一种氢涡轮转子结构
技术领域
本实用新型属于重型火箭高压补燃氢氧发动机技术领域，尤其涉及一种氢涡轮转子结构。
背景技术
重型运载火箭是登月、空间站以及火星探测等重大航天工程的必备工具，其芯二级主动力采用高性能的高压补燃氢氧发动机。发动机氢涡轮具有大流量、高效率、高转速、大功率的特点，这对涡轮设计，尤其是涡轮转子设计，提出了更加苛刻的要求。
伴随着涡轮流量、叶片气动负荷数倍的提升，涡轮转子结构尺寸显著增大，转子叶片及轮盘受力倍增，涡轮转子结构安全余量不足成为突出技术难点。以往的小尺寸、中型负荷的涡轮转子结构，两级涡轮盘以及涡轮轴之间采用轴向螺栓连接方式、叶片采用等直叶片造型，叶片根部以及涡轮盘螺栓开孔处形成应力集中区，结构应力水平已达到现有材料许用应力的极限。因此，需要设计一种新的氢涡轮转子结构，才能满足重型火箭高压补燃氢氧发动机工作使用要求。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种氢涡轮转子结构，满足了重型火箭高压补燃氢氧发动机工作条件需求，解决了传统方案氢涡轮转子结构安全余量不足的问题。
本实用新型目的通过以下技术方案予以实现：一种氢涡轮转子结构，包括：一级涡轮盘、二级涡轮盘、涡轮轴、隔热套筒和径向销钉；其中，所述一级涡轮盘通过所述径向销钉与所述二级涡轮盘相连接；所述二级涡轮盘与所述涡轮轴焊接；所述隔热套筒设置于所述涡轮轴的内部，所述隔热套筒将所述涡轮轴的内部空腔分为两部分；所述涡轮轴的中心轴线、所述一级涡轮盘的中心轴线与所述二级涡轮盘的中心轴线重合。
上述氢涡轮转子结构中，所述一级涡轮盘包括若干个一级叶片、一级盘毂和一级围带；其中，一级盘毂的外周端面与若干个一级叶片的一端相连接；若干个一级叶片的另一端与一级围带相连接；一级围带与一级盘毂的中心轴线重合。
上述氢涡轮转子结构中，若干个一级叶片沿一级盘毂的外周均匀分布。
上述氢涡轮转子结构中，每个一级叶片采用带弯扭的变截面积叶型设计，截面积由叶根到叶顶逐渐减小；一级叶片前缘和尾缘均为圆弧曲线，压力面采用阶Bezier曲线，吸力面采用阶Bezier曲线。
上述氢涡轮转子结构中，所述二级涡轮盘包括若干个二级叶片、二级盘毂和二级围带；其中，二级盘毂的外周端面与若干个二级叶片的一端相连接；若干个二级叶片的另一端与二级围带相连接；二级围带与二级盘毂的中心轴线重合。
上述氢涡轮转子结构中，若干个二级叶片沿二级盘毂的外周均匀分布。
上述氢涡轮转子结构中，每个二级叶片采用带弯扭的变截面积叶型设计，截面积由叶根到叶顶逐渐减小；二级叶片前缘和尾缘均为圆弧曲线，压力面采用阶Bezier曲线，吸力面采用阶Bezier曲线。
上述氢涡轮转子结构中，二级涡轮盘的二级配合端面与一级涡轮盘的一级配合端面通过径向销钉相连接。
上述氢涡轮转子结构中，二级涡轮盘的二级配合端面开设有盲孔。
上述氢涡轮转子结构中，所述径向销钉的中间为通孔。
本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本实用新型的一级涡轮盘和二级涡轮盘采用径向销钉连接，销钉孔为径向孔，不承担离心力。省去了盘盘、盘轴轴向螺栓连接结构，避免了盘上螺栓孔承担大离心力所带来的应力集中。
(2)本实用新型的涡轮盘与涡轮轴采用惯性摩擦焊方式连接，相比轴向螺栓连接，结构简单、可靠性高；
(3)本实用新型的涡轮轴上焊接了隔热套筒，隔绝左侧轴心孔中的低温液氢，避免涡轮盘承受大温差而带来的应力。
(4)本实用新型的带弯扭的变截面积叶型设计取代了等直叶片设计，大幅降低了叶根处的应力水平。
(5)本实用新型的二级涡轮盘上的轴向盲孔设计以及径向销钉中心的通孔设计，释放装配中的空气，避免高温工作时盲腔内胀气带来附加受力。
(6)本实用新型的涡轮盘和涡轮轴使用不同热处理状态的材料，涡轮盘材料在高温下具有更高的强度，涡轮轴材料在低温下具有更高的塑性，从而满足了各自工作条件的要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本实用新型实施例提供的氢涡轮转子结构的示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一级涡轮盘结构图；
图3是本实用新型实施例提供的二级涡轮盘结构图；
图4是本实用新型实施例提供的一级叶片截面图；
图5是本实用新型实施例提供的二级叶片截面图；
图6(a)是本实用新型实施例提供的径向销钉部放大图；
图6(b)是本实用新型实施例提供的盲孔局部放大图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型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。
