劇下降，從而 不能滿足壽命及可靠性的要求，所以往往對渦輪盤加以冷卻。
2.渦輪盤的工作轉(zhuǎn)速一般超過lOOOOrpm，因此承受極大的離心載荷；由于對渦輪 盤的冷卻和熱環(huán)境的分布不均，因此渦輪盤上涉及復(fù)雜的且隨運行工況而不斷變化的熱應(yīng) 力載荷。所以，渦輪盤上的總應(yīng)力水平非常高。
正因為以上特點，渦輪盤也是航空發(fā)動機最危險的部件之一，通常是通過增大危 險區(qū)域的幾何尺寸以控制渦輪盤上的應(yīng)力水平來保證可靠的強度需求。因此目前典型的渦 輪盤形式是渦輪盤應(yīng)力水平最大的盤心區(qū)域采用幾何尺寸的加厚；渦輪盤輻板區(qū)域的厚 度沿徑向逐漸變薄以減輕質(zhì)量，因為渦輪盤上的應(yīng)力水平分布特點是沿徑向逐漸降低的； 渦輪盤盤緣區(qū)域再次逐漸加厚，因為盤緣必須承受葉片的拉力作用。需要注意的是，增大幾 何尺寸將直接導(dǎo)致渦輪盤質(zhì)量的增加，而現(xiàn)代先進航空發(fā)動機由于追求高推重比，對質(zhì)量 非常敏感，所以增加幾何尺寸并不被鼓勵。為盡量緩解由于保證強度帶來的渦輪盤質(zhì)量的 增加，在渦輪盤的幾何外形大致確定后，需通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計做進一步的調(diào)整，從而在渦輪 盤的應(yīng)力水平和質(zhì)量間維持平衡。
可以看出，對渦輪盤應(yīng)力水平和質(zhì)量控制的方式是比較單一的，且從目前的航空 發(fā)動機來看其效果并不理想渦輪盤的質(zhì)量難以在保證強度的前提下顯著降低，從而直接 影響著推重比的進一步提升；仍然較高的應(yīng)力水平帶來的渦輪盤破裂、失效也往往是航空 器災(zāi)難性事故的主要原因。因此，必須通過其它技術(shù)手段來控制渦輪盤上的應(yīng)力水平，降低 潤輪盤質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出一種基于主動溫度梯度控制的航空發(fā)動機渦輪盤，其可以有 效的緩解渦輪盤上的應(yīng)力水平并同時降低渦輪盤的質(zhì)量。
本發(fā)明提供了一種基于主動溫度梯度控制應(yīng)力的航空發(fā)動機渦輪盤，其特征在 于渦輪盤盤心處設(shè)置加熱腔，在加熱腔內(nèi)引入加熱氣體對盤心區(qū)域主動加熱以在盤心與 輻板間建立逆向溫度梯度；渦輪盤輻板上開內(nèi)流腔以增大盤心與輻板間的溫度梯度，內(nèi)流腔內(nèi)為空氣。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)通過盤心與輻板間逆向溫度梯度的拉動作用，在相同運 行工況條件下，渦輪盤上的最大應(yīng)力水平與傳統(tǒng)渦輪盤相比下降超過4. 5% ；(2)渦輪盤上 開加熱腔與內(nèi)流腔，可以使渦輪盤整體重量下降超過7. 4%； (3)不需要傳統(tǒng)的通過增大危 險區(qū)域幾何尺寸以及通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來控制渦輪盤上應(yīng)力水平，從而得到一種在應(yīng)力水 平和質(zhì)量間平衡性更好的渦輪盤。


圖1主動溫度梯度控制渦輪盤示意圖2主動溫度梯度控制渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤溫度場分布云圖對比示意圖3主動溫度梯度控制渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤溫度場分布曲線對比示意圖4主動溫度梯度控制渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤應(yīng)力分布云圖對比示意圖。
