一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，在雙輻板渦輪盤的兩個輻板上設有若干導流肋板，渦輪盤盤緣處沿圓周徑向均布盤緣冷氣通道，冷卻氣體通過盤緣冷氣通道從雙輻板渦輪盤盤腔進入冷卻葉片。雙輻板渦輪盤前后輪轂之間嵌入有環形舌板，舌板中心通道與渦輪盤內腔相通。導流肋板沿渦輪盤的旋轉方向呈流線型分層分布，在渦輪盤旋轉過程中起到離心增壓效果，提高了盤腔內部冷卻空氣的流速和壓力；導流肋板增加了換熱面積，提高了盤腔內部的對流換熱效率，起到強化換熱的效果。在渦輪盤前后輪轂處增加舌板結構，加強了盤心開口處的軸向剛度；在舌板和盤緣處利用變截面通道，可控制流經通道處冷卻氣體的壓力和流速。
【專利說明】一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤

【技術領域】
[0001]本發明屬于燃氣輪機【技術領域】，具體地說，涉及一種用于燃氣輪機上具有盤腔導流肋板和增加盤心軸向剛度的舌板結構的雙輻板渦輪盤。

【背景技術】
[0002]隨著燃氣輪機渦輪進口溫度的不斷提高，高壓渦輪盤的工作溫度也越來越高。目前高壓渦輪盤的盤緣溫度已高達700°左右，距離高溫燃氣較遠的盤心，其溫度通常也在400°左右。傳統高壓渦輪盤均采用單輻板結構形式，這種形式的渦輪盤由于不能實現輻板內部的冷卻，容易導致溫度不均、熱應力較大，一般來講高壓渦輪盤的溫度應力大致占到其總應力的30%左右。目前單輻板渦輪盤已經達到了結構的設計極限，嚴重限制了發動機的進一步發展。為了適應不斷升高的環境溫度，需要針對燃氣輪機高壓渦輪盤進行冷卻，減少其溫度應力對于整個渦輪盤使用壽命的影響。目前渦輪盤冷卻技術已經越來越得到重視，各種有利于冷卻的渦輪盤設計和制造技術已成為燃氣渦輪發動機設計的核心技術之一。
[0003]專利Twin-web rotor disk(美國專利號 5，961，287,1999-10-5)中提到一種新型的、區別于以前單輻板的雙輻板渦輪盤。這種渦輪盤由軸向上前后兩個輻板組成，兩個輻板圍成一個中心盤腔。雙輻板渦輪盤內腔冷卻的基本原理是:冷卻空氣通過尺寸較小的渦輪盤盤心入口進入截面面積較大的盤腔，經過盤腔的對流換熱流入渦輪冷卻葉片。與單輻板渦輪盤相比，這種結構形式有利于冷卻空氣直接流入雙輻板渦輪中對內腔進行冷卻，可以明顯降低渦輪盤的工作溫度、大幅減少冷氣用量并提高AN2值；此外，在滿足輪盤變形及強度要求的前提下，雙輻板較之單幅板渦輪盤可以減重1/4。由于雙輻板渦輪盤呈現的突出優勢，美國開展的綜合高性能潤輪發動機技術計劃(IHPTET) (U.S.Department of Defense.1ntegrated high performance turbine engine technology (IHPTET)[R].Gas TurbineForecast, Archived, 2006)中將雙福板潤輪盤指定為高壓潤輪盤結構的未來發展趨勢。因此針對雙輻板渦輪盤進行相關的結構設計并推廣應用，對于進一步提升燃氣輪機的性能具有重要意義。
[0004]但是所提出的盤腔表面光滑沒有相應的輔助結構。這種渦輪盤腔形成的對流換熱面積較小，并且導致冷氣從較小入口流入較大盤腔后形成較大渦流、容易導致氣體壓力降低、流速減小，嚴重時會導致渦輪冷卻葉片燃氣倒灌；雖然提出一種保持雙輻板距離的盤轂間隙控制器(hub spacer)，但是缺乏相應說明；此外，雙輻板渦輪盤盤心往往具有較大的環形缺口，這種開口設計下的雙輻板渦輪盤在盤心處軸向剛度較小，容易發生軸向變形和引起結構共振，甚至導致災難性事故發生。因此進一步提高雙輻板渦輪盤對流換熱效率、提高盤腔出口壓力，并增加盤心軸向剛度成為需要解決的問題。


