CN104314619B - 一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于涡轮叶盘技术，涉及一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法。本发明首先对整体叶盘叶片初始固有频率进行测量，然后依据测得的频率，结合气流周期性脉动的激振频率或动应力测量的结果，计算出需要调整的叶片频率，使得叶片的各阶固有频率具有安全的共振频率裕度，然后根据计算需要调整的叶片频率，对整体叶盘每个叶片之间开槽，并根据调整频率的要求确定槽的径向深度，并在每个槽底加工止裂孔，在止裂孔内装入销子。本发明有效降低了叶片固有频率，改变了叶片的刚度、振型和振动应力分布，使叶片共振不发生或使其共振的重要振动模态调出工作转速范围，而且简单易行，调频效果显著，尺寸精度易控制，能满足实际要求。

Description

一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法
技术领域
本发明属于涡轮叶盘技术，涉及一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法。
背景技术
随着小型航空发动机使用性能的不断提高，其涡轮整体叶盘的工作载荷越来越高，叶片的工作条件也愈来愈恶劣，导致涡轮转子叶片受到不均匀流场的周期性激振力越显著，使得涡轮整体叶盘叶片发生受迫振动，造成整体叶盘叶片因承受较大的共振应力而发生高周疲劳失效。因此，为了避免整体叶盘叶片在工作过程中产生共振，通过调整叶盘叶片的各阶固有频率，使其固有频率避开气流的激振频率，以达到消除在工作转速范围内产生共振的目的。
现有小型航空发动机涡轮整体叶盘叶片固有频率的调整，一般采用叶尖削角、改变叶片的叶型结构或调整叶片数的方法，以达到调整各阶固有频率。然而对于涡轮整体叶盘，由于叶片的频率高，采用叶尖削角，调整范围小，很难达到避开激振频率的要求，同时对气动性能也有一定影响。而采用改变叶片叶型结构或调整叶片数的方法，设计和加工的周期长、对气动性能的影响还需重新试验验证。
发明内容
本发明的目的：为了解决现有技术涡轮整体叶盘叶片固有频率调整方法范围小、设计加工周期长、影响气动性能等问题，本发明提供了一种调整范围大、结构简单、可靠性高的涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法。
本发明的技术方案：一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构，整体叶盘每个叶片之间开设有切缝，叶盘轮缘下方设置有与切缝连通的止裂孔，且所述止裂孔内设置有防止轴向漏气的销子。
所述切缝的宽度为0.2-0.4mm，并与发动机轴线成一定夹角，以达到较好地包容根部叶型的目的。
所述切缝的深度范围为距离轮缘3-7mm。
防止轴向漏气的销子结构为中间段实心，两端为薄壁空心。
一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整方法，其首先对整体叶盘叶片初始固有频率进行测量，然后依据测得的频率，结合气流周期性脉动的激振频率或动应力测量的结果，计算出需要调整的叶片频率，使得叶片的各阶固有频率具有安全的共振频率裕度，然后根据计算需要调整的叶片频率，对整体叶盘每个叶片之间切缝，并根据调整频率的要求确定切缝的径向深度，并在每个缝底加工止裂孔，在止裂孔内装入销子。
叶片初始固有频率为f1，测得或计算的共振频率为f2，当叶片固有频率和共振频率不满足10％的安全裕度时，需要调整的叶片频率为f3＝f1-f2*90％。
切缝和止裂孔的加工采用线切割慢走丝的方法，并对止裂孔的重熔层进行抛光去除。
销子的装配采用两端扩孔变形的方式，以防止工作中脱出。
本发明的有益效果：本发明的涡轮整体叶盘叶片固有频率的调整方法，是通过对整体叶盘叶片通道之间切缝，从而降低叶片固有频率，改变叶片的刚度、振型和振动应力分布，使叶片共振不发生或使其共振的重要振动模态调出工作转速范围。而且这种调整方法简单易行，调频效果显著，工艺性较好，尺寸精度易控制，能满足实际要求。根据某型发动机机涡轮整体叶盘的调整实例，叶片频率调整范围可达原叶片频率的20％，因此具有较大的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构示意图；
图2是图1的A向示意图；
图3是图2的B-B剖图，
其中，1-整体叶盘，2-销子，3-切缝，4-止裂孔。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明：
请同时参阅图1、图2和图3，其中，图1是本发明涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构示意图，图2是图1的A向示意图，图3是图2的B-B剖图。本发明涡轮整体叶盘1的每个叶片之间开有一定宽度的切缝3，切缝与发动机轴线成一定夹角α，切缝的径向深度通过需要调整的频率值来确定，切缝宽度为0.2～0.4，深度距离轮缘3～7mm。调整的频率越大，深度值越大。夹角范围以能够较好的包容住根部叶型。每条切缝的末端加工止裂孔4。该止裂孔为圆形，直径为3～4mm。将防止轴向漏气的销子2塞入止裂孔内，使销子两头均露出盘体约0.7～1.2mm，销子两头为薄壁空心结构，采用圆锥形的冲棒将两头扩孔变形，保证工作中不脱出。
本发明调整叶片频率原理如下：
通过对整体叶盘每个叶片之间切缝，使得原叶片和轮盘完全一体的刚性约束结构变成了叶片之间具有一定的相对位移空间的弹性约束，从而改变了叶片的刚度、实现了对叶片固有频率的调整。
具体实施过程如下：
步骤1：对整体叶盘叶片初始固有频率进行测量；
步骤2：依据测得的频率，结合气流周期性脉动的激振频率或动应力测量的结果，计算需调整的叶片频率，使得叶片的各阶固有频率具有安全的共振频率裕度；例如，叶片初始固有频率为f1，测得或计算的共振频率为f2，若叶片固有频率和共振频率不满足10％的安全裕度，那么需要调整的叶片频率为f3＝f1-f2*90％。
步骤3：根据需调整的叶片频率，采用有限元分析方法，计算每个叶片之间的切缝深度和止裂孔的几何参数，本发明的实施方式中，假设叶盘叶片的各阶固有频率与气流脉动的激振频率之差落在强度安全裕度10％内，需将叶盘叶片之间切缝深度沿半径向盘心移动，直至满足强度振动设计裕度。
步骤4：在止裂孔内装入防止轴向漏气的销子，销子中部为实心，防止漏气，两头为薄壁空心，销子两头用圆锥形冲棒扩孔处理，防止工作中脱出。
本发明可用于涡轮整体叶盘设计之初或经过试验需要调整涡轮整体叶盘叶片频率的情况。根据某型发动机机涡轮整体叶盘的调整实例，叶片频率调整范围可达原叶片频率的20％，因此具有较大的工程实用价值。

