三辐板涡轮盘

本发明属于航空发动机，高压燃气轮机技术领域，具体地说,涉及一种三辐板涡轮盘。此涡轮盘连接轮毂与轮缘的不对称三辐板结构提高了涡轮盘承受离心载荷、径向载荷和切向载荷的能力。改善了涡轮盘整体的应力分布。同时由于孔洞的存在，也减轻了涡轮盘的质量。

背景技术：

传统涡轮盘采用单辐板结构形式，目前单辐板涡轮盘已经达到了结构设计极限，严重限制了发动机的进一步发展。随着以3d打印技术的发展，新颖设计的涡轮盘结构的制造瓶颈得到克服，承载能力更高、更为轻量化的涡轮盘创新设计成为航空发动机和燃气涡轮机设计的核心技术之一。

专利twin-webrotordisk(美国专利号5,961,287，1999-10-5)中提到一种新型的、区别于以前单辐板的双辐板涡轮盘。这种涡轮盘在轴向上由前后两个辐板组成，两个辐板围成一个中心盘腔。与单辐板涡轮盘相比，在满足轮盘强度以及刚度要求的前提下，双辐板较之单幅板涡轮盘可以减重1/4。由于双辐板涡轮盘呈现的突出优势，美国开展的综合高性能涡轮发动机技术计划(ihptet)(u.s.departmentofdefense.integratedhighperformanceturbineenginetechnology(ihptet)[r].gasturbineforecast,archived,2006)中将双辐板涡轮盘指定为高压涡轮盘结构的未来发展趋势。

专利twin-webrotordisk(美国专利号5,961,287，1999-10-5)所提出双辐板涡轮盘的典型结构在径向截面一般具有对称的结构形式，而不同类型航空发动机和高压燃气轮机，其涡轮在离心载荷和气动载荷下，涡轮盘径向和切向受力不同，载荷状态非常复杂且不具有对称性，一个对称结构承受复杂的不对称载荷，其应力均匀性必然受到影响。因此双辐板结构并不是涡轮盘的最优结构。进一步研究涡轮盘在工作中的载荷状况，在满足强度和刚度要求下设计受力均匀、重量轻的涡轮盘对于提升航空发动机和燃气轮机的性能具有重要意义。

随着结构拓扑优化应用领域的拓展，在各类载荷条件下结构的拓扑优化方法研究引起工程领域的关注。惯性载荷作为常见的设计相关载荷，在很多结构中存在。例如在大型土木建筑中，结构的自重通常是不可忽略的重要载荷之一；在汽轮机以及航空航天飞行器中，结构承受加速度或角速度所带来的惯性载荷，如航空发动机涡轮工作时要承受极大的离心力，飞行器的承力结构在发射阶段要承受加速度带来的惯性载荷。

但是在基于变密度拓扑优化时，一是传统的simp插值模型在惯性载荷下会出现“材料附属效应”，二是惯性载荷下结构整体柔度对结构参数(单元密度)不具有单调性，其灵敏度不再恒为负值，因此优化准则法的求解算法无法求解惯性载荷条件下的拓扑优化问题。三是求解过程中的灰度抑制过强会导致收敛到非优化解，过弱又会不收敛或者灰度单元多。本发明运用eamp插值模型，提出一种载荷敏度抑制方法和动态灰度抑制方法。基于本发明，得到了一种三辐板涡轮盘优化结构，并且提供了一种在优化准则法基础上解决惯性载荷拓扑优化中敏度非单调问题和拓扑结构灰度单元多，边界不清晰问题，适用于惯性载荷的结构拓扑优化设计方法。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种三辐板涡轮盘，旨在提供一种适应航空发动机和燃气轮机涡轮工作环境的涡轮盘结构,在离心载荷和气动载荷下改善涡轮盘的应力分布均匀性，提高涡轮盘的承载能力，同时减轻涡轮盘盘体结构重量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种三辐板涡轮盘，所述涡轮盘包括轮缘1、轮毂2以及连接轮缘1和轮毂2的辐板结构，所述辐板结构包括前辐板3、中辐板和后辐板，所述前辐板3、中辐板和后辐板的上端连接轮缘1、下端连接轮毂2。

进一步地，所述中辐板和后辐板交叉设置。

进一步地，所述中辐板和后辐板交叉设置，以形成中辐板上部7、中辐板下部4、后辐板上部6和后辐板下部5，中辐板上部7和后辐板上部6与轮缘1连接，中辐板下部4和后辐板下部5与轮毂2连接。

进一步地，所述前辐板3、后辐板上部6和中辐板下部4之间围成第一孔洞8，中辐板上部7、后辐板上部6和轮缘1之间围成第三孔洞10，中辐板下部4、后辐板下部5与轮毂2之间围成第二孔洞9。

