一种三辐板涡轮盘及发动机制造技术

本发明专利技术提供了一种三辐板涡轮盘及发动机，涡轮盘包括轮缘、轮毂以及连接轮缘和轮毂的辐板结构，辐板结构包括前辐板、中辐板和后辐板，前辐板、中辐板和后辐板的上端连接轮缘、下端连接轮毂。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。刚度要求。刚度要求。

【技术实现步骤摘要】
一种三辐板涡轮盘及发动机


[0001]本专利技术属于航空发动机，高压燃气轮机
，具体地说,涉及一种三辐板涡轮盘及发动机。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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]专利Twin
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web rotor disk(美国专利号5,961,287，1999
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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.Department of Defense.Integrated high performanceturbine engine technology(IHPTET)[R].Gas Turbine Forecast,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。
[0004]专利Twin
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web rotor disk(美国专利号5,961,287，1999
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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。
[0005]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。
[0006]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。本专利技术运用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。基于本专利技术，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。

技术实现思路

[0007]鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种三辐板涡轮盘及发动机，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。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步地，所述后辐板呈弧形结构。
[0013]进一步地，所述三辐板涡轮盘采用3D打印制成。
[0014]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。
[0015]一种发动机，具有上述的三辐板涡轮盘。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：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
[0017]图1本专利技术三孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；
[0018]图2本专利技术拓扑优化几何模型；
[0019]图3本专利技术EAMP材料插值模型；
[0020]图4本专利技术优化流程图；
[0021]图5本专利技术四孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；
[0022]图6本专利技术五孔洞三辐板涡轮盘结构示意图；
[0023]图7传统单辐板涡轮盘结构、典型双辐板涡轮盘与本专利技术的三辐板涡轮盘结构；
[0024]图8传统单辐板涡轮盘结构有限元分析；
[0025]图9典型双辐板涡轮盘结构有限元分析；
[0026]图10三辐板结构1涡轮盘结构有限元分析；
[0027]图11三辐板结构2涡轮盘结构有限元分析
[0028]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
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三辐板涡轮盘，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，其特征在于：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。2.如权利要求1所述的一种三辐板涡轮盘，其特征在于：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。3.如权利要求2所述的一种三辐板涡轮盘，其特征在于：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)。4.如权利要求1所述的一种三辐板涡轮盘，其特征在于：所述后辐板呈弧形结构。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓明，闫浩，林仪斌，梁闽川，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：