【發明內容】

[0005]為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤。目的是采用具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤和舌板結構，以解決現有雙輻板渦輪盤換熱效率低、盤腔出口壓力小的問題；采用若干導流肋板和與舌板件結構與雙輻板渦輪盤配合增加盤心處的軸向剛度。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括渦輪盤，其中還包括前輻板、后輻板、導流肋板、舌板、前輪轂、后輪轂，所述渦輪盤盤緣上沿圓周徑向均布多個盤緣冷氣通道，所述前輻板內壁面上沿徑向和周向分層均布若干導流肋板，導流肋板彎曲方向與渦輪盤的旋轉方向相同，所述后腹板內壁面上沿徑向和周向分層均布若干導流肋板，導流肋板彎曲方向與渦輪盤的旋轉方向相同，前輻板和后輻板與中心線傾斜角α為15?30°，所述舌板為圓環形，沿舌板圓周徑向均布舌板中心通道，舌板嵌入在前輪轂與后輪轂之間，舌板中心通道與渦輪盤內腔相通，舌板中心通道與盤緣冷氣通道數量相同。
[0007]所述前輻板上的導流肋板依中心向盤緣延伸為三層，導流肋板沿徑向交錯排列或等間距排列結構的任意一種。
[0008]所述后腹板上的導流肋板依中心向盤緣延伸為二層，導流肋板沿徑向交錯排列結構或等間距排列結構的任意一種。
[0009]所述導流肋板為葉片橫截面形結構，彎曲弧度與葉片型線一致。
[0010]所述舌板與雙輻板渦輪盤輪轂為過盈配合。
[0011]有益效果
[0012]本發明提出的一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，通過在雙輻板渦輪盤的前輻板和后輻板上均布導流肋板，導流肋板增加了雙輻板盤腔換熱面積；冷卻空氣流經導流肋板時，由于邊界層分離所產生的流體漩渦與流體剪切層的相互作用使流體湍流度增力口，提高了雙輻板渦輪盤的對流換熱效率；導流肋板起到了強化換熱的效果，相比傳統的雙輻板渦輪盤工作均溫降低了 40°C，提高了盤腔內部的對流換熱效率。導流肋板具有流線型的變高度結構，距離盤心高度較高，沿著旋轉方向從盤心向盤緣方向延伸分層均布，冷卻空氣流經導流肋板時，流線型的外形會相應減少流動阻力，并且盤腔上的導流肋片旋轉會帶著冷卻空氣一同旋轉，增加了盤腔內部空氣的流速和壓力；增壓后的冷氣通過盤緣處的冷氣通道流入渦輪冷卻葉片，渦輪盤旋轉過程中起到離心增壓效果，可提高盤腔內部冷卻空氣的流速，提高盤腔出口壓力近10%。在盤心處增加了與雙輻板渦輪盤配合的舌板結構，可增加盤心開口處的軸向剛度，提高了盤心開口處軸向抗變形的能力；在舌板零件和盤緣處利用變截面的通道，可控制流經通道處冷卻的壓力和流速。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結合附圖和實施方式對本發明一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤作進一步詳細說明。
[0014]圖1為本發明雙輻板渦輪盤三維結構示意圖。
[0015]圖2為本發明雙輻板渦輪盤的前輻板示意圖。
[0016]圖3為本發明雙輻板渦輪盤的后輻板示意圖。
[0017]圖4為本發明雙輻板渦輪盤的截面圖。
[0018]圖5為本發明雙輻板渦輪盤的導流肋板示意圖。
[0019]圖6為本發明雙輻板渦輪盤位于燃氣輪機中的結構示意圖。
[0020]圖中:
[0021]1.盤緣冷氣通道2.導流肋板3.前輻板4.渦輪盤盤緣5.前輪轂6.后輻板7.渦輪盤內腔8.舌板中心通道9.后輪轂10.舌板11.導向葉片12.密封墊圈13.前輻板緊固螺栓14.前軸套冷氣孔15.盤軸腔16.軸17.轉子葉片18.后輻板緊固螺栓19.后軸套冷氣孔20.軸套21.導流肋板前緣22.導流肋板肋身23.導流肋板尾緣
[0022]01.渦輪盤動冷卻氣流02.靜葉冷卻氣流 α.輻板傾斜角

