CN103982242A - 轮盘圆弧端齿及其轮盘以及带有该轮盘的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮盘圆弧端齿及其轮盘以及带有该轮盘的燃气涡轮发动机，轮盘圆弧端齿包括齿顶、压力面和齿根，压力面处于齿顶与齿根之间，压力面与齿根之间设有用以缓冲应力和减轻应力集中的圆弧过渡区，圆弧过渡区的径向截面包括至少两段圆弧段。通过多圆弧段的方式可以降低应力，并使得圆弧端齿的齿根与相对圆弧端齿的齿顶相互配合效果更好，相互之间无干涉，更容易装配。利用三维有限元仿真分析对某一传统结构及本发明改进后的结构进行了对比分析，结果表明，本发明的应力下降了18％，寿命延长了200％。

Description

轮盘圆弧端齿及其轮盘以及带有该轮盘的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别地，涉及一种用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿。此外，本发明还涉及一种包括上述圆弧端齿的燃气涡轮发动机轮盘。本发明还涉及一种包括上述轮盘的燃气涡轮发动机。

背景技术

现有燃气涡轮发动机转子由各级轮盘组成，各级轮盘一般通过中心拉杆两端压紧、轮盘与轮盘之间通过端齿连接以传递扭矩(功率)。这种结构由于具有自动定心能力强、拆装方便、维护简单等特点，在涡轴及涡桨发动机中被广泛应用。

圆弧端齿位于轮盘的前后两个端面上，一般按周向均匀分布。装配时，相邻轮盘的端齿旋转一定角度后插入，此后在轮盘上施加轴向预紧力使得端齿压紧，这样轮盘间即可有效传递扭矩，从而输出功率。按周向展开后，一般由齿顶、齿根及压力面(工作面)组成，压力面与齿根间具有过渡区。工作时，最大应力点(即最小寿命点)一般位于过渡处。

端齿主要承受离心载荷与压力载荷，其中离心载荷所产生的应力与转速平方成正比、与端齿半径成正比。压力载荷产生的压应力与轴向预紧力及扭矩成正比。一般来说，在压力载荷给定的情况下，端齿周向个数及齿根周向宽度已基本给定。出于发动机效率的需要，一般要求转速及半径越高越好，但是这样的设置会引起过渡区应力急剧上升，需加大过渡区转角半径以缓解应力集中现象，但受齿根周向宽度限制，转角半径不可能无限制加大，从而导致寿命偏短。此外，转角半径加大还可能引起齿根与相对端齿的齿顶干涉，从而无法装配。

发明内容

本发明目的在于提供一种轮盘圆弧端齿及其轮盘以及带有该轮盘的燃气涡轮发动机，以解决现有圆弧端齿的过渡区无法承受高速运转产生的应力，无法消除应力集中现象；加大转角半径会导致无法装配的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，包括齿顶、压力面和齿根，压力面处于齿顶与齿根之间，压力面与齿根之间设有用以缓冲应力和减轻应力集中的圆弧过渡区，圆弧过渡区的径向截面包括至少两段圆弧段。

进一步地，相邻两段圆弧段之间的圆弧相接处为平滑过渡；或者相邻两段圆弧段在圆弧相接处的切线重合。

进一步地，紧靠压力面布置的圆弧段与压力面的相接处为平滑过渡；紧靠齿根布置的圆弧段与齿根的相接处为平滑过渡。

进一步地，圆弧过渡区各圆弧段的圆弧半径由中间向两侧方向递减；或者圆弧过渡区各圆弧段的圆弧半径由压力面向齿根方向递减；或者圆弧过渡区各圆弧段的圆弧半径由齿根向压力面方向递减。

