燃氣渦輪盤榫槽設計方法、燃氣渦輪盤及航空發動機與流程
2023-12-09 10:36:01 1
本發明涉及航空發動機零件設計加工技術領域，特別地，涉及一種燃氣渦輪盤榫槽設計方法。此外，本發明還涉及一種包括上述燃氣渦輪盤榫槽設計方法的加工製造的燃氣渦輪盤。此外，本發明還涉及一種包括上述燃氣渦輪盤的航空發動機。
背景技術：
渦輪盤和榫接結構設計是航空發動機結構設計的重要環節，其設計的合理性直接關係到轉子部件的強度、壽命及可靠性。渦輪盤與渦輪轉子葉片通常採用樅樹型榫連接結構形式。葉片本身產生較大的離心力，離心力通過榫頭/榫槽多齒結構進行接觸傳遞，由於榫頭榫槽結構複雜，榫頭榫槽處產生較大的局部應力，易導致榫齒裂紋甚至斷裂，葉片脫出，其結果往往是嚴重的。
現有技術通過圓弧或圓弧和直線的方式進行榫槽榫齒連接處設計，該設計易導致圓弧過渡圓角半徑小，應力集中現象嚴重。
技術實現要素：
本發明提供了一種燃氣渦輪盤榫槽設計方法、燃氣渦輪盤及航空發動機，以解決現有航空發動機渦輪盤榫槽設計，容易產生應力集中現象，而導致生產的產品榫齒裂紋甚至斷裂、葉片脫出等一系列的技術問題。
根據本發明的一個方面，提供一種燃氣渦輪盤榫槽設計方法，包括以下步驟：a、獲取渦輪盤榫槽運轉過程中的應力分布情況；b、根據應力分布情況，對渦輪盤榫槽內的連接弧形段採用多極點調節控制曲線曲率，以消減渦輪盤榫槽的應力集中部位；c、調整渦輪盤榫槽各個連接點為平滑過渡。
進一步地，步驟a具體為：對渦輪盤與渦輪轉子葉片的裝配及其運轉情況進行仿真模擬，獲取渦輪盤運轉過程中渦輪盤榫槽內的應力分布情況，獲取渦輪盤榫槽與渦輪轉子葉片榫齒之間的應力集中部位。
進一步地，步驟b具體為：針對與渦輪轉子葉片的榫齒相接觸的渦輪盤榫槽內的配合槽的弧形段採用多極點調節控制弧形段內的曲線曲率，以消減應力集中部位；和/或針對與渦輪轉子葉片的榫齒相接觸的渦輪盤榫槽內的配合槽外連接部位弧形段採用多極點調節控制弧形段內的曲線曲率，以消減應力集中部位。
進一步地，採用四個極點調節控制曲線曲率。
進一步地，燃氣渦輪盤榫槽內沿槽深方向依次排布有多個配合槽，配合槽的弧形段包括遠離渦輪盤榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段以及渦輪盤榫槽轉角部位的配合槽槽段。
進一步地，遠離渦輪盤榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段的極點調節控制，具體為：第一配合槽包括遠離渦輪盤榫槽槽底端用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的第一榫齒接觸直線、靠近渦輪盤榫槽槽底端用於弧形結構過渡的第一榫齒過渡直線以及處於第一榫齒接觸直線與第一榫齒過渡直線之間的第一弧形段；第一弧形段與第一榫齒接觸直線之間為第一接觸連接極點a1，第一榫齒接觸直線朝向第一弧形段的延長線上具有用於移動調節的第一接觸浮動極點a2，第一弧形段與第一榫齒過渡直線之間為第一過渡連接極點a4，第一榫齒過渡直線朝向第一弧形段的延長線上具有用於移動調節的第一過渡浮動極點a3；通過調節第一接觸浮動極點a2與第一過渡浮動極點a3的位置，以消減第一配合槽內的應力集中。
進一步地，第一配合槽調節完畢後，按照第一配合槽的調節步驟依次向渦輪盤榫槽槽底端方向調節各個配合槽。
