一种涡轮散热结构

摘要

本发明提供一种涡轮散热结构，包括整体式涡轮和导流盘，所述导流盘固定套装在整体式涡轮的轮毂处，整体式涡轮包括涡轮盘和其外圆周面上的多个涡轮叶片；涡轮盘上均布多个通流孔，导流盘的外侧面上设有多个同心圆布置的导流盘壁齿，轮毂上也设有若干圈等距排列的轮毂壁齿，导流盘的翻边端部上沿圆周方向设置多个切槽。本发明的设置在涡轮盘叶片根部处的多个通流孔结构，一方面可以有效地对叶片根部实施冷却，对于整个涡轮结构而言，提高了叶片根部的材料利用率，增加了根部结构处的应力许用上限，改善了局部敏感区域的强度特性。

权利要求

1.一种涡轮散热结构，其特征在于：包括整体式涡轮和导流盘；

所述整体式涡轮包括涡轮盘和一体形成在所述涡轮盘外圆周面上的多个涡轮叶片，所述导流盘的导流盘轮毂固定套装在所述涡轮盘的涡轮盘轮毂处并且所述导流盘的翻边端部的外缘面压紧在所述涡轮盘的第一侧面外端部处，在所述导流盘的第一侧面和所述涡轮盘的第一侧面之间形成一环形空腔；在所述涡轮盘的外端部上开有多个通流孔，所述通流孔位于所述导流盘的翻边端部的外缘面的内侧并与所述环形空腔相贯通；在所述导流盘上设有多个导流孔，所述导流孔与所述环形空腔相贯通；在所述导流盘的翻边端部的外缘面上开有多个切槽，多个所述切槽与所述环形空腔相贯通。

2.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述切槽为斜切槽，斜切槽正向倾角为锐角。

3.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述切槽的槽面侧壁呈涡旋线形式设置。

4.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述导流盘与所述涡轮盘之间形成的环形空腔的中部宽度大于所述环形空腔的径向内侧宽度和所述环形空腔的径向外侧宽度。

5.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述导流孔与所述环形空腔的径向内侧端部相贯通；

所述通流孔与所述环形空腔的径向外侧端部相贯通。

6.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：在所述导流盘的第二侧面上以所述导流盘的中心为圆心设有多个同心圆布置的导流盘壁齿，多个所述导流盘壁齿的高度以所述导流盘的中心向外逐渐减小，其中最内侧的所述导流盘壁齿位于所述导流孔的径向外侧。

7.根据权利要求6所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述导流盘壁齿的个数为四个；

相邻所述导流盘壁齿的高度之间的差值为△h，取值范围为：0.1mm～0.5mm。

8.根据权利要求1所述的涡轮散热结构，其特征在于：在所述导流盘轮毂的外圆周面上设有多圈轮毂壁齿，多圈所述轮毂壁齿的高度以所述涡轮盘为基础，距离所述涡轮盘越近的所述轮毂壁齿的高度越小；

其中最高的所述轮毂壁齿位于所述导流孔的径向内侧。

9.根据权利要求8所述的涡轮散热结构，其特征在于：所述轮毂壁齿的圈数为五圈；

所述轮毂壁齿为等间距排列，相邻所述轮毂壁齿之间的高度差为△h，取值范围为：

0.1mm～0.5mm。

说明书

一种涡轮散热结构

技术领域

[0001] 本发明属于旋转动力机械涡轮结构设计领域，具体而言，本发明涉及一种涡轮散热结构，具体指一种用在盘片一体式涡轮，提高封严效果及降低叶片向轮盘传热量的散热结构。

背景技术

[0002] 燃气涡轮发动机的涡轮盘是燃气涡轮的关键零件，承受着严酷的热和机械的负荷，工作条件非常恶劣，为保证运行期间涡轮盘结构的机械性能，继而保证其寿命和可靠性，提供涡轮盘的封严效果，防止高温燃气直接冲击涡轮盘，同时尽可能降低涡轮盘的工作温度至关重要。

