CN107143380A - 燃气涡轮盘榫槽设计方法、燃气涡轮盘及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮盘榫槽设计方法、燃气涡轮盘及航空发动机。燃气涡轮盘榫槽设计方法，包括以下步骤：a、获取涡轮盘榫槽运转过程中的应力分布情况；b、根据应力分布情况，对涡轮盘榫槽内的连接弧形段采用多极点调节控制曲线曲率，以消减涡轮盘榫槽的应力集中部位；c、调整涡轮盘榫槽各个连接点为平滑过渡。可以根据设计加工和制造各类航空发动机的燃气涡轮盘榫槽，可大幅度降低榫槽局部应力，延长榫槽寿命。利用有限元仿真分析对传统榫槽及本发明榫槽进行了对比分析，结果表明，本发明的榫槽应力下降了25％，榫槽寿命延长200％。

Description

燃气涡轮盘榫槽设计方法、燃气涡轮盘及航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机零件设计加工技术领域，特别地，涉及一种燃气涡轮盘榫槽设计方法。此外，本发明还涉及一种包括上述燃气涡轮盘榫槽设计方法的加工制造的燃气涡轮盘。此外，本发明还涉及一种包括上述燃气涡轮盘的航空发动机。

背景技术

涡轮盘和榫接结构设计是航空发动机结构设计的重要环节，其设计的合理性直接关系到转子部件的强度、寿命及可靠性。涡轮盘与涡轮转子叶片通常采用枞树型榫连接结构形式。叶片本身产生较大的离心力，离心力通过榫头/榫槽多齿结构进行接触传递，由于榫头榫槽结构复杂，榫头榫槽处产生较大的局部应力，易导致榫齿裂纹甚至断裂，叶片脱出，其结果往往是严重的。

现有技术通过圆弧或圆弧和直线的方式进行榫槽榫齿连接处设计，该设计易导致圆弧过渡圆角半径小，应力集中现象严重。

发明内容

本发明提供了一种燃气涡轮盘榫槽设计方法、燃气涡轮盘及航空发动机，以解决现有航空发动机涡轮盘榫槽设计，容易产生应力集中现象，而导致生产的产品榫齿裂纹甚至断裂、叶片脱出等一系列的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种燃气涡轮盘榫槽设计方法，包括以下步骤：a、获取涡轮盘榫槽运转过程中的应力分布情况；b、根据应力分布情况，对涡轮盘榫槽内的连接弧形段采用多极点调节控制曲线曲率，以消减涡轮盘榫槽的应力集中部位；c、调整涡轮盘榫槽各个连接点为平滑过渡。

进一步地，步骤a具体为：对涡轮盘与涡轮转子叶片的装配及其运转情况进行仿真模拟，获取涡轮盘运转过程中涡轮盘榫槽内的应力分布情况，获取涡轮盘榫槽与涡轮转子叶片榫齿之间的应力集中部位。

进一步地，步骤b具体为：针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽的弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位；和/或针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽外连接部位弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位。

进一步地，采用四个极点调节控制曲线曲率。

进一步地，燃气涡轮盘榫槽内沿槽深方向依次排布有多个配合槽，配合槽的弧形段包括远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段以及涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段。

进一步地，远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：第一配合槽包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第一榫齿接触直线、靠近涡轮盘榫槽槽底端用于弧形结构过渡的第一榫齿过渡直线以及处于第一榫齿接触直线与第一榫齿过渡直线之间的第一弧形段；第一弧形段与第一榫齿接触直线之间为第一接触连接极点A1，第一榫齿接触直线朝向第一弧形段的延长线上具有用于移动调节的第一接触浮动极点A2，第一弧形段与第一榫齿过渡直线之间为第一过渡连接极点A4，第一榫齿过渡直线朝向第一弧形段的延长线上具有用于移动调节的第一过渡浮动极点A3；通过调节第一接触浮动极点A2与第一过渡浮动极点A3的位置，以消减第一配合槽内的应力集中。