進一步地，渦輪盤榫槽轉角部位的配合槽槽段的極點調節控制，具體為：渦輪盤榫槽轉角部位包括用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的接觸弧形段以及用於渦輪盤榫槽槽底弧形過渡的槽底弧形段，接觸弧形段與槽底弧形段連接並平滑過渡；接觸弧形段包括遠離渦輪盤榫槽槽底端用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的第二榫齒接觸直線以及第二弧形段，槽底弧形段包括第三弧形段以及槽底連接直線；第二弧形段與第二榫齒接觸直線之間為第二接觸連接極點b5，第二榫齒接觸直線朝向第二弧形段的延長線上具有用於移動調節的第二接觸浮動極點b6，第二弧形段上與第三弧形段的連接部位具有用於浮動調節的第二浮動連接極點b8，第二接觸浮動極點b6與第二浮動連接極點b8之間具有用於浮動調節的第二浮動極點b7；第三弧形段與槽底連接直線之間為第三槽底連接極點c12，槽底連接直線朝向第三弧形段的延長線上具有第三槽底浮動極點c11，第三弧形段上與第二弧形段的連接部位具有用於浮動調節的第三浮動連接極點c9，第三浮動連接極點c9與第三槽底浮動極點c11之間具有用於浮動調節的第三浮動極點c10；第二浮動連接極點b8與第三浮動連接極點c9共點且處於第二浮動極點b7與第三浮動極點c10的連線上；通過組合調節第二接觸浮動極點b6、第二浮動極點b7、共點的第二浮動連接極點b8和第三浮動連接極點c9、第三浮動極點c10以及第三槽底浮動極點c11，以消減接觸弧形段和槽底弧形段內的應力集中。
根據本發明的另一方面，還提供了一種燃氣渦輪盤，其採用上述燃氣渦輪盤榫槽設計方法設計加工製造燃氣渦輪盤榫槽。
根據本發明的另一方面，還提供了一種航空發動機，其包括上述燃氣渦輪盤。
本發明具有以下有益效果：
本發明燃氣渦輪盤榫槽設計方法，通過仿真獲取渦輪盤榫槽部位的應力分布情況，了解渦輪盤榫槽與渦輪轉子葉片榫齒之間的應力集中情況；採用模擬方式，調節應力集中部位的各個弧形段的曲線曲率，從而以及使點接觸轉變為線接觸、線接觸轉變為面接觸、小面積面接觸轉變為大面積接觸的控制調節原則，以儘可能的消減應力集中部位，減少應力集中；調節完各個曲線曲率後，調整渦輪盤榫槽內的各個線連接部位的連接點，以使整個渦輪盤榫槽內的各個連接點呈平滑過渡，減小應力集中點或應力集中線的產生機率。可以根據設計加工和製造各類航空發動機的燃氣渦輪盤榫槽，可大幅度降低榫槽局部應力，延長榫槽壽命。利用有限元仿真分析對傳統榫槽及本發明榫槽進行了對比分析，結果表明，本發明的榫槽應力下降了25％，榫槽壽命延長200％。
除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。
附圖說明
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1是本發明優選實施例的燃氣渦輪盤榫槽設計方法的步驟流程框圖；
圖2是本發明優選實施例的渦輪盤榫槽結構的結構示意圖；
圖3是本發明優選實施例的渦輪盤榫槽結構的局部放大結構示意圖。
圖例說明：
1、第一配合槽；101、第一榫齒接觸直線；102、第一榫齒過渡直線；103、第一弧形段；2、接觸弧形段；201、第二榫齒接觸直線；202、第二弧形段；3、槽底弧形段；301、第三弧形段；302、槽底連接直線。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由下述所限定和覆蓋的多種不同方式實施。
圖1是本發明優選實施例的燃氣渦輪盤榫槽設計方法的步驟流程框圖；圖2是本發明優選實施例的渦輪盤榫槽結構的結構示意圖；圖3是本發明優選實施例的渦輪盤榫槽結構的局部放大結構示意圖。