【具體實施方式】
[0023]本實施例是一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤。
[0024]參閱圖1-圖5，本實施例雙輻板渦輪盤包括前輻板3、后輻板6、導流肋板2、舌板
10、前輪轂5、后輪轂9、盤緣冷氣通道I和渦輪盤,盤緣上面的榫槽結構省略；渦輪盤盤緣4上沿圓周徑向均布多個盤緣冷氣通道I ;前輻板3和后腹板6的內壁面上有導流肋板2，導流肋板2為葉片橫截面形結構，導流肋板2彎曲方向與渦輪盤的旋轉方向相同。本實施例中，前輻板3上的導流肋板2依中心沿徑向向盤緣延伸為三層，后腹板6上的導流肋板2沿徑向向盤緣延伸為二層，前輻板3和后輻板6與中心線傾斜角α為15?30°。舌板10為圓環形，嵌入在前輪轂5與后輪轂9之間，沿舌板10圓周徑向均布多個舌板中心通道8，舌板中心通道8與渦輪盤內腔7相通，渦輪盤內腔7和轉子葉片冷卻通道連接。冷卻氣體進入渦輪盤內腔7。舌板中心通道8與盤緣冷氣通道I數目相同。舌板10與雙輻板渦輪盤為過盈配合。
[0025]雙輻板渦輪盤內腔7和葉片冷卻通道連接相通。渦輪盤的兩塊輻板相對于燃氣流動的方向分為前輻板3和后輻板6，輪轂分為前輪轂5和后輪轂9。前輻板3連接在渦輪盤盤緣4與前輪轂5，后輻板6連接在渦輪盤盤緣4和后輪轂9，前輻板3和后輻板6與徑向中心線的傾斜角α為15?30°。前輪轂5和后輪轂9之間有輪轂間隙，舌板10嵌入在兩輪轂間，增加了盤心處的軸向剛度。本實施例雙輻板渦輪盤盤心處通過熱變形方式嵌入舌板，舌板10為階梯變截面結構，舌板中心通道8部分伸入盤腔內部，另一部分留在盤腔外部，通過與雙輻板渦輪盤前輪轂5和后輪轂9過盈配合安裝，結構配合形式可有效增加雙輻板渦輪盤盤心處軸向剛度，增加其抵抗盤心處軸向變形的能力。冷卻氣體通過舌板中心通道8流入雙輻板渦輪盤的盤腔，變截面的冷卻通道可相應改變流經通道時冷氣的壓力和流速。
[0026]導流肋板2由導流肋板前緣21、導流肋板肋身22、導流肋板尾緣23組成，導流肋板2為葉片橫截面形結構，彎曲弧度與葉片型線一致，導流肋板2彎曲的方向和渦輪盤的旋轉方向相同。導流肋板2沿著旋轉方向從盤心向盤緣方向延伸，冷卻空氣流經導流肋板2時，流線型的外形會相應減少流動阻力，并且盤腔上的導流肋片旋轉會帶著冷卻氣體一同旋轉，增加了盤腔內部空氣的流速和壓力；增壓后的冷氣通過盤緣處的冷卻通道流入渦輪冷卻葉片。
[0027]圖6為雙輻板渦輪盤安裝在某型發動機渦輪中的結構。前輻板3與導向葉片11連接板連接，并采用密封墊圈12結構進行密封；前輪轂5與軸16上的軸套20前部通過前輻板緊固螺栓13固定連接；后輻板6與軸16上的軸套20后部通過后輻板緊固螺栓18連接。冷卻方式是通入冷卻氣體對渦輪盤進行對流換熱冷卻。從壓氣機中流出的動冷卻氣流01通過前軸套冷氣孔14進入盤軸腔15，靜葉冷卻氣流02部分通過后軸套冷氣孔19流入下一級渦輪級，大部分氣流通過舌板10流進入渦輪盤盤轂間隙最后流入渦輪盤內腔7，從盤緣冷氣通道I進入轉子葉片17內部，對葉片進行冷卻，最后從葉片尾緣流出，提高了冷卻氣體利用率。
【權利要求】
1.一種具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，包括渦輪盤，其特征在于:還包括前輻板、后輻板、導流肋板、舌板、前輪轂、后輪轂，所述渦輪盤盤緣上沿圓周徑向均布多個盤緣冷氣通道，所述前輻板內壁面上沿徑向和周向分層均布若干導流肋板，導流肋板彎曲方向與渦輪盤的旋轉方向相同，所述后腹板內壁面上沿徑向和周向分層均布若干導流肋板，導流肋板彎曲方向與渦輪盤的旋轉方向相同，前輻板和后輻板與中心線傾斜角α為15?30°，所述舌板為圓環形，沿舌板圓周徑向均布舌板中心通道，舌板嵌入在前輪轂與后輪轂之間，舌板中心通道與渦輪盤內腔相通，舌板中心通道與盤緣冷氣通道數量相同。
2.根據權利要求1所述的具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，其特征在于:所述前輻板上的導流肋板依中心向盤緣延伸為三層，導流肋板沿徑向交錯排列或等間距排列結構的任意一種。
3.根據權利要求1所述的具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，其特征在于:所述后腹板上的導流肋板依中心向盤緣延伸為二層，導流肋板沿徑向交錯排列結構或等間距排列結構的任意一種。
4.根據權利要求1所述的具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，其特征在于:所述導流肋板為葉片橫截面形結構，彎曲弧度與葉片型線一致。
5.根據權利要求1所述的具有盤腔導流肋板的雙輻板渦輪盤，其特征在于:所述舌板與雙輻板渦輪盤輪轂為過盈配合。
【文檔編號】F01D5/08GK104196572SQ201410335942
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】李磊, 張猛創, 仝福娟, 高文靜, 楊未柱, 楊帆, 曾小虎, 岳珠峰, 茍文選 申請人:西北工業大學