进一步地，所述后辐板呈弧形结构。

进一步地，所述三辐板涡轮盘采用3d打印制成。

一种三辐板涡轮盘，所述涡轮盘包括轮缘1、轮毂2以及连接轮缘1和轮毂2的辐板结构，所述辐板结构包括前辐板3、中辐板和后辐板，所述前辐板3、中辐板和后辐板的上端连接轮缘1、下端连接轮毂2，所述中辐板和后辐板交叉设置；所述中辐板和后辐板交叉设置，以形成中辐板上部7、中辐板下部4、后辐板上部6和后辐板下部5，中辐板上部7和后辐板上部6与轮缘1连接，中辐板下部4和后辐板下部5与轮毂2连接；所述前辐板3、后辐板上部6和中辐板下部4之间围成第一孔洞8，中辐板上部7、后辐板上部6和轮缘1之间围成第三孔洞10，中辐板下部4、后辐板下部5与轮毂2之间围成第二孔洞9；所述后辐板呈弧形结构。

一种发动机，具有上述的三辐板涡轮盘。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：有效承载轮缘上涡轮叶片以及涡轮盘自身的离心载荷，后辐板与支撑结构的弧形结构有利于承载轮缘上涡轮叶片传递的气动切向载荷；孔洞的设置使得涡轮盘轻量化；满足强度、刚度要求。

附图说明

图1本发明三孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；

图2本发明拓扑优化几何模型；

图3本发明eamp材料插值模型；

图4本发明优化流程图；

图5本发明四孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；

图6本发明五孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；

图7传统单辐板涡轮盘结构、典型双辐板涡轮盘与本发明的三辐板涡轮盘结构；

图8传统单辐板涡轮盘结构有限元分析；

图9典型双辐板涡轮盘结构有限元分析；

图10三辐板结构1涡轮盘结构有限元分析；

图11三辐板结构2涡轮盘结构有限元分析

图中轮缘1、轮毂2、前辐板3、中辐板下部4、后辐板下部5、后辐板上部6、中辐板上部7、第一孔洞8、第二孔洞9、第三孔洞10、第一分叉11、第二分叉12、第四孔洞13。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例一

如图1所示，一种三辐板涡轮盘，所述涡轮盘包括轮缘1、轮毂2以及连接轮缘1和轮毂2的辐板结构，所述辐板结构包括前辐板3、中辐板和后辐板，所述前辐板3、中辐板和后辐板的上端连接轮缘1、下端连接轮毂2。

实施例二

在实施例一的基础上，进一步设置，所述中辐板和后辐板交叉设置。

实施例三

在实施例一的基础上，进一步设置，所述中辐板和后辐板交叉设置，以形成中辐板上部7、中辐板下部4、后辐板上部6和后辐板下部5，中辐板上部7和后辐板上部6与轮缘1连接，中辐板下部4和后辐板下部5与轮毂2连接。

实施例四

在实施例三的基础上，实施例四为，所述前辐板3、后辐板上部6和中辐板下部4之间围成第一孔洞8，中辐板上部7、后辐板上部6和轮缘1之间围成第三孔洞10，中辐板下部4、后辐板下部5与轮毂2之间围成第二孔洞9。

实施例五

在实施例四的基础上，实施例五为，所述后辐板呈弧形结构。

以上实施例中的三辐板均可采用3d打印制成，基于以上对于涡轮盘的改进，本发明中的涡轮盘可应用于航空发动机中。

由于涡轮盘不仅需要承受高速旋转产生的离心载荷同时需要承受涡轮叶片带来的较大的径向力与切向力，因此相比较普通的单辐板和双辐板结构，三辐板涡轮盘在不仅增加了一个中辐板，同时还增加了一个斜向的支撑结构。通过增加中辐板与支撑结构，增强了涡轮盘整体的承载能力，使得涡轮盘整体的综合位移和应力都有效减少。改善了涡轮盘的应力分布，提高了涡轮盘的寿命。

针对上述三辐板涡轮盘，本发明的设计方法如下：

1、建立涡轮盘径向截面拓扑优化设计域如图2所示，设计域长l和宽d按工程实际取值；涡轮盘轮缘上按涡轮叶片尺寸设为非拓扑优化设计域，即，涡轮盘轮缘安装涡轮叶片处的尺寸(图2中的黑色部分)为非拓扑优化设计域；涡轮盘转轴半径为r，转速为ω；涡轮盘转动轴一侧固定位移约束；全局离心力f1，叶轮离心力和气动载荷在径向的分力f2，气动载荷在切向的分力f3；材料的密度为ρ0,弹性模量为e0；体积约束分数为f；