进一步地，，圆弧段的圆弧半径不同和/或圆弧段的圆弧轴线处于不同直线。圆弧过渡区包括至少两组圆弧段，同组圆弧段的圆弧半径相同，不同组圆弧段的圆弧半径不同。

进一步地，同组的圆弧段紧靠布置，多组圆弧段从压力面向齿根方向顺序排列。

进一步地，两组圆弧段相互交替布置。

进一步地，相邻两个圆弧端齿之间的中心线为周向宽度中分线，靠近齿根布置的圆弧段在齿根的终结处不超过周向宽度中分线。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机的轮盘，轮盘的至少一个端面上设有上述轮盘圆弧端齿。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机的转子包括有至少两个上述轮盘，轮盘与轮盘之间通过圆弧端齿相互啮合连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明轮盘圆弧端齿，通过在压力面与齿根之间设置圆弧过渡区以消除轮盘在旋转过程中所产生的应力集中现象，并且通过圆弧过渡区缓冲离心应力；圆弧过渡区的径向截面设置为多段圆弧段，利用圆弧段的弧形结构逐步消减应力，而通过多段圆弧段将集中应力分散，圆弧段利用弧形结构将分散过来的应力进行逐步消弱，从而降低应力对圆弧端齿造成破坏，从而延长圆弧端齿甚至整个轮盘的使用寿命；通过多圆弧段的方式可以降低应力，并使得圆弧端齿的齿根与相对圆弧端齿的齿顶相互配合效果更好，相互之间无干涉，更容易装配。利用三维有限元仿真分析对传统结构及经过本发明改进后的结构进行了对比分析，结果表明，本发明的应力下降了18％，寿命延长了200％。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的轮盘圆弧端齿的圆弧过渡区的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机的轮盘的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机转子的结构示意图。

图例说明：

1、齿顶；2、压力面；3、齿根；4、圆弧过渡区；401、圆弧段；5、圆弧端齿；6、轮盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿的结构示意图；图2是本发明优选实施例的轮盘圆弧端齿的圆弧过渡区的结构示意图；图3是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机的轮盘的结构示意图；图4是本发明优选实施例的燃气涡轮发动机转子的结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，包括齿顶1、压力面2和齿根3，压力面2处于齿顶1与齿根3之间，压力面2与齿根3之间设有用以缓冲应力和减轻应力集中的圆弧过渡区4，圆弧过渡区4的径向截面包括至少两段圆弧段401。本发明轮盘圆弧端齿，通过在压力面2与齿根3之间设置圆弧过渡区4以消除轮盘在旋转过程中所产生的应力集中现象，并且通过圆弧过渡区4缓冲离心应力；圆弧过渡区4的径向截面设置为多段圆弧段401，利用圆弧段401的弧形结构逐步消减应力，而通过多段圆弧段401将集中应力分散，圆弧段401利用弧形结构将分散过来的应力进行逐步消弱，从而降低应力对圆弧端齿造成破坏，从而延长圆弧端齿甚至整个轮盘的使用寿命；通过多圆弧段401的方式可以降低应力，并使得圆弧端齿的齿根3与相对圆弧端齿的齿顶1相互配合效果更好，相互之间无干涉，很容易装配。利用三维有限元仿真分析对传统结构及经过本发明改进后的结构进行了对比分析，结果表明，本发明的应力下降了18％，寿命延长了200％。

本实施例中，相邻两段圆弧段401之间的圆弧相接处为平滑过渡。相邻两段圆弧段401在圆弧相接处的切线重合。保证整个圆弧过渡区4的表面光顺，减少装配后构件在运转过程中的相互摩擦以及相互作用力。

本实施例中，紧靠压力面2布置的圆弧段401与压力面2的相接处为平滑过渡。紧靠齿根3布置的圆弧段401与齿根3的相接处为平滑过渡。保证整个圆弧过渡区4的表面光顺，减少装配后构件在运转过程中的相互摩擦以及相互作用力。

本实施例中，圆弧过渡区4各圆弧段401的圆弧半径由中间向两侧方向递减。圆弧过渡区4各圆弧段401的圆弧半径由压力面2向齿根3方向递减。圆弧过渡区4各圆弧段401的圆弧半径由齿根3向压力面2方向递减。根据配合安装后的轮盘在发动机中所起的作用、运转环境、作用力方向以及应力分布情况等，选择相匹配的圆弧段401布置方式，以最大限度的消除应力对圆弧端齿造成的破坏，从而提高圆弧端齿甚至整个轮盘的使用寿命。

本实施例中，圆弧段401的圆弧半径不同并且圆弧段401的圆弧轴线处于不同直线。圆弧段401的圆弧半径不同或者圆弧段401的圆弧轴线处于不同直线。圆弧过渡区4包括至少两组圆弧段401，同组圆弧段401的圆弧半径相同，不同组圆弧段401的圆弧半径不同。通过布置分组设置的圆弧段401，以应对集中应力作用点或者作用区域，更好的消除集中应力。

本实施例中，同组的圆弧段401紧靠布置，多组圆弧段401从压力面2向齿根3方向顺序排列。根据配合安装后的轮盘在发动机中所起的作用、运转环境、作用力方向以及应力分布情况等，选择相匹配的圆弧段401组合布置方式，以最大限度的消除应力对圆弧端齿造成的破坏，从而提高圆弧端齿甚至整个轮盘的使用寿命。