Claims (6)

1.一种涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整结构，其特征在于，整体叶盘每个叶片之间开设有切缝，整体叶盘轮缘下方设置有与切缝连通的止裂孔，且所述止裂孔内设置有防止轴向漏气的销子，所述切缝的宽度为0.2-0.4mm，并与发动机轴线成一定夹角，以达到较好地包容根部叶型的目的，所述切缝的深度范围为距离轮缘3-7mm。
2.根据权利要求1所述的涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整结构，其特征在于，防止轴向漏气的销子结构为中间段实心，两端为薄壁空心。
3.一种涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整方法，其特征在于，首先对整体叶盘叶片初始固有频率进行测量，然后依据测得的频率，结合气流周期性脉动的激振频率或动应力测量的结果，计算出需要调整的叶片频率，使得叶片的各阶固有频率具有安全的共振频率裕度，然后根据计算需要调整的叶片频率，对整体叶盘每个叶片之间切缝，并根据调整频率的要求确定切缝的径向深度，并在每个缝底加工止裂孔，在止裂孔内装入销子。
4.根据权利要求3所述的涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整方法，其特征在于，叶片初始固有频率为f1，测得或计算的共振频率为f2，当叶片初始固有频率和共振频率不满足10％的安全裕度时，需要调整的叶片频率为f3＝f1-f2*90％。
5.根据权利要求3所述的涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整方法，其特征在于，切缝和止裂孔的加工采用线切割慢走丝的方法，并对止裂孔的重熔层进行抛光去除。
6.根据权利要求3所述的涡轮的整体叶盘叶片的固有频率的调整方法，其特征在于，销子的装配采用两端扩孔变形的方式，以防止工作中脱出。
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