进一步地，第一配合槽调节完毕后，按照第一配合槽的调节步骤依次向涡轮盘榫槽槽底端方向调节各个配合槽。

进一步地，涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：涡轮盘榫槽转角部位包括用于与涡轮转子叶片榫齿接触的接触弧形段以及用于涡轮盘榫槽槽底弧形过渡的槽底弧形段，接触弧形段与槽底弧形段连接并平滑过渡；接触弧形段包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第二榫齿接触直线以及第二弧形段，槽底弧形段包括第三弧形段以及槽底连接直线；第二弧形段与第二榫齿接触直线之间为第二接触连接极点B5，第二榫齿接触直线朝向第二弧形段的延长线上具有用于移动调节的第二接触浮动极点B6，第二弧形段上与第三弧形段的连接部位具有用于浮动调节的第二浮动连接极点B8，第二接触浮动极点B6与第二浮动连接极点B8之间具有用于浮动调节的第二浮动极点B7；第三弧形段与槽底连接直线之间为第三槽底连接极点C12，槽底连接直线朝向第三弧形段的延长线上具有第三槽底浮动极点C11，第三弧形段上与第二弧形段的连接部位具有用于浮动调节的第三浮动连接极点C9，第三浮动连接极点C9与第三槽底浮动极点C11之间具有用于浮动调节的第三浮动极点C10；第二浮动连接极点B8与第三浮动连接极点C9共点且处于第二浮动极点B7与第三浮动极点C10的连线上；通过组合调节第二接触浮动极点B6、第二浮动极点B7、共点的第二浮动连接极点B8和第三浮动连接极点C9、第三浮动极点C10以及第三槽底浮动极点C11，以消减接触弧形段和槽底弧形段内的应力集中。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮盘，其采用上述燃气涡轮盘榫槽设计方法设计加工制造燃气涡轮盘榫槽。

根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，其包括上述燃气涡轮盘。

本发明具有以下有益效果：

本发明燃气涡轮盘榫槽设计方法，通过仿真获取涡轮盘榫槽部位的应力分布情况，了解涡轮盘榫槽与涡轮转子叶片榫齿之间的应力集中情况；采用模拟方式，调节应力集中部位的各个弧形段的曲线曲率，从而以及使点接触转变为线接触、线接触转变为面接触、小面积面接触转变为大面积接触的控制调节原则，以尽可能的消减应力集中部位，减少应力集中；调节完各个曲线曲率后，调整涡轮盘榫槽内的各个线连接部位的连接点，以使整个涡轮盘榫槽内的各个连接点呈平滑过渡，减小应力集中点或应力集中线的产生几率。可以根据设计加工和制造各类航空发动机的燃气涡轮盘榫槽，可大幅度降低榫槽局部应力，延长榫槽寿命。利用有限元仿真分析对传统榫槽及本发明榫槽进行了对比分析，结果表明，本发明的榫槽应力下降了25％，榫槽寿命延长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燃气涡轮盘榫槽设计方法的步骤流程框图；

图2是本发明优选实施例的涡轮盘榫槽结构的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的涡轮盘榫槽结构的局部放大结构示意图。

图例说明：

1、第一配合槽；101、第一榫齿接触直线；102、第一榫齿过渡直线；103、第一弧形段；2、接触弧形段；201、第二榫齿接触直线；202、第二弧形段；3、槽底弧形段；301、第三弧形段；302、槽底连接直线。

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，但是本发明可以由下述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燃气涡轮盘榫槽设计方法的步骤流程框图；图2是本发明优选实施例的涡轮盘榫槽结构的结构示意图；图3是本发明优选实施例的涡轮盘榫槽结构的局部放大结构示意图。

如图1所示，本实施例的燃气涡轮盘榫槽设计方法，包括以下步骤：a、获取涡轮盘榫槽运转过程中的应力分布情况；b、根据应力分布情况，对涡轮盘榫槽内的连接弧形段采用多极点调节控制曲线曲率，以消减涡轮盘榫槽的应力集中部位；c、调整涡轮盘榫槽各个连接点为平滑过渡。众所周知，应力集中部位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。现有技术通过圆弧或圆弧和直线的方式进行榫齿连接处设计,是一种单曲率设计。该设计应力集中现象严重，从而导致局部应力过大，榫槽寿命偏短。事实上，榫齿连接处的应力并不是全部过大，全部采用一个曲率并不合适，更合理的设计是采用变曲率设计。本发明燃气涡轮盘榫槽设计方法，通过仿真获取涡轮盘榫槽部位的应力分布情况，了解涡轮盘榫槽与涡轮转子叶片榫齿之间的应力集中情况；采用模拟方式，调节应力集中部位的各个弧形段的曲线曲率，从而以及使点接触转变为线接触、线接触转变为面接触、小面积面接触转变为大面积接触的控制调节原则，以尽可能的消减应力集中部位，减少应力集中。通过样条曲线对榫齿连接部分进行设计，用于提高燃气涡轮盘榫槽寿命。调节完各个曲线曲率后，调整涡轮盘榫槽内的各个线连接部位的连接点，以使整个涡轮盘榫槽内的各个连接点呈平滑过渡，减小应力集中点或应力集中线的产生几率。可以根据设计加工和制造各类航空发动机的燃气涡轮盘榫槽，可大幅度降低榫槽局部应力，延长榫槽寿命。利用有限元仿真分析对传统榫槽及本发明榫槽进行了对比分析，结果表明，本发明的榫槽应力下降了25％，榫槽寿命延长200％。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，步骤a具体为：对涡轮盘与涡轮转子叶片的装配及其运转情况进行仿真模拟，获取涡轮盘运转过程中涡轮盘榫槽内的应力分布情况，获取涡轮盘榫槽与涡轮转子叶片榫齿之间的应力集中部位。