[0003] 基于工艺制造及设备维护的更换考虑，在实际生产中，涡轮叶片和涡轮盘通常单独加工制备，然后再组装在一起，该种形式的涡轮结构通常称为分体式涡轮。分体式涡轮由带榫头的叶片和带榫槽的轮盘两部分组成，榫头插入榫槽，形成涡轮盘体，并由导流盘沿轴向压紧各叶片榫头，防止叶片松动。为降低轮盘热负荷，榫头与榫槽周边留有通流间隙，供冷却气体流过，既冷却叶片，也减少叶片根部向轮盘的传热量。

[0004] 对于微小型燃气涡轮机械，由于几何尺度的限制，分体式涡轮结构复杂，加工难度、成本极高，虽然一定程度上利于局部故障叶片的更换，但热流密度大，热负荷高，在相同材料的情况下，不利于可靠性、寿命的保证。基于上述情况，将分体式涡轮改进为整体式，在保证其它零件结构不变的前提下，既能简化涡轮结构、降低成本，还能保证可靠性、寿命、功能性等要求。然而对于整体式涡轮，其冷却及封严技术在目前的科研及生产实践中尚未得到充分的研究，成为影响整体式涡轮技术发展的一个瓶颈之一。目前，整体式涡轮盘的冷却基本采用冷却空气直接流经涡轮盘带走热量。然而现有涡轮盘的封严结构和冷却散热结构往往独立设计，二者之间缺乏有效的配合和协同作用，导致设计出的涡轮盘结构要么具有好的封严效果而冷却效果差，要么冷却效果好而封严效果差。因而，迫切需要针对整体式涡轮的结构特点，提供有效的冷却及封严技术。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种涡轮散热结构，以至少解决现有技术的整体式涡轮的封严结构和冷却散热结构无法协同配合的技术问题，以及进一步地解决现有技术中冷却气体利用率不高的技术问题。

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供一种涡轮散热结构，其技术方案如下：

[0007] 一种涡轮散热结构，包括整体式涡轮和导流盘；所述整体式涡轮包括涡轮盘和一体形成在所述涡轮盘外圆周面上的多个涡轮叶片，所述导流盘的导流盘轮毂固定套装在所述涡轮盘的涡轮盘轮毂处并且所述导流盘的翻边端部的外缘面压紧在所述涡轮盘的第一侧面外端部处，在所述导流盘的第一侧面和所述涡轮盘的第一侧面之间形成一环形空腔；在所述涡轮盘的外端部上开有多个通流孔，所述通流孔位于所述导流盘的翻边端部的外缘面的内侧并与所述环形空腔相贯通；在所述导流盘上设有多个导流孔，所述导流孔与所述环形空腔相贯通。

[0008] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：在所述导流盘的翻边端部的外缘面上开有多个切槽，多个所述切槽与所述环形空腔相贯通。

[0009] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述切槽为斜切槽，斜切槽的正向倾角为锐角。

[0010] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述切槽的槽面侧壁呈涡旋线形式设置。

[0011] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述导流盘与所述涡轮盘之间形成的环形空腔的中间宽度大于内侧宽度和外侧宽度。

[0012] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述导流孔与所述环形空腔的内侧端部相贯通；所述通流孔与所述环形空腔的外侧端部相贯通。

[0013] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：在所述导流盘的第二侧面上以所述导流盘的中心为圆心设有多个同心圆布置的导流盘壁齿，多个所述导流盘壁齿的高度以所述导流盘的中心向外逐渐减小，其中最内侧的所述导流盘壁齿位于所述导流孔的外侧。

[0014] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述导流盘壁齿的个数为四个；相邻所述导流盘壁齿的高度之间的差值为△h，取值范围为：0.1mm～0.5mm。

[0015] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：在所述导流盘轮毂的外圆周面上设有多圈轮毂壁齿，多圈所述轮毂壁齿的高度以所述涡轮盘为基础，距离所述涡流盘越近的所述轮毂壁齿的高度越小；其中最高的所述轮毂壁齿位于所述导流孔的内侧。

[0016] 在上述涡轮散热结构中，进一步优选为：所述轮毂壁齿的圈数为五圈；所述轮毂壁齿为等间距排列，相邻所述轮毂壁齿之间的高度差为△h，取值范围为：0.1mm～0.5mm。