本实施例中，两组圆弧段401相互交替布置。根据配合安装后的轮盘在发动机中所起的作用、运转环境、作用力方向以及应力分布情况等，选择相匹配的圆弧段401组合布置方式，以最大限度的消除应力对圆弧端齿造成的破坏，从而提高圆弧端齿甚至整个轮盘的使用寿命。

本实施例中，相邻两个圆弧端齿之间的中心线为周向宽度中分线，靠近齿根3布置的圆弧段401在齿根3的终结处不超过周向宽度中分线。防止引起齿根3与相对齿顶1之间相互干涉，从而降低装配难度。

本实施例的燃气涡轮发动机的轮盘，轮盘的至少一个端面上设有上述轮盘圆弧端齿5。

本实施例的燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机的转子包括有至少两个上述轮盘6，轮盘6与轮盘6之间通过圆弧端齿5相互啮合连接。

实施时，结构的应力等于基准应力乘上应力集中系数，而对于圆弧过渡处，应力集中系数基本由该处的曲率决定。端齿圆弧过渡处的应力并不是全部过大，全部采用一个曲率不甚合适。为克服此缺点，提出一种变曲率结构。该结构起始点为压力面靠近叶根部分端点(如图1所示)，终结处为齿根3上不超过其周向宽度中分线(如图1所示)的一点，随后首尾顺序连接有多段圆弧(R1、R2…RN)，每段圆弧的半径及圆心按一定规律变化(该规律由结构优化得到)，且在相接处两段圆弧的切线重合以保证光顺。

圆弧端齿5的齿根3过渡处的变曲率结构形式，不论圆弧段401数取多少均在保护之列。

本发明最大的优点是可以在较小的结构空间内大幅降低应力，延长端齿寿命。

利用三维有限元仿真分析对某一传统结构及经过本发明改进后的结构进行了对比分析，结果表明，本发明的应力下降了18％，寿命延长了200％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，包括齿顶(1)、压力面(2)和齿根(3)，

所述压力面(2)处于所述齿顶(1)与所述齿根(3)之间，

其特征在于，

所述压力面(2)与所述齿根(3)之间设有用以缓冲应力和减轻应力集中的圆弧过渡区(4)，

所述圆弧过渡区(4)的径向截面包括至少两段圆弧段(401)。

2.根据权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

相邻两段所述圆弧段(401)之间的圆弧相接处为平滑过渡；

或者相邻两段所述圆弧段(401)在圆弧相接处的切线重合。

3.根据权利要求1所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

紧靠所述压力面(2)布置的所述圆弧段(401)与所述压力面(2)的相接处为平滑过渡；

紧靠所述齿根(3)布置的所述圆弧段(401)与所述齿根(3)的相接处为平滑过渡。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

所述圆弧过渡区(4)各所述圆弧段(401)的圆弧半径由中间向两侧方向递减；

或者所述圆弧过渡区(4)各所述圆弧段(401)的圆弧半径由所述压力面(2)向所述齿根(3)方向递减；

或者所述圆弧过渡区(4)各所述圆弧段(401)的圆弧半径由所述齿根(3)向所述压力面(2)方向递减。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

所述圆弧段(401)的圆弧半径不同和/或所述圆弧段(401)的圆弧轴线处于不同直线；

所述圆弧过渡区(4)包括至少两组所述圆弧段(401)，

同组所述圆弧段(401)的圆弧半径相同，

不同组所述圆弧段(401)的圆弧半径不同。

6.根据权利要求5所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

同组的所述圆弧段(401)紧靠布置，

多组所述圆弧段(401)从所述压力面(2)向所述齿根(3)方向顺序排列。

7.根据权利要求5所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，两组所述圆弧段(401)相互交替布置。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的用于燃气涡轮发动机的轮盘圆弧端齿，其特征在于，

相邻两个圆弧端齿之间的中心线为周向宽度中分线，

靠近所述齿根(3)布置的所述圆弧段(401)在所述齿根(3)的终结处不超过周向宽度中分线。

9.一种燃气涡轮发动机的轮盘，其特征在于，轮盘的至少一个端面上设有如权利要求1至8中任一项所述的轮盘圆弧端齿(5)。

10.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，燃气涡轮发动机的转子包括有至少两个如权利要求9所述的燃气涡轮发动机的轮盘(6)，轮盘(6)与轮盘(6)之间通过圆弧端齿(5)相互啮合连接。