低壓渦輪後軸及其設計方法
2023-06-14 01:11:21 1
低壓渦輪後軸及其設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種低壓渦輪後軸及其設計方法，用於解決現有低壓渦輪後軸前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處密封作用差的技術問題。技術方案是前延伸段配合面為錐面，對應於等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點和前延伸段配合面截面右端點連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處的過盈量沿軸向方向從左至右依次增大。由於前延伸段配合面採用錐面，均衡了前延伸段配合面的徑向位移和封嚴跑道配合面的徑向位移的分布情況，前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處在工作時不產生間隙，提高了封嚴跑道的密封作用。
【專利說明】低壓渦輪後軸及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低壓渦輪後軸，還涉及這種低壓渦輪後軸的設計方法。
【背景技術】
[0002]參照圖1?3，文獻「陳光，洪傑，馬豔紅.航空燃氣渦輪發動機結構[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.」公開了一種低壓渦輪後軸，該低壓渦輪後軸由低壓渦輪後軸頸2、傾斜過渡段3、後延伸封嚴跑道5、豎直過渡段7、封嚴篦齒9和前延伸段10構成的軸線為迴轉中心I的空心盤式零件，傾斜過渡段3的上方開有沿周向均布的通油孔4，豎直過渡段7的根部開有沿周向均布的通氣孔6，豎直過渡段7的上方開有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的豎直段開有沿周向均布的鉚接銷釘孔14。低壓渦輪後軸與封嚴跑道12之間的徑向連接方式是前延伸段配合面15與封嚴跑道配合面18之間的徑向過盈配合13，軸向連接方式是沿周向均布的鉚接銷釘11的鉚接。前延伸段配合面15為圓柱面，對應於等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面15的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點19和前延伸段配合面截面右端點20連接形成的平行於軸向方向的線段。徑向過盈配合13的過盈量沿軸向方向處處相等,均為Δ = 0.1_。在商用有限元軟體ANSYS中建立低壓渦輪後軸與封嚴跑道裝配體的等效簡化模型，假設鉚接銷釘11的連接強度滿足工程要求，將鉚接銷釘連接處固連起來，忽略通油孔4、通氣孔6、螺栓孔8和封嚴篦齒9的齒狀結構，把裝配體簡化為軸對稱的二維平面模型，使用軸對稱的平面實體單元PLANE82對裝配體劃分網格，使用接觸單元TARGE169和C0NTA172模擬徑向過盈配合13，施加位移邊界條件、轉速和溫度載荷，進行考慮接觸的有限元分析。有限元分析結果顯示，裝配體的質量為Mtl = 6.1kg,徑向過盈配合13處在工作時出現了間隙，並且封嚴跑道過渡圓角16處的應力集中程度很大，此處的von Mises等效應力為1169MPa,也是裝配體的全局最大vonMises等效應力，超過了封嚴跑道所用材料的屈服極限700MPa。
[0003]文獻中公開的低壓渦輪後軸的主要技術缺點是，前延伸段配合面15與封嚴跑道配合面18之間的徑向過盈配合13處在工作時會出現間隙，影響了封嚴跑道對低壓渦輪轉子間軸承前滑油腔滑油的密封作用，會導致滑油滲漏而著火而引起渦輪失效，由此導致發動機的包容性失效而損壞飛機。
【發明內容】
[0004]為了克服現有低壓渦輪後軸前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處密封作用差的不足，本發明提供一種低壓渦輪後軸。該低壓渦輪後軸的前延伸段配合面為錐面，對應於等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點和前延伸段配合面截面右端點連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處的過盈量沿軸向方向從左至右依次增大。
[0005]本發明還提供這種低壓渦輪後軸的設計方法。該方法將低壓渦輪後軸和封嚴跑道的裝配體等效簡化為軸對稱的二維平面結構，在商用有限元軟體ANSYS中使用接觸單元模擬前延伸段和封嚴跑道之間的徑向過盈配合，進行考慮接觸的有限元分析。選取前延伸段配合面截面左端點和右端點的坐標為設計變量，將前延伸段配合面上的節點的最大徑向位移作為目標函數，引入接觸單元的接觸壓力不小於一個較小的正壓力的約束條件，將結構的質量、接觸單元的最大接觸壓力和低壓渦輪後軸與封嚴跑道各部分的最大von Mises等效應力也作為約束條件，建立形狀優化模型，設定遺傳算法的參數，使用遺傳算法進行迭代求解，最終得到優化設計結果。本發明可以保證前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合處在工作時不產生間隙，密封作用好。同時在結構不超重和應力不超限的情況下降低封嚴跑道的過渡圓角處的應力集中。