[0017] 分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

[0018] 一、本发明通过在涡轮盘上设置通流孔，以及通过导流盘上的高度变化的导流盘壁齿及设置在导流盘外端部上的多个切槽结构，使得本发明的可以极大地改善涡轮叶片根部的冷却散热效果；并且该结构具有结构简单，加工成本低；形式灵活，尺寸调整便利；以及提高涡轮叶片根部关键区域的许用应力极限，改善了结构强度特性等一系列的优点。

[0019] 二、本发明设置的通流孔和切槽结构，可以使涡轮叶片根部内外均起到冷却散热效果，通过切槽对涡轮叶片根部的外部进行冷却，同时通过通流孔多涡轮叶片根部的内部进行冷却。

[0020] 三、本发明的环形空腔的宽度设置为由内向外逐渐增大；这样冷却气流在环形空腔中由内向外的流动中压力逐渐膨胀，气流速度逐渐增大；可以同时满足后续通流孔和切槽结构对冷却气体的需求。

[0021] 四、本发明的导流孔位于环形空腔的内侧端部，通流孔位于环形空腔的外侧端部，可以使环形空腔得到充分利用。

附图说明

[0022] 图1为本发明优选实施例的涡轮散热结构的装配图。

[0023] 图2为本发明优选实施例的涡轮散热结构的后视图。

[0024] 图3为本发明优选实施例的涡轮散热结构的散热流道图。

[0025] 图4为本发明优选实施例的涡轮散热结构中的导流盘的立体图。

[0026] 图5为本发明优选实施例的涡轮散热结构中的导流盘的后视图。

[0027] 图6为本发明优选实施例的涡轮散热结构中的导流盘的主视图。

[0028] 图7为本发明优选实施例的涡轮散热结构中的导流盘的剖视图。

[0029] 图8为图7中的Ⅱ局部放大图。

[0030] 图9为图7中的Ⅰ局部放大图。

[0031] 图10为本发明的斜切槽的示意图。

[0032] 图11为本发明的切槽的两种母线结构示意图。

[0033] 图中，1-整体式涡轮；11-涡轮盘；12-涡轮叶片；13-通流孔；14-涡轮盘轮毂；15-外端部；

[0034] 2-导流盘；21-导流盘壁齿；22-导流孔；23-切槽；230-径向轮廓线；231-直线型母线；232-涡线型母线；24-轮毂壁齿；25-导流盘轮毂；26-翻边；3-环形空腔。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0036] 如图1、图2所示，本发明优选实施例的涡轮散热结构主要包括整体式涡轮1和导流盘2，整体式涡轮1包括涡轮盘11和一体形成在涡轮盘11外圆周面上的多个涡轮叶片12，导流盘2的导流盘轮毂25固定套装在涡轮盘11的涡轮盘轮毂14处并且导流盘2的翻边26端部的外缘面压紧在涡轮盘11的第一侧面外端部15处(即涡轮叶片12的根部位置)，在导流盘2的第一侧面和涡轮盘11的第一侧面之间形成一环形空腔3；在涡轮盘11的外端部15上开有多个通流孔13，其贯穿涡流盘11，通流孔13位于导流盘2的翻边26端部的外缘面的内侧并与环形空腔3相贯通；在导流盘2上设有多个导流孔22，导流孔22与环形空腔3相贯通。

[0037] 具体而言，如图3所示，在工作时，冷却气体由导流孔22进入环形空腔3内，气流行至导流盘2的外圆周部的环形空腔3处，由设置在涡轮盘11的通流孔13从涡轮盘11的第一侧面流向第二侧面，由于这些通流孔13对应设置在涡轮叶片12的根部，从而实现了对涡轮叶片12的根部内侧的有效冷却。

[0038] 为了能够对涡轮叶片12的根部的内侧和外侧都实现有效冷却，如图3所示，在导流盘2的翻边26端部的外缘面上开有多个切槽23，多个切槽23与环形空腔3相贯通。

