热管涡轮盘的制作方法
【专利摘要】本发明涉及热管涡轮盘的结构形式，在涡轮盘近似轴向对称的中心平面上，周向均匀布置数目为榫槽数目或叶片数目两倍的热管。其中有一半数目的热管在中间部位，有一段绝热衬套；另一半数目的热管无绝热衬套。有绝热衬套与无绝热衬套的热管交替布置。有绝热衬套的热管一端延伸到榫头顶部附近，另外一端延伸到盘心附近；而无绝热衬套的热管的一端延伸到榫槽底部附近，另一端可以延伸到盘心附近也可以只延伸到腹板附近。同时在盘心附近的表面，在半径小于某一值时绝热。使得盘上的温度分布呈现：盘的腹板区域温度最低，盘心温度高于盘的腹板区域温度但是低于盘缘温度。在同等条件下，相对传统涡轮盘而言，降低了涡轮盘的最大温度、最大应力以及质量。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新型航空发动机涡轮盘的结构形式，具体涉及用热管降低涡轮盘盘缘 的最高温度，盘心的最大应力，同时降低涡轮盘的质量。 热管涡轮盘
【背景技术】
[0002] 涡轮盘是航空发动机的核心部件之一，其工作在高温高转速的环境中。涡轮盘由 于受到高温气体的传热作用，其盘缘温度最高，盘心温度最低。涡轮盘的工作转速一般超 过lOOOOrpm，承受着极大的离心载荷作用，导致盘心的应力最高。此外盘缘温度高、盘心温 度低这种单调的温度分布形式导致涡轮盘盘心处的应力变得更高。而材料的许用应力取决 于其工作温度，一般而言，温度越高，许用应力越低。对于涡轮盘而言，虽然盘心温度低，许 用应力高，但是盘心应力也最高；而盘缘应力低，但是其温度最高，所以盘缘与盘心成为涡 轮盘的危险区域。传统的涡轮盘只能通过改善其冷却条件，以使涡轮盘盘缘温度降低，从而 被动地降低盘心应力。实际上，盘缘的温度高，主要由于轮盘材料的导热系数低引起的。若 盘缘处的导热系数升高，那么盘缘处的温度也能够得到很好地改善。此外，若盘上的温度分 布呈现盘心和盘缘高，而腹板低的分布形式，能有效地使涡轮盘盘心的应力降低，代价是盘 心的温度升高。由于材料在温度相对较低的范围内，即使温度升高，但是许用应力降低量很 少，因此以盘心温度升高的代价来换取应力的降低，在一定程度上是可行的。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为航空发动机提供一种简单可行的新型涡轮盘形式，可以有效降 低盘缘的温度，盘心的应力，同时降低涡轮盘的质量。
[0004] 该新型涡轮盘主要特征为：在涡轮盘内部，周向均匀布置热管，热管的数量为榫槽 或者叶片数量的两倍。热管由轮盘盘缘延伸到轮盘内缘，其中有一半数的热管中段有一段 有绝热衬套覆盖，有绝热衬套的热管的比较长，该热管在轮缘端延伸到榫头顶部附近，无绝 热衬套的热管在轮缘端延伸到榫槽底部附近，有绝热衬套的热管与无绝热衬套的热管在周 向交替分布。有绝热衬套的热管另外一端延伸到盘心附近，而无绝热衬套的热管的另一端 可以延伸到盘心附近也可以只延伸到腹板附近。此外，在涡轮盘的盘心附近的表面，在半径 小于某一位置时绝热。由于盘缘受到加热，盘表面受到冷却，因此在热管内的工质在盘缘附 近吸收热量蒸发成蒸汽，蒸汽在其他部位放出热量冷凝成液态，冷凝液由于轮盘旋转产生 的离心力返回到盘缘附近，形成循环。由于相变的潜热十分巨大，因此在两端温差较小的情 况下都能传递很大的热流，因而热管具有很高的传热特性。加入绝热衬套的热管的主要作 用是把盘缘受到的加热量部分引到盘心，由于盘心表面的封严绝热，导致这部分热量必须 由盘心向高半径位置通过轮盘材料进行传导，从而在盘心处形成负向的径向温度梯度，轮 盘上的温度分布即可呈现盘缘与盘心温度都高，而腹板处温度最低的情况。从而可以使得 轮盘盘心处的最大应力得以降低，同时由于交替布置了无绝热衬套的热管，从而使轮盘的 导热能力不会因为绝热衬套的存在而被削弱，从而提高了其导热能力，因此使盘缘的最高 温度得以下降。由于热管内并不是实心的，而是有少量的工作液而已，所以轮盘的质量同样 得以降低。