如圖1所示，本實施例的燃氣渦輪盤榫槽設計方法，包括以下步驟：a、獲取渦輪盤榫槽運轉過程中的應力分布情況；b、根據應力分布情況，對渦輪盤榫槽內的連接弧形段採用多極點調節控制曲線曲率，以消減渦輪盤榫槽的應力集中部位；c、調整渦輪盤榫槽各個連接點為平滑過渡。眾所周知，應力集中部位的應力等於基準應力乘上應力集中係數，而對於圓弧過渡處應力集中係數基本由該處的曲率決定。現有技術通過圓弧或圓弧和直線的方式進行榫齒連接處設計,是一種單曲率設計。該設計應力集中現象嚴重，從而導致局部應力過大，榫槽壽命偏短。事實上，榫齒連接處的應力並不是全部過大，全部採用一個曲率並不合適，更合理的設計是採用變曲率設計。本發明燃氣渦輪盤榫槽設計方法，通過仿真獲取渦輪盤榫槽部位的應力分布情況，了解渦輪盤榫槽與渦輪轉子葉片榫齒之間的應力集中情況；採用模擬方式，調節應力集中部位的各個弧形段的曲線曲率，從而以及使點接觸轉變為線接觸、線接觸轉變為面接觸、小面積面接觸轉變為大面積接觸的控制調節原則，以儘可能的消減應力集中部位，減少應力集中。通過樣條曲線對榫齒連接部分進行設計，用於提高燃氣渦輪盤榫槽壽命。調節完各個曲線曲率後，調整渦輪盤榫槽內的各個線連接部位的連接點，以使整個渦輪盤榫槽內的各個連接點呈平滑過渡，減小應力集中點或應力集中線的產生機率。可以根據設計加工和製造各類航空發動機的燃氣渦輪盤榫槽，可大幅度降低榫槽局部應力，延長榫槽壽命。利用有限元仿真分析對傳統榫槽及本發明榫槽進行了對比分析，結果表明，本發明的榫槽應力下降了25％，榫槽壽命延長200％。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，步驟a具體為：對渦輪盤與渦輪轉子葉片的裝配及其運轉情況進行仿真模擬，獲取渦輪盤運轉過程中渦輪盤榫槽內的應力分布情況，獲取渦輪盤榫槽與渦輪轉子葉片榫齒之間的應力集中部位。
本實施例中，步驟b具體為：針對與渦輪轉子葉片的榫齒相接觸的渦輪盤榫槽內的配合槽的弧形段採用多極點調節控制弧形段內的曲線曲率，以消減應力集中部位；和/或針對與渦輪轉子葉片的榫齒相接觸的渦輪盤榫槽內的配合槽外連接部位弧形段採用多極點調節控制弧形段內的曲線曲率，以消減應力集中部位。可選地，渦輪盤榫槽內的配合槽的弧形段為第一配合槽1所處位置。可選地，渦輪盤榫槽內的配合槽外連接部位弧形段為接觸弧形段2所處位置。
本實施例中，採用四個極點調節控制曲線曲率。
本實施例中，燃氣渦輪盤榫槽內沿槽深方向依次排布有多個配合槽，配合槽的弧形段包括遠離渦輪盤榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段以及渦輪盤榫槽轉角部位的配合槽槽段。
本實施例中，遠離渦輪盤榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段的極點調節控制，具體為：第一配合槽1包括遠離渦輪盤榫槽槽底端用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的第一榫齒接觸直線101、靠近渦輪盤榫槽槽底端用於弧形結構過渡的第一榫齒過渡直線102以及處於第一榫齒接觸直線101與第一榫齒過渡直線102之間的第一弧形段103；第一弧形段103與第一榫齒接觸直線101之間為第一接觸連接極點a1，第一榫齒接觸直線101朝向第一弧形段103的延長線上具有用於移動調節的第一接觸浮動極點a2，第一弧形段103與第一榫齒過渡直線102之間為第一過渡連接極點a4，第一榫齒過渡直線102朝向第一弧形段103的延長線上具有用於移動調節的第一過渡浮動極點a3；通過調節第一接觸浮動極點a2與第一過渡浮動極點a3的位置，以消減第一配合槽1內的應力集中。眾所周知，應力集中部位的應力等於基準應力乘上應力集中係數，而對於圓弧過渡處應力集中係數基本由該處的曲率決定。現有技術通過圓弧或圓弧和直線的方式進行榫齒連接處設計,是一種單曲率設計。該設計應力集中現象嚴重，從而導致局部應力過大，榫槽壽命偏短。事實上，榫齒連接處的應力並不是全部過大，全部採用一個曲率並不合適，更合理的設計是採用變曲率設計。
本實施例中，第一配合槽1調節完畢後，按照第一配合槽1的調節步驟依次向渦輪盤榫槽槽底端方向調節各個配合槽。