[0039] 如图4、图5、图6所示，切槽23为斜切槽(即切槽的截面形状为平行四边形)，斜切槽的正向倾角为锐角。也可以说该斜切槽倾角与轮盘轴线成正向夹角，夹角为锐角。如图10所示，切槽夹角a为锐角，x1为切槽中心线，x2为轮盘轴线，切槽夹角的设置与转子转动方向有关；锐角时，切槽出口气流方向与燃气流动方向相同，形成顺流，在燃气流的压力下利于气模压缩成型。若二者互为逆流时，气模气流会被吹散成湍流，无法形成冷却气模。如图4所示，斜切槽的槽面侧壁线为带斜角的直线型母线231。这样的结构可以使气流在从切槽23中流出时可以加速气流的旋转，从而为涡轮叶片12形成较大的冷却气膜。

[0040] 如图4所示，切槽23的槽面侧壁呈涡旋线形式设置(即切槽23的槽面侧壁线为涡线型母线232)。再如图11所示，切槽23有径向轮廓线230和轴向轮廓线，在本发明中，所指的槽面侧壁线是指轴向轮廓线，即直线型母线231和涡线型母线232。该结构同上面介绍到的斜切槽，也是为了使气流在从切槽中流出时可以加速气流的旋转，从而为涡轮叶片12形成较大的冷却气膜，但涡旋线形式的切槽其旋流效果要优于斜切槽。

[0041] 为了能够使冷却气体的冷却功能最大化，本发明的导流盘2与涡轮盘11之间形成的环形空腔3的中间宽度大于内侧宽度和外侧宽度。方向沿径向由内向外，内是指靠近圆心处，外是靠近轮缘外端；环形空腔内、外侧宽度小于中部，内侧为空气进口，外侧为空气出口；空气流动的作用过程为，进口流向中部，气压增大流速减小，空气从出口流出时，为由宽口流向窄口，压力减小速度增大。此处的速度特指外侧口的初试出口速度，中部压力越大，出口的初试速度也越大，越利于冷却气模的形成。这样气流在环形空腔3由内向外的流动中压力逐渐膨胀，气流速度逐渐增大。具体为：导流盘2的第一侧面设有环槽，环槽的深度(在图3所示的为水平方向的宽度)由内向外逐渐增大；涡轮盘11的第一侧面设有环槽，环槽的深度(在图3所示的为水平方向的宽度)由内向外逐渐增大；由导流盘2的环槽和涡轮盘11的环槽相互扣合形成环形空腔3。

[0042] 为了能够充分利用冷却气体，如图3所示，本发明的导流孔22位于环形空腔3的内侧端部，通流孔13位于环形空腔3的外侧端部。本发明将导流孔22设置在环形空腔3的最内侧(即内侧端部)和将通流孔13设置在环形空腔3的最外侧(即外侧端部)，在这种情况下，可以使环形空腔3得到充分利用。

[0043] 为了能够为冷却气体提供导向作用，如图1、图2、图3、图7和图8所示，本发明在导流盘2的第二侧面上以导流盘2的中心为圆心设有多个同心圆布置的导流盘壁齿21，即沿垂直于导流盘2的轴线方向上，在导流盘的第二侧面上设置有多个导流盘壁齿21，多个导流盘壁齿21的高度以导流盘2的中心向外逐渐减小，其中最内侧的导流盘壁齿21位于导流孔22的外侧。越靠近导流盘2的轴线位置的高度越大，如图8所示，进一步优选为：导流盘壁齿21的个数为四个；其高度由内向外(在图8所示为从下向上)分别为h1、h2、h3、h4，即h1>h2>h3>h4，进一步优选为相邻导流盘壁齿21的高度之间的差值为△h，取值范围为：0.1mm～0.5mm，该高度差值可以根据实际情况适当调整。在本发明中，设置四个导流盘壁齿21可以最大程度地实现迎流面的冷却气体的导向，并且高度差的取值也是为了充分利用冷却气体设置。

