[发明专利]一种基于主动温度梯度控制应力的航空发动机涡轮盘

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于主动温度梯度控制应力的航空发动机涡轮盘，具体在航空发动机盘心开加热腔，辐板区域开内流腔的方式，达到缓解涡轮盘上的应力水平，减轻涡轮盘质量的目的。

背景技术

涡轮盘是航空发动机的核心部件之一，承担着将燃气推动涡轮叶片所做的功传递至轴以带动风扇、压气机、发电机等部件工作的任务。其固有的工作环境和工作特点可概括如下：

1.涡轮盘位于燃烧室之后，其热环境极其严峻，目前的高性能航空发动机涡轮盘上的温度已经超过了1000K，在这种温度环境下，涡轮盘材料的强度性能将急剧下降，从而不能满足寿命及可靠性的要求，所以往往对涡轮盘加以冷却。

2.涡轮盘的工作转速一般超过10000rpm，因此承受极大的离心载荷；由于对涡轮盘的冷却和热环境的分布不均，因此涡轮盘上涉及复杂的且随运行工况而不断变化的热应力载荷。所以，涡轮盘上的总应力水平非常高。

正因为以上特点，涡轮盘也是航空发动机最危险的部件之一，通常是通过增大危险区域的几何尺寸以控制涡轮盘上的应力水平来保证可靠的强度需求。因此目前典型的涡轮盘形式是：涡轮盘应力水平最大的盘心区域采用几何尺寸的加厚；涡轮盘辐板区域的厚度沿径向逐渐变薄以减轻质量，因为涡轮盘上的应力水平分布特点是沿径向逐渐降低的；涡轮盘盘缘区域再次逐渐加厚，因为盘缘必须承受叶片的拉力作用。需要注意的是，增大几何尺寸将直接导致涡轮盘质量的增加，而现代先进航空发动机由于追求高推重比，对质量非常敏感，所以增加几何尺寸并不被鼓励。为尽量缓解由于保证强度带来的涡轮盘质量的增加，在涡轮盘的几何外形大致确定后，需通过结构优化设计做进一步的调整，从而在涡轮盘的应力水平和质量间维持平衡。

可以看出，对涡轮盘应力水平和质量控制的方式是比较单一的，且从目前的航空发动机来看其效果并不理想：涡轮盘的质量难以在保证强度的前提下显著降低，从而直接影响着推重比的进一步提升；仍然较高的应力水平带来的涡轮盘破裂、失效也往往是航空器灾难性事故的主要原因。因此，必须通过其它技术手段来控制涡轮盘上的应力水平，降低涡轮盘质量。

发明内容

本发明的目的是给出一种基于主动温度梯度控制的航空发动机涡轮盘，其可以有效的缓解涡轮盘上的应力水平并同时降低涡轮盘的质量。

本发明提供了一种基于主动温度梯度控制应力的航空发动机涡轮盘，其特征在于：涡轮盘盘心处设置加热腔，在加热腔内引入加热气体对盘心区域主动加热以在盘心与辐板间建立逆向温度梯度；涡轮盘辐板上开内流腔以增大盘心与辐板间的温度梯度，内流腔内为空气。

本发明的优点在于：（1）通过盘心与辐板间逆向温度梯度的拉动作用，在相同运行工况条件下，涡轮盘上的最大应力水平与传统涡轮盘相比下降超过4.5%；（2）涡轮盘上开加热腔与内流腔，可以使涡轮盘整体重量下降超过7.4%；（3）不需要传统的通过增大危险区域几何尺寸以及通过结构优化设计来控制涡轮盘上应力水平，从而得到一种在应力水平和质量间平衡性更好的涡轮盘。

附图说明

图1主动温度梯度控制涡轮盘示意图；

图2主动温度梯度控制涡轮盘与传统涡轮盘温度场分布云图对比示意图；

图3主动温度梯度控制涡轮盘与传统涡轮盘温度场分布曲线对比示意图；

图4主动温度梯度控制涡轮盘与传统涡轮盘应力分布云图对比示意图。

以上图中：1.主动温度梯度控制涡轮盘；2.内流腔；3.加热腔；4.加热气体；5.盘缘区域；6.辐板区域；7.盘心区域；8.传统涡轮盘；9.涡轮盘盘腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。参见图1所示。在涡轮盘盘心区域7开加热腔3，引入加热气体4进入加热腔以完成对盘心区域的主动加热。由于盘心区域温度的升高，改变传统涡轮盘上盘缘区域5温度高，盘心区域温度低的温度分布形式为盘心与盘缘区域温度高，辐板温度低的温度分布形式（如图2所示），即在盘心与辐板6间建立逆向温度梯度（如图3所示）。利用逆向温度梯度产生的拉动作用，去抵消部分旋转产生的离心力，从而有效的缓解涡轮盘上的最大应力水平。显然，逆向温度梯度越大，所带来的对盘上最大应力水平的缓解作用越显著。因此，在涡轮盘辐板上开内流腔2，内流腔内为空气。由于气体的导热系数小于金属，所以从本质上内流腔的存在增大了辐板区域的导热热阻，从而进一步增大涡轮盘上的逆向温度梯度，即增大对应力水平的缓解作用。

由此，通过盘心与辐板间逆向温度梯度的拉动作用，在相同运行工况条件下，涡轮盘上的最大应力水平与传统涡轮盘相比下降超过4.5%。涡轮盘上开加热腔与内流腔，可以使全盘质量下降超过7.4%。该温度梯度控制涡轮盘并没有通过传统的增大危险区域几何尺寸以及通过结构优化设计来控制涡轮盘上应力水平，从而得到一种在应力水平和质量间平衡性更好的涡轮盘。