以上圖中1.主動溫度梯度控制渦輪盤；2.內(nèi)流腔；3.加熱腔；4.加熱氣體； 5.盤緣區(qū)域；6.輻板區(qū)域；7.盤心區(qū)域；8.傳統(tǒng)渦輪盤；9.渦輪盤盤腔。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。參見圖1所示。在渦輪盤盤心區(qū) 域7開加熱腔3，引入加熱氣體4進入加熱腔以完成對盤心區(qū)域的主動加熱。由于盤心區(qū) 域溫度的升高，改變傳統(tǒng)渦輪盤上盤緣區(qū)域5溫度高，盤心區(qū)域溫度低的溫度分布形式為 盤心與盤緣區(qū)域溫度高，輻板溫度低的溫度分布形式(如圖2所示)，即在盤心與輻板6間建 立逆向溫度梯度(如圖3所示)。利用逆向溫度梯度產(chǎn)生的拉動作用，去抵消部分旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生 的離心力，從而有效的緩解渦輪盤上的最大應(yīng)力水平。顯然，逆向溫度梯度越大，所帶來的 對盤上最大應(yīng)力水平的緩解作用越顯著。因此，在渦輪盤輻板上開內(nèi)流腔2，內(nèi)流腔內(nèi)為空 氣。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小于金屬，所以從本質(zhì)上內(nèi)流腔的存在增大了輻板區(qū)域的導(dǎo)熱熱 阻，從而進一步增大渦輪盤上的逆向溫度梯度，即增大對應(yīng)力水平的緩解作用。
由此，通過盤心與輻板間逆向溫度梯度的拉動作用，在相同運行工況條件下，渦輪 盤上的最大應(yīng)力水平與傳統(tǒng)渦輪盤相比下降超過4. 5%。渦輪盤上開加熱腔與內(nèi)流腔，可以 使全盤質(zhì)量下降超過7. 4%。該溫度梯度控制渦輪盤并沒有通過傳統(tǒng)的增大危險區(qū)域幾何尺 寸以及通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來控制渦輪盤上應(yīng)力水平，從而得到一種在應(yīng)力水平和質(zhì)量間平 衡性更好的渦輪盤。
權(quán)利要求
1.一種基于主動溫度梯度控制應(yīng)力的航空發(fā)動機渦輪盤，其特征在于在渦輪盤盤心(7)處設(shè)置加熱腔(3)，在所述加熱腔(3)內(nèi)引入加熱氣體(4)對所述渦輪盤盤心區(qū)域主動加熱以在渦輪盤盤心與渦輪盤輻板間建立逆向溫度梯度。在所述渦輪盤輻板(6)上設(shè)置內(nèi)流腔(2)以增大渦輪盤盤心與渦輪盤輻板間的溫度梯度，所述內(nèi)流腔內(nèi)為空氣。
全文摘要
本發(fā)明給出一種基于主動溫度梯度控制的航空發(fā)動機渦輪盤，其與傳統(tǒng)渦輪盤相比具有更低的應(yīng)力水平和更小的質(zhì)量。本發(fā)明提供了一種基于主動溫度梯度控制應(yīng)力的航空發(fā)動機渦輪盤，渦輪盤盤心處設(shè)置加熱腔，在加熱腔內(nèi)引入加熱氣體對盤心區(qū)域主動加熱以在盤心與輻板間建立逆向溫度梯度；渦輪盤輻板上開內(nèi)流腔以增大盤心與輻板間的溫度梯度，內(nèi)流腔內(nèi)為空氣。通過盤心與輻板間逆向溫度梯度的拉動作用，在相同運行工況條件下，渦輪盤上的最大應(yīng)力水平與傳統(tǒng)渦輪盤相比下降超過4.5%；渦輪盤上開加熱腔與內(nèi)流腔，可以使渦輪盤整體重量下降超過7.4%；不需要傳統(tǒng)的通過增大危險區(qū)域幾何尺寸以及通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來控制渦輪盤上應(yīng)力水平，從而得到一種在應(yīng)力水平和質(zhì)量間平衡性更好的渦輪盤。
文檔編號F01D5/02GK103046964SQ20121021877
公開日2013年4月17日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者丁水汀, 李果, 杜發(fā)榮, 劉曉靜, 鮑夢瑤 申請人:北京航空航天大學(xué)