[0044] 为了能够为冷却气体提供导向作用，如图1、图2、图3、图7和图9所示，本发明在导流盘轮毂25的外圆周面上设有多圈轮毂壁齿24，多圈轮毂壁齿24的高度以涡流盘1为基础，距离涡流盘1越近的轮毂壁齿24的高度越小；其中最高的轮毂壁齿24位于导流孔22的内侧。如图9所示，优选为：轮毂壁齿24的圈数为五圈，其高度分别为h5、h6、h7、h8、h9，越靠近涡流盘1的轮毂壁齿24的高度(在图9所示为从左至右)越小，即h5>h6>h7>h8>h9。进一步优选为：
轮毂壁齿24为等间距排列，相邻轮毂壁齿24之间的高度差为△h，取值范围为：0.1mm～
0.5mm，该高度差值可以根据实际情况适当调整。在本发明中，设置五圈轮毂壁齿24可以最大程度地实现迎流面的冷却气体的导向，并且高度差的取值也是为了充分利用冷却气体设置。

[0045] 为了能够对每个涡轮叶片进行冷却，本发明的通流孔13的数量与涡轮叶片12的数量相同并且通流孔13与涡轮叶片12一一对应。

[0046] 本发明的通流孔13的形状可以设置为圆形或其它形状，但最优形状为圆形。通流孔13的半径(或面积)可根据具体情况调整大小。

[0047] 如图3所示，本发明导流盘轮毂25通过销钉(未图示)过盈配合固定在涡轮盘轮毂14上，销钉沿圆周方向分布。

[0048] 下面结合图1至图11对本发明的工作过程作详细解释。

[0049] 工作时，冷却气体在导流盘2上的轮毂壁齿24和导流盘壁齿21的导向作用下，由设置在导流盘2上的导流孔22进入导流盘2和涡轮盘11之间的环形空腔3的内侧中，由于环形空腔3由内向外其高度逐渐增大，因而气流在由内向外的流动中压力逐渐膨胀，气流速度逐渐增大，气流行至涡轮盘11和导流盘2的交界处(即环形空腔3的外侧)，气流分成两路流出环形空腔3，一部分气流从设置在涡轮盘11上的通流孔13从涡轮盘1的第一侧面流向第二侧面，由于这些通流孔13对应设置在涡轮叶片12的根部，从而实现了对涡轮叶片12根部的有效冷却，另一部分气流从设置在导流盘2的翻边端部上的多个切槽23流向燃气流道，从而也可以在靠近涡轮叶片12根部的位置处形成一冷却气膜，也可以降低涡轮叶片12根部的温度，这两部气流协同作用，使得涡轮叶片12根部的内外均能得到有效冷却，从而可大大改善涡轮叶片12根部的冷却散热效果。

[0050] 本发明的设置在导流盘2上的高度逐渐减小的导流盘壁齿21和轮毂壁齿24，一方面有效地增加了导流盘2的封严效果，另一方面该结构形式有效地增加了冷却气流的导向效果，使得外部冷却气流在经过导流盘2的导流孔22时可以加速气流流动的速度，同时也增加了对导流盘2的轴向推力。

[0051] 本发明的设置在涡轮盘11的叶片根部处的多个通流孔13，可以有效地对叶片根部实施冷却，对于整个涡轮结构而言，提高了叶片根部的材料利用率，增加了根部结构处的应力许用上限，改善了局部敏感区域的强度特性。

[0052] 分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

[0053] 一、本发明通过在涡轮盘上设置通流孔，以及通过导流盘上的高度变化的导流盘壁齿及设置在导流盘外端部上的多个切槽结构，使得本发明的可以极大地改善涡轮叶片根部的冷却散热效果；并且该结构具有结构简单，加工成本低；形式灵活，尺寸调整便利；以及提高涡轮叶片根部关键区域的许用应力极限，改善了结构强度特性等一系列的优点。

[0054] 二、本发明设置的通流孔和切槽结构，可以使涡轮叶片根部内外均起到冷却散热效果，通过切槽对涡轮叶片根部的外部进行冷却，同时通过通流孔多涡轮叶片根部的内部进行冷却。

[0055] 三、本发明的环形空腔的宽度设置为由内向外逐渐增大；这样冷却气流在环形空腔中由内向外的流动中压力逐渐膨胀，气流速度逐渐增大；可以同时满足后续通流孔和切槽结构对冷却气体的需求。

[0056] 四、本发明的导流孔位于环形空腔的内侧端部，通流孔位于环形空腔的外侧端部，可以使环形空腔得到充分利用。

[0057] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。