[0005] 本发明的热管涡轮盘与同样外形的传统无热管涡轮盘相比，在同样的热和机械环 境下，具有轮盘盘心最大应力低，盘缘最高温度低以及质量低的特点。因此，该涡轮盘可以 在冷气消耗量更小，涡轮前温度更高的情况下，轮盘的材料还可以满足强度要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1为本发明的热管涡轮盘外观示意图。
[0007] 图2为本发明的热管涡轮盘在图1所示的A-A剖面结构示意图。
[0008] 图3为本发明的热管涡轮盘在图1所示的B-B剖面结构示意图。
[0009] 图4为本发明的热管涡轮盘在图1所示的C-C剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0010] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0011] 如图1-4所示，本发明的热管涡轮盘1或24的中心，周向均匀加工与榫槽数目空 腔相等的空腔14或28以及22或27,空腔14或28由轮盘榫头顶部2或10或25附近延 伸至盘心5或7或16附近，空腔22或27有轮盘榫槽底部3或19或26附近延伸至盘心5 或7或16或者腹板8或17附近。空腔14或28中间放置具有很高绝热能力的衬套13或 29.如图2和图3所示，空腔14或28以及22或27抽成真空，并冲入一定量的液态工质11 或20,形成热管。该工质一般为液态金属。该工质在涡轮盘工作时，由于盘缘4处受到叶片 导热和高温气体的换热作用，温度升高，工质在高温情况下蒸发，并向低半径方向12或21 流动，在远离盘缘4的位置冷凝成冷凝液，由于离心力的作用，冷凝液沿着高半径方向15或 23流动，由此形成循环。此外在轮盘的外表面通过封严装置6,使得盘心表面附近绝热。
【权利要求】
1. 热管涡轮盘，其特征在于：在涡轮盘的内部，周向均匀布置热管。热管的总数为涡轮 盘榫槽数目或者叶片数目的两倍。其中有一半数目的热管的中间部分有一段绝热衬套；另 一半数目的热管无绝热衬套。有绝热衬套与无绝热衬套的热管交替布置；同时在涡轮盘盘 心附近的表面，在半径小于某一值时通过封严绝热。
2. 如权利要求1所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套的热管在盘缘附近的一端 延伸到涡轮盘榫头顶部附近，另一端延伸到盘心附近。
3. 如权利要求1或2所述的热管涡轮盘，其特征在于不带绝热衬套的热管在盘缘附近 的一端延伸到涡轮盘榫槽底部附近，另一端延伸到盘心附近或者延伸到腹板的位置。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于热管是通过在涡轮盘内加 工空腔，并抽真空加入液态工质形成的。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套的热管的长度 大于绝热衬套的长度，衬套必须使得热管两端裸露在衬套外，而且绝热衬套的内径大于或 等于热管的直径。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有带绝热衬套的热管尺 寸以及充液量都是一致的。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有不带绝热衬套的热管 尺寸以及充液量都是一致的。
8. 如权利要求1-7中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于所有的绝热衬套的尺寸以 及在涡轮盘上起始的径向位置都是一致的。
9. 如权利要求1-8中任一项所述的热管涡轮盘，其特征在于带绝热衬套与不带绝热衬 套的热管的尺寸以及充液量都不相同。
【文档编号】F01D5/08GK104121037SQ201410345078
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】丁水汀, 罗斌, 杜发荣 申请人:北京航空航天大学