涡轮盘、具有该涡轮盘的涡轮转子及燃气轮机的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种涡轮盘、具有该涡轮盘的涡轮转子及燃气轮机，该涡轮盘用于安装涡轮叶片并承受涡轮叶片的离心力，涡轮盘包括盘体及设于盘体上用于安装涡轮叶片的榫槽，榫槽上成对设有至少两个榫齿，成对的至少两个榫齿形成与涡轮叶片上的榫头相配合的连接部，榫齿包括靠近榫槽的壁面的齿根部及远离榫槽的壁面的齿顶部，齿根部为圆滑型面，齿顶部为折线型面。本实用新型一方面保持涡轮盘上榫齿的齿根部的圆滑型面不变，避免在齿根部出现突变点，另一方面，将涡轮盘上榫齿的齿顶部更改为折线型面，使得齿顶部受热膨胀变形时，通过塑性形变减少其与叶片间的接触应力，进而提高涡轮盘工作能力及寿命，进一步提高发动机寿命。
【专利说明】
涡轮盘、具有该涡轮盘的涡轮转子及燃气轮机
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃气轮机领域，特别地，涉及一种涡轮盘。此外，本实用新型还涉及一种包括上述涡轮盘的涡轮转子及具有该涡轮转子的燃气轮机。
【背景技术】
[0002]盘类零件，如风扇、压气机、涡轮盘等，是发动机的主要受力零件。轮盘的结构复杂，转速高，涡轮盘和高增压比压气机后几级轮盘的工作温度比较高，轮缘和轮心之间的温差很大，工作条件恶劣。轮盘一旦破坏，其后果往往是灾难性的。据统计，美国民用燃气涡轮发动机在1962?1972年的^^一年间，共发生转子非包容破裂故障239起，平均每月达1.81起。
[0003]经统计分析，所有轮盘和绝大多数轮缘的破裂均属于非包容性的。盘件的破裂碎片打穿发动机机匣后，便可能切断油路或操纵系统，穿透油箱与座舱，对驾驶员构成严重威胁。因此设计轮盘时，需从结构、强度、振动、工艺和材料等多方面采取积极措施，极力减少轮盘与转子发生故障，并设计出安全可靠而重量轻的轮盘。
[0004]燃气轮涡轮盘，是发动机最为重要的涡轮转子部件，其承受着复杂的循环热载荷及机械载荷，为了保证发动机在服役期间的稳定性和可靠性，迫切需要对涡轮盘的性能进行分析，结构进行优化。现有技术中，涡轮盘上榫齿的齿顶和齿根都是圆弧型的，即与叶片装配时，与叶片榫齿的齿顶和齿根不接触，存在小间隙，虽然装配叶片时很轻松，但考虑到工作状态时，叶片和涡轮盘均受到高温高压燃气作用会产生膨胀变形，榫齿的齿顶和齿根处就可能产生挤压接触力，而且该力会随着燃气温度的升高而显著增大，甚至会因为强度不够而导致齿面破坏。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供了一种涡轮盘、具有该涡轮盘的涡轮转子及燃气轮机，以解决现有的燃气轮机工作时由于涡轮盘、叶片受到高温高压燃气作用产生膨胀变形导致齿面破坏、可靠性不高的技术问题。
[0006]本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]根据本实用新型的一个方面，提供一种涡轮盘，用于安装涡轮叶片并承受涡轮叶片的离心力，涡轮盘包括盘体及设于盘体上用于安装涡轮叶片的榫槽，榫槽上成对设有至少两个榫齿，成对的至少两个榫齿形成与涡轮叶片上的榫头相配合的连接部，榫齿包括靠近榫槽的壁面的齿根部及远离榫槽的壁面的齿顶部，齿根部为圆滑型面，齿顶部为折线型面。
[0008]进一步地，齿顶部包括两个衔接至榫槽的壁面第一直线段，及设于两个第一直线段之间构成折线型面的第二直线段。
[0009]进一步地，第一直线段与榫槽的壁面之间的夹角、第一直线段与第二直线段之间的夹角相等。
[0010]进一步地，榫槽为枞树型榫槽。
[0011]进一步地，涡轮盘采用GH4698合金制成。
