專利名稱：一種基于主動溫度梯度控制應力的航空發動機渦輪盤的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于主動溫度梯度控制應力的航空發動機渦輪盤，具體在航空發 動機盤心開加熱腔，輻板區域開內流腔的方式，達到緩解渦輪盤上的應力水平，減輕渦輪盤 質量的目的。
背景技術：
渦輪盤是航空發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、發電機等部件工作的任務。其固有的工作環境和工作特點可概括 如下
1.渦輪盤位于燃燒室之后，其熱環境極其嚴峻，目前的高性能航空發動機渦輪盤 上的溫度已經超過了 1000K，在這種溫度環境下，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 盤的冷卻和熱環境的分布不均，因此渦輪盤上涉及復雜的且隨運行工況而不斷變化的熱應 力載荷。所以，渦輪盤上的總應力水平非常高。
正因為以上特點，渦輪盤也是航空發動機最危險的部件之一，通常是通過增大危 險區域的幾何尺寸以控制渦輪盤上的應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力水平最大的盤心區域采用幾何尺寸的加厚；渦輪盤輻板區域的厚 度沿徑向逐漸變薄以減輕質量，因為渦輪盤上的應力水平分布特點是沿徑向逐漸降低的； 渦輪盤盤緣區域再次逐漸加厚，因為盤緣必須承受葉片的拉力作用。需要注意的是，增大幾 何尺寸將直接導致渦輪盤質量的增加，而現代先進航空發動機由于追求高推重比，對質量 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量的 增加，在渦輪盤的幾何外形大致確定后，需通過結構優化設計做進一步的調整，從而在渦輪 盤的應力水平和質量間維持平衡。
可以看出，對渦輪盤應力水平和質量控制的方式是比較單一的，且從目前的航空 發動機來看其效果并不理想渦輪盤的質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；仍然較高的應力水平帶來的渦輪盤破裂、失效也往往是航空 器災難性事故的主要原因。因此，必須通過其它技術手段來控制渦輪盤上的應力水平，降低 潤輪盤質量。發明內容
本發明的目的是給出一種基于主動溫度梯度控制的航空發動機渦輪盤，其可以有 效的緩解渦輪盤上的應力水平并同時降低渦輪盤的質量。
本發明提供了一種基于主動溫度梯度控制應力的航空發動機渦輪盤，其特征在 于渦輪盤盤心處設置加熱腔，在加熱腔內引入加熱氣體對盤心區域主動加熱以在盤心與 輻板間建立逆向溫度梯度；渦輪盤輻板上開內流腔以增大盤心與輻板間的溫度梯度，內流腔內為空氣。
本發明的優點在于(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，渦輪盤上的最大應力水平與傳統渦輪盤相比下降超過4. 5% ；(2)渦輪盤上 開加熱腔與內流腔，可以使渦輪盤整體重量下降超過7. 4%； (3)不需要傳統的通過增大危 險區域幾何尺寸以及通過結構優化設計來控制渦輪盤上應力水平，從而得到一種在應力水 平和質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渦輪盤應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.內流腔；3.加熱腔；4.加熱氣體； 5.盤緣區域；6.輻板區域；7.盤心區域；8.傳統渦輪盤；9.渦輪盤盤腔。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。參見圖1所示。在渦輪盤盤心區 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域的主動加熱。由于盤心區 域溫度的升高，改變傳統渦輪盤上盤緣區域5溫度高，盤心區域溫度低的溫度分布形式為 盤心與盤緣區域溫度高，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生的拉動作用，去抵消部分旋轉產生 的離心力，從而有效的緩解渦輪盤上的最大應力水平。顯然，逆向溫度梯度越大，所帶來的 對盤上最大應力水平的緩解作用越顯著。因此，在渦輪盤輻板上開內流腔2，內流腔內為空 氣。由于氣體的導熱系數小于金屬，所以從本質上內流腔的存在增大了輻板區域的導熱熱 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 盤上的最大應力水平與傳統渦輪盤相比下降超過4. 5%。渦輪盤上開加熱腔與內流腔，可以 使全盤質量下降超過7. 4%。該溫度梯度控制渦輪盤并沒有通過傳統的增大危險區域幾何尺 寸以及通過結構優化設計來控制渦輪盤上應力水平，從而得到一種在應力水平和質量間平 衡性更好的渦輪盤。
權利要求
1.一種基于主動溫度梯度控制應力的航空發動機渦輪盤，其特征在于在渦輪盤盤心(7)處設置加熱腔(3)，在所述加熱腔(3)內引入加熱氣體(4)對所述渦輪盤盤心區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)上設置內流腔(2)以增大渦輪盤盤心與渦輪盤輻板間的溫度梯度，所述內流腔內為空氣。
全文摘要
本發明給出一種基于主動溫度梯度控制的航空發動機渦輪盤，其與傳統渦輪盤相比具有更低的應力水平和更小的質量。本發明提供了一種基于主動溫度梯度控制應力的航空發動機渦輪盤，渦輪盤盤心處設置加熱腔，在加熱腔內引入加熱氣體對盤心區域主動加熱以在盤心與輻板間建立逆向溫度梯度；渦輪盤輻板上開內流腔以增大盤心與輻板間的溫度梯度，內流腔內為空氣。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，渦輪盤上的最大應力水平與傳統渦輪盤相比下降超過4.5%；渦輪盤上開加熱腔與內流腔，可以使渦輪盤整體重量下降超過7.4%；不需要傳統的通過增大危險區域幾何尺寸以及通過結構優化設計來控制渦輪盤上應力水平，從而得到一種在應力水平和質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 優先權日2012年6月27日
發明者丁水汀, 李果, 杜發榮, 劉曉靜, 鮑夢瑤 申請人:北京航空航天大學