2、设计拓扑优化数学模型：基于变密度法以结构柔度为目标的拓扑优化数学模型如式(1)

其中，x为设计域内有限单元的单元相对密度；n为单元总数；c为结构柔度；k、u与f分别为结构整体刚度矩阵、位移向量与载荷向量；vi为单元体积；v0、f分别为初始设计域体积和体积分数；xmin为设计变量的下限；

3、运用一种eamp材料插值模型，数学表达式如式(2)，基于此模型根据单元相对密度和单元的弹性模量e(xi)为：

4、根据有限元计算，得出涡轮盘截面的位移矩阵u，并且进一步计算目标函数，即结构应变能c；

5、灵敏度计算，目标函数对单元密度的灵敏度。

其中

6、根据优化准则法，数学模型(1)式的求解迭代：

其中k为迭代次数，η为阻尼系数，m为移动步长；为迭代求解格式，λ1为拉格朗日乘子；基于拉格朗日函数以及k-t条件容易推导得表达式(8)：

7、提出一种载荷敏度抑制方法。在表达式(8)当中加入一个载荷敏度抑制因子；通过该因子的抑制作用，使得目标函数保持单调；增加载荷敏度抑制因子之后的表达式如式(9)所示：

其中，为载荷敏度抑制因子，s的取值如下式(10)

l的取值范围可以从极小到无穷大，l的取值不同代表对载荷敏度的抑制程度不同，l越小则抑制程度越小，即载荷敏度保留的越多；l越大则抑制程度越大，即载荷敏度保留的越少；

8、提出一种动态灰度抑制方法。基于灰度抑制的方法，新的迭代格式(11)为：

其中，q是随着优化步数变化而变化的动态灰度抑制因子，如下式(12)；

q＝1+δk(12)

其中，δ为抑制步长，可以根据具体的优化问题不同而取不同的值，一般取0.02或更小，与优化问题的迭代步数相关；

9、收敛判断：根据收敛条件式(13)判断更新后的设计变量-单元密度是否达到收敛；如果不满足收敛条件，则继续进行下一步循环迭代，直至达到收敛条件；

其中，和分别为第k+1和k次的i单元密度，ε为收敛精度，一般可以取0.001或更小。

与传统的单辐板和双辐板涡轮盘相比，本发明适用于更加复杂的载荷条件，增加的中辐板和支撑结构，提高了辐板与轮缘、轮毂连接处的周向、径向、轴向的承载能力，改善了涡轮盘的应力分布均匀性，同时由于孔洞的存在，也减轻了涡轮盘的质量。

如图7所示，展示了传统的单辐板、双辐板涡轮盘结构和依托本发明的两种三辐板结构，其中运用本发明拓扑优化方法在表一条件下设计出两种三辐板结构：三辐板结构1与单辐板结构质量相当(减轻1％)，与典型双辐板结构质量相当(减轻2％)；三辐板结构2与单辐板结构相比减重11％，与典型双辐板结构相比减重12％。

通过有限元计算，各种涡轮盘的综合位移、辐板最大vm应力、整体平均应力比较如下表：

表1传统单辐板涡轮盘与三辐板结构1相比

表2传统单辐板涡轮盘与三辐板结构2相比

表3典型双辐板涡轮盘与三辐板结构1相比

表4典型双辐板涡轮盘与三辐板结构2相比

由上面的表可以看出，当典型双辐板与传统单辐板质量相当时，双辐板的综合位移，最大vm应力，整体平均应力有所降低，说明基于专利twin-webrotordisk(美国专利号5,961,287，1999-10-5)所提出双辐板涡轮盘与传统单辐板涡轮盘相比性能有所改进。由表1，3可以看出，当三辐板1与传统单辐板和典型双辐板整体质量基本相当时，其综合位移，最大vm应力，整体平均应力均有大幅下降。由表2，4可以看出，在三辐板2与传统单辐板和典型双辐板相比整体质量分别下降11％，12％时，三辐板2的综合位移，最大vm应力，整体平均应力也有较大幅度下降。因此可以得出本发明的三辐板涡轮盘相对于传统的单辐板和典型双辐板涡轮盘具有更好的工作性能，其优良的效果可从图8、9、10、11中的有限元分析结果得知。

参照图5、图6，孔洞的数量可以是三个，还可以是四个、五个或者更多，只是结构上变化，未脱离三辐板的本质。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：有效承载轮缘上涡轮叶片以及涡轮盘自身的离心载荷，后辐板与支撑结构的弧形结构有利于承载轮缘上涡轮叶片传递的气动切向载荷；孔洞的设置使得涡轮盘轻量化；满足强度、刚度要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。