[0012]进一步地，榫槽上成对设置的榫齿数目为两个、四个或者六个。
[0013]根据本实用新型的另一方面，还提供一种涡轮转子，包括涡轮叶片及如上述的涡轮盘，涡轮叶片经榫头与涡轮盘上的榫槽配合连接。
[0014]进一步地，涡轮叶片的榫头上设有圆弧型榫齿，且涡轮叶片的榫头为枞树型榫头。
[0015]进一步地，涡轮叶片采用K403合金制成。
[0016]根据本实用新型的另一方面，还提供一种燃气轮机，其特征在于，包括如上述的涡轮转子。
[0017]本实用新型具有以下有益效果:
[0018]本实用新型涡轮盘、具有该涡轮盘的涡轮转子及燃气轮机，一方面保持涡轮盘上榫齿的齿根部的圆滑型面不变，避免在齿根部出现突变点，另一方面，将涡轮盘上榫齿的齿顶部更改为折线型面，使得齿顶部受热膨胀变形时，通过塑性形变减少其与叶片间的接触应力，进而提尚祸轮盘工作能力及寿命，进一步提尚发动机寿命。
[0019]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0020]构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0021 ]图1是本实用新型优选实施例涡轮盘的结构示意图；
[0022]图2是图1中A处的局部放大示意图。
[0023]附图标记说明:
[0024]10、盘体；
[0025]20、榫槽；
[0026]30、榫齿；
[0027]31、齿根部;
[0028]32、齿顶部；
[0029]321、第一直线段；
[0030]322、第二直线段；
[0031]40、涡轮叶片。
【具体实施方式】
[0032]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0033]参照图1，本实用新型的优选实施例提供了一种涡轮盘，用于安装涡轮叶片40并承受涡轮叶片40的离心力，涡轮盘包括盘体10及设于盘体10上用于安装涡轮叶片40的榫槽20，榫槽20上成对设有至少两个榫齿30，成对的至少两个榫齿30形成与涡轮叶片40上的榫头相配合的连接部，榫齿30包括靠近榫槽20的壁面的齿根部31及远离榫槽20的壁面的齿顶部32，本实施例中，齿根部31为圆滑型面，齿顶部32为折线型面。
[0034]本实施例涡轮盘，一方面保持涡轮盘上榫齿的齿根部的圆滑型面不变，由强度计算可知，涡轮盘的最薄弱处位于齿根部31处，为了避免在齿根部31出现突变点，保持该处的圆滑型面，且该处与叶片的间隙已满足设计要求;另一方面，将涡轮盘上榫齿的齿顶部32更改为折线型面，使得齿顶部32受热膨胀变形时，通过塑性形变减少其与叶片间的接触应力，进而提尚祸轮盘工作能力及寿命，进一步提尚发动机寿命。
[0035]参照图2，本实施例中，将齿顶部32原有的圆弧段更改为三个直线段，即包括两个衔接至榫槽20的壁面第一直线段321，及设于两个第一直线段321之间构成折线型面的第二直线段322。该结构保证了原有的榫槽20的直线段长度不变，所受的离心应力基本不变，且减少了部分材料，一定程度上减小了涡轮盘自身的离心应力。优选地，第一直线段321与榫槽20的壁面之间的夹角、第一直线段321与第二直线段322之间的夹角相等，即图2中所示的Θ1 = Θ2 = Θ3 = Θ4，且都取最大角度，四个结点作为结构上的突变点，均摊了由于涡轮盘和叶片受热膨胀引起的挤压应力。本实施例之所以不分成更多个直线段，原因在于:直线段越多，需要的拉刀数量就越多，成本越高，定位次数越多导致超差概率越大;而不设计成I段直线或2段直线，是因为此时产生的夹角Θ较小，产生的尖点容易破坏。经试验验证，本实施例的三段折线型面的涡轮盘结构可靠、使用寿命长。且在涡轮盘与叶片工作中受热产生膨胀变形时，原有结构的整个圆弧段都有接触，且接触应力较大;而本实施例结构的涡轮盘，在齿顶部32处仅有两个点与叶片接触，可以通过塑性形变减少其与叶片间的接触应力，进而提高涡轮盘工作能力及寿命，进一步提高发动机寿命。