图1是本实用新型实施例提供的氢涡轮转子结构的示意图。如图1所示，该氢涡轮转子结构包括一级涡轮盘1、二级涡轮盘2、涡轮轴3、隔热套筒4和径向销钉5。其中，
一级涡轮盘1通过径向销钉5与二级涡轮盘2相连接；二级涡轮盘2与涡轮轴3焊接；隔热套筒4设置于涡轮轴3的内部，隔热套筒4将涡轮轴3的内部空腔分为两部分；涡轮轴3的中心轴线、一级涡轮盘1的中心轴线与二级涡轮盘2的中心轴线重合。
图2是本实用新型实施例提供的一级涡轮盘结构图。如图2所示，该一级涡轮盘1包括若干个一级叶片11、一级盘毂12和一级围带13；其中，一级盘毂12的外周端面与若干个一级叶片11的一端即叶根相连接；若干个一级叶片11的另一端即叶顶与一级围带13相连接；一级围带13与一级盘毂12的中心轴线重合。
若干个一级叶片11沿一级盘毂12的外周均匀分布。
如图4所示，每个一级叶片11采用带弯扭的变截面积叶型设计，截面积由叶根到叶顶逐渐减小；一级叶片11前缘和尾缘均为圆弧曲线，压力面采用13阶Bezier曲线，吸力面采用11阶Bezier曲线。
一级叶片承受高温燃气冲刷和离心力、气动力的作用，这种叶型结构设计不仅实现了较高的气动性能，更将叶根处的最高应力水平减小了30％，达到了设计安全裕度要求。
如图3所示，二级涡轮盘2包括若干个二级叶片21、二级盘毂22和二级围带23；其中，二级盘毂22的外周端面与若干个二级叶片21的一端即叶根相连接；若干个二级叶片21的另一端即叶顶与二级围带23相连接；二级围带23与二级盘毂22的中心轴线重合。
若干个二级叶片21沿二级盘毂22的外周均匀分布。
如图5所示，每个二级叶片21采用带弯扭的变截面积叶型设计，截面积由叶根到叶顶逐渐减小；二级叶片21前缘和尾缘均为圆弧曲线，压力面采用13阶Bezier曲线，吸力面采用11阶Bezier曲线。
二级叶片承受高温燃气冲刷和离心力、气动力的作用，这种叶型结构设计不仅实现了较高的气动性能，更将叶根处的最高应力水平减小了30％，达到了设计安全裕度要求。
如图2和图3所示，二级涡轮盘2的二级配合端面24与一级涡轮盘1的一级配合端面14通过径向销钉5相连接。
如图3和图6a所示，二级涡轮盘2的二级配合端面24开设有盲孔241。
如图6b所示，径向销钉5的中间为通孔51。
二级涡轮盘上的轴向盲孔设计以及径向销钉中心的通孔设计，释放装配中的空气，避免高温工作时盲腔内胀气带来附加受力。
一级涡轮盘1和二级涡轮盘2均采用直接时效热处理的GH4169锻件材料，涡轮轴3采用固溶+时效热处理的GH4169锻件材料。涡轮盘和涡轮轴使用不同热处理状态的材料，涡轮盘材料在高温下具有更高的强度，涡轮轴材料在低温下具有更高的塑性，从而满足了各自工作条件的要求。
涡轮盘2与涡轮轴3采用惯性摩擦焊连接，涡轮盘1和涡轮盘2采用径向销钉5连接。氢涡轮转子功率输出时，盘轴连接部位以及盘盘连接部位承受巨大的扭矩，新设计的连接接头具有高可靠性。
涡轮轴3轴心处焊接隔热套筒4。隔热套筒避免轴心孔中的低温液氢与涡轮盘2的直接接触，降低了涡轮盘2沿径向的温度梯度，有效减小涡轮盘2的温差应力。
在重型火箭高压补燃氢氧发动机上使用的高转速、大功率氢涡轮转子，转速达35000转/分，输出功率达5万千瓦。涡轮盘工作在600℃、30MPa燃气环境中，涡轮轴工作在-250℃低温液氢环境中。盘部与轴部工作环境和受力状态有显著差异，因此对材料性能提出了不同的要求。涡轮盘高速旋转、叶片还承受高温高压燃气冲刷，采用具有更高抗拉强度的直接时效热处理GH4169锻件材料。涡轮轴上承受瞬时启动冲击(2s内达到设计转速)，采用冲击性能高的固溶+时效热处理GH4169锻件材料。
涡轮轴3在粗加工状态先与隔热套筒4焊接，再与粗加工状态的二级涡轮盘2进行惯性摩擦焊焊接。正式产品焊接前，对焊接工艺试件进行了检测，结果表明接头力学性能高于母材性能。
涡轮轴3与二级涡轮盘2焊后进行精加工，二级叶片21采用电火花加工工艺，二级盘毂22以及轴上尺寸采用数控加工。
一级涡轮盘1的一级叶片11采用电火花加工工艺，一级盘毂12采用数控加工。
一级涡轮盘1与二级涡轮盘2压合到一起。压合过程中，盘腔内空气通过盲孔241排出，避免盘腔内积聚压缩空气。压合到位时盲孔241处于封死状态，避免多余物进入盘腔。
一级涡轮盘1和二级涡轮盘2压合到位后，组合加工12个销钉孔。径向销钉5与销钉孔之间为过盈配合，径向销钉中间开有通孔51，安装径向销钉时，销钉孔内的空气经过通孔排出，保证径向销钉安装到底。
以上所述的实施例只是本实用新型较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。