[0006]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種低壓渦輪後軸，由低壓渦輪後軸頸2、傾斜過渡段3、後延伸封嚴跑道5、豎直過渡段7、封嚴篦齒9和前延伸段10構成軸線為迴轉中心I的空心盤式零件，傾斜過渡段3的上方開有沿周向均布的通油孔4，豎直過渡段7的根部開有沿周向均布的通氣孔6，豎直過渡段7的上方開有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的豎直段開有沿周向均布的鉚接銷釘孔14，其特點是前延伸段配合面15為錐面，對應於等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面15的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點19和前延伸段配合面截面右端點20連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面15與封嚴跑道配合面18之間徑向過盈配合13處的過盈量沿著軸向方向從左至右依次增大。
[0007]所述前延伸段配合面15的錐度為
【權利要求】
1.一種低壓渦輪後軸，由低壓渦輪後軸頸(2)、傾斜過渡段(3)、後延伸封嚴跑道(5)、豎直過渡段(7)、封嚴篦齒(9)和前延伸段(10)構成軸線為迴轉中心(I)的空心盤式零件，傾斜過渡段(3)的上方開有沿周向均布的通油孔(4)，豎直過渡段(7)的根部開有沿周向均布的通氣孔(6)，豎直過渡段(7)的上方開有沿周向均布的螺栓孔(8)，前延伸段(10)的豎直段開有沿周向均布的鉚接銷釘孔(14)，其特徵在於:前延伸段配合面(15)為錐面，對應於等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面(15)的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(19)和前延伸段配合面截面右端點(20)連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面(15)與封嚴跑道配合面(18)之間徑向過盈配合(13)處的過盈量沿著軸向方向從左至右依次增大。
2.根據權利要求1所述的低壓渦輪後軸，其特徵在於:所述前延伸段配合面(15)的錐度為1Uf /21|;式中，X1為前延伸段配合面截面左端點的徑向坐標，Y1為前延伸段配合面 ^Fl 一 X2 丨截面左端點的軸向坐標，X2為前延伸段配合面截面右端點的徑向坐標，72為前延伸段配合面截面右端點的軸向坐標。
3.—種權利要求1所述低壓渦輪後軸的設計方法，其特徵在於採用以下步驟: 步驟一、在商用有限元軟體ANSYS中建立低壓渦輪後軸與封嚴跑道裝配體的等效簡化模型，假設鉚接銷釘處的連接強度滿足工程要求，將鉚接銷釘連接處固連起來，忽略通油孔、通氣孔、螺栓孔、鉚接銷釘孔和封嚴篦齒的齒狀結構，把裝配體簡化為軸對稱的二維平面模型，在建模時使 前延伸段配合面各處的徑向坐標比封嚴跑道配合面的徑向坐標小Λ=0.1_，來模擬前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合的過盈量，將其作為形狀優化問題的初始設計；設定Xl、yi和X2為可變參數；其中，X1為前延伸段配合面截面左端點的徑向坐標，Y1為前延伸段配合面截面左端點的軸向坐標，X2為前延伸段配合面截面右端點的徑向坐標； 步驟二、對低壓渦輪後軸和封嚴跑道分別賦以各自的材料屬性； 步驟三、設定網格邊長，對裝配體使用平面實體單元劃分結構網格；在前延伸段配合面的實體單元上生成一層目標單元作為目標面，在封嚴跑道配合面的實體單元上生成一層接觸單元作為接觸面，對目標單元和接觸單元賦以相同的實常數編號來將目標面和接觸面識別為接觸對，用以模擬前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合； 步驟四、對結構的有限元模型施加位移邊界條件和轉速、溫度載荷條件； 步驟五、選取步驟一中的三個可變參數中的全部或者部分作為設計變量，以前延伸段配合面上的節點的最大徑向位移為目標函數，將接觸單元的接觸壓力不小於一個較小的正壓力作為第一個約束條件，將接觸單元的接觸壓力不超過許用接觸壓力作為第二個約束條件，將低壓渦輪後軸單元的最大von Mises等效應力和封嚴跑道單元的最大von Mises等效應力不超過各自材料的許用應力分別作為第三和第四個約束條件，將裝配體的質量不超過上限作為第五個約束條件，最後根據需要增加其他約束條件，建立形狀優化的數學模型:
【文檔編號】F16B4/00GK104019091SQ201410257707
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】張衛紅, 牛草, 羅雅文, 張治東, 王冰旭 申請人:西北工業大學