[0036]本实施例中，涡轮盘上的榫槽20为枞树型榫槽。优选地，榫槽20上成对设置的榫齿30数目为两个、四个或者六个。图1所示的开设有为六个榫齿30的结构。优选地，涡轮盘采用GH4698合金制成，从而提尚其承受循环热载荷的能力。
[0037]根据本实用新型的另一方面，还提供一种涡轮转子，包括涡轮叶片40及如上述实施例的涡轮盘，涡轮叶片40经榫头与涡轮盘上的榫槽20配合连接。
[0038]本实施例中，涡轮叶片40的榫头上设有圆弧型榫齿，且涡轮叶片40的榫头为枞树型榫头。优选地，涡轮叶片40采用Κ403合金制成。Κ403是指国标牌号，具体参见GB/T 14992-2005高温合金和高温材料的分类和牌号。
[0039]根据本实用新型的另一方面，还提供一种燃气轮机，其特征在于，包括如上述实施例的涡轮转子。
[0040]从以上的描述可以得知，本实施例一方面保持涡轮盘上榫齿的齿根部的圆滑型面不变，避免在齿根部出现突变点，另一方面，将涡轮盘上榫齿的齿顶部更改为折线型面，使得齿顶部受热膨胀变形时，通过塑性形变减少其与叶片间的接触应力，进而提高涡轮盘工作能力及寿命，进一步提高发动机寿命。
[0041]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种涡轮盘，用于安装涡轮叶片(40)并承受所述涡轮叶片(40)的离心力，所述涡轮盘包括盘体(10)及设于所述盘体(10)上用于安装所述涡轮叶片(40)的榫槽(20)，其特征在于， 所述榫槽(20)上成对设有至少两个榫齿(30)，成对的至少两个榫齿(30)形成与所述涡轮叶片(40)上的榫头相配合的连接部，所述榫齿(30)包括靠近所述榫槽(20)的壁面的齿根部(31)及远离所述榫槽(20)的壁面的齿顶部(32)，所述齿根部(31)为圆滑型面，所述齿顶部(32)为折线型面。2.根据权利要求1所述的涡轮盘，其特征在于， 所述齿顶部(32)包括两个衔接至所述榫槽(20)的壁面第一直线段(321)，及设于两个所述第一直线段(321)之间构成折线型面的第二直线段(322)。3.根据权利要求2所述的涡轮盘，其特征在于， 所述第一直线段(321)与所述榫槽(20)的壁面之间的夹角、所述第一直线段(321)与所述第二直线段(322)之间的夹角相等。4.根据权利要求1至3任一所述的涡轮盘，其特征在于， 所述榫槽(20)为枞树型榫槽。5.根据权利要求4所述的涡轮盘，其特征在于， 所述涡轮盘采用GH4698合金制成。6.根据权利要求5所述的涡轮盘，其特征在于， 所述榫槽(20)上成对设置的榫齿(30)数目为两个、四个或者六个。7.—种涡轮转子，其特征在于，包括涡轮叶片(40)及如权利要求1至6任一所述的涡轮盘，所述涡轮叶片(40)经榫头与所述涡轮盘上的榫槽(20)配合连接。8.根据权利要求7所述的涡轮盘，其特征在于， 所述涡轮叶片(40)的榫头上设有圆弧型榫齿，且所述涡轮叶片(40)的榫头为枞树型榫头。9.根据权利要求8所述的涡轮盘，其特征在于， 所述涡轮叶片(40)采用K403合金制成。10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求7至9任一所述的涡轮转子。
【文档编号】F01D5/02GK205532724SQ201620279615
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】万俊斌, 李水姣, 姜玫竹, 黄谭喜, 赵林
【申请人】中国南方航空工业(集团)有限公司