本實施例中，渦輪盤榫槽轉角部位的配合槽槽段的極點調節控制，具體為：渦輪盤榫槽轉角部位包括用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的接觸弧形段2以及用於渦輪盤榫槽槽底弧形過渡的槽底弧形段3，接觸弧形段2與槽底弧形段3連接並平滑過渡；接觸弧形段2包括遠離渦輪盤榫槽槽底端用於與渦輪轉子葉片榫齒接觸的第二榫齒接觸直線201以及第二弧形段202，槽底弧形段3包括第三弧形段301以及槽底連接直線302；第二弧形段202與第二榫齒接觸直線201之間為第二接觸連接極點b5，第二榫齒接觸直線201朝向第二弧形段202的延長線上具有用於移動調節的第二接觸浮動極點b6，第二弧形段202上與第三弧形段301的連接部位具有用於浮動調節的第二浮動連接極點b8，第二接觸浮動極點b6與第二浮動連接極點b8之間具有用於浮動調節的第二浮動極點b7；第三弧形段301與槽底連接直線302之間為第三槽底連接極點c12，槽底連接直線302朝向第三弧形段301的延長線上具有第三槽底浮動極點c11，第三弧形段301上與第二弧形段202的連接部位具有用於浮動調節的第三浮動連接極點c9，第三浮動連接極點c9與第三槽底浮動極點c11之間具有用於浮動調節的第三浮動極點c10；第二浮動連接極點b8與第三浮動連接極點c9共點且處於第二浮動極點b7與第三浮動極點c10的連線上；通過組合調節第二接觸浮動極點b6、第二浮動極點b7、共點的第二浮動連接極點b8和第三浮動連接極點c9、第三浮動極點c10以及第三槽底浮動極點c11，以消減接觸弧形段2和槽底弧形段3內的應力集中。
本實施例的燃氣渦輪盤，根據上述燃氣渦輪盤榫槽設計方法設計加工製造燃氣渦輪盤榫槽。
本實施例的航空發動機，包括上述燃氣渦輪盤。
實施時，燃氣渦輪盤榫槽設計方法，將榫槽設計分為配合槽和連接處兩個部分，包括以下步驟：a、燃氣渦輪盤配合槽部分採用傳統的直線和圓弧連接的方法進行設計；b、燃氣渦輪盤配合槽連接處通過4個極點控制的樣條曲線進行設計；c、燃氣渦輪盤配合槽與榫齒連接處進行連接，並保證光滑過渡。
配合槽與榫齒連接處，詳細設計方法如下：
第一齒連接處採用一段4個極點控制的樣條曲線進行設計，其中點a1和點a2控制點連線、點a3與點a4控制點連線分別與第一榫齒接觸直線101、第一榫齒過渡直線102共線。第二榫齒連接處採用二段4個極點控制的樣條曲線進行設計，其中點b5和點b6控制點連線、點c11和點c12控制點連線分別與第二榫齒接觸直線201、槽底連接直線302共線，點b8控制點和點c9控制點重合，且位於點b7控制點和點c10控制點連線上，以保證兩段曲線光滑過渡。詳細結構如圖2和圖3所示。該曲線依據4個控制點即可繪製出一條光滑曲線，通過控制曲線上的4個點(起始點、終止點以及2個相互分離的中間點)來創造、編輯曲線，移動兩端的控制點時，曲線改變曲線的彎曲程度，移動中間點(也就是移動虛擬的控制線)時，曲線在起始點和終止點鎖定的情況下做均勻移動。該曲線的所有控制點、節點均可編輯，可以通過優化的手段對控制點進行優化設計，減小應力集中。該設計實現了榫齒連接處曲線的變曲率設計，在不改變榫連接其它結構的前提下，僅將傳統的榫齒連接處替換成本發明的過渡結構，即可緩解榫齒連接處的應力集中情況，降低榫槽局部應力，延長榫槽壽命。
本發明的配合槽與榫齒連接處採用4極點控制的樣條曲線進行設計，榫槽其它部位按傳統的直線和圓弧連接的方法進行設計。採用樣條曲線設計的榫接結構。是在不改變榫槽其它結構的前提下，僅將配合槽與榫齒連接處替換成本發明的過渡結構，即可大幅度降低榫槽局部應力，延長榫槽壽命。利用有限元仿真分析對傳統榫槽及本發明榫槽進行了對比分析，結果表明，本發明的榫槽應力下降了25％，榫槽壽命延長200％。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。