本实施例中，步骤b具体为：针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽的弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位；和/或针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽外连接部位弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位。可选地，涡轮盘榫槽内的配合槽的弧形段为第一配合槽1所处位置。可选地，涡轮盘榫槽内的配合槽外连接部位弧形段为接触弧形段2所处位置。

本实施例中，采用四个极点调节控制曲线曲率。

本实施例中，燃气涡轮盘榫槽内沿槽深方向依次排布有多个配合槽，配合槽的弧形段包括远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段以及涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段。

本实施例中，远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：第一配合槽1包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第一榫齿接触直线101、靠近涡轮盘榫槽槽底端用于弧形结构过渡的第一榫齿过渡直线102以及处于第一榫齿接触直线101与第一榫齿过渡直线102之间的第一弧形段103；第一弧形段103与第一榫齿接触直线101之间为第一接触连接极点A1，第一榫齿接触直线101朝向第一弧形段103的延长线上具有用于移动调节的第一接触浮动极点A2，第一弧形段103与第一榫齿过渡直线102之间为第一过渡连接极点A4，第一榫齿过渡直线102朝向第一弧形段103的延长线上具有用于移动调节的第一过渡浮动极点A3；通过调节第一接触浮动极点A2与第一过渡浮动极点A3的位置，以消减第一配合槽1内的应力集中。众所周知，应力集中部位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。现有技术通过圆弧或圆弧和直线的方式进行榫齿连接处设计,是一种单曲率设计。该设计应力集中现象严重，从而导致局部应力过大，榫槽寿命偏短。事实上，榫齿连接处的应力并不是全部过大，全部采用一个曲率并不合适，更合理的设计是采用变曲率设计。

本实施例中，第一配合槽1调节完毕后，按照第一配合槽1的调节步骤依次向涡轮盘榫槽槽底端方向调节各个配合槽。

本实施例中，涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：涡轮盘榫槽转角部位包括用于与涡轮转子叶片榫齿接触的接触弧形段2以及用于涡轮盘榫槽槽底弧形过渡的槽底弧形段3，接触弧形段2与槽底弧形段3连接并平滑过渡；接触弧形段2包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第二榫齿接触直线201以及第二弧形段202，槽底弧形段3包括第三弧形段301以及槽底连接直线302；第二弧形段202与第二榫齿接触直线201之间为第二接触连接极点B5，第二榫齿接触直线201朝向第二弧形段202的延长线上具有用于移动调节的第二接触浮动极点B6，第二弧形段202上与第三弧形段301的连接部位具有用于浮动调节的第二浮动连接极点B8，第二接触浮动极点B6与第二浮动连接极点B8之间具有用于浮动调节的第二浮动极点B7；第三弧形段301与槽底连接直线302之间为第三槽底连接极点C12，槽底连接直线302朝向第三弧形段301的延长线上具有第三槽底浮动极点C11，第三弧形段301上与第二弧形段202的连接部位具有用于浮动调节的第三浮动连接极点C9，第三浮动连接极点C9与第三槽底浮动极点C11之间具有用于浮动调节的第三浮动极点C10；第二浮动连接极点B8与第三浮动连接极点C9共点且处于第二浮动极点B7与第三浮动极点C10的连线上；通过组合调节第二接触浮动极点B6、第二浮动极点B7、共点的第二浮动连接极点B8和第三浮动连接极点C9、第三浮动极点C10以及第三槽底浮动极点C11，以消减接触弧形段2和槽底弧形段3内的应力集中。

本实施例的燃气涡轮盘，根据上述燃气涡轮盘榫槽设计方法设计加工制造燃气涡轮盘榫槽。

本实施例的航空发动机，包括上述燃气涡轮盘。

实施时，燃气涡轮盘榫槽设计方法，将榫槽设计分为配合槽和连接处两个部分，包括以下步骤：a、燃气涡轮盘配合槽部分采用传统的直线和圆弧连接的方法进行设计；b、燃气涡轮盘配合槽连接处通过4个极点控制的样条曲线进行设计；c、燃气涡轮盘配合槽与榫齿连接处进行连接，并保证光滑过渡。

配合槽与榫齿连接处，详细设计方法如下：

第一齿连接处采用一段4个极点控制的样条曲线进行设计，其中点A1和点A2控制点连线、点A3与点A4控制点连线分别与第一榫齿接触直线101、第一榫齿过渡直线102共线。第二榫齿连接处采用二段4个极点控制的样条曲线进行设计，其中点B5和点B6控制点连线、点C11和点C12控制点连线分别与第二榫齿接触直线201、槽底连接直线302共线，点B8控制点和点C9控制点重合，且位于点B7控制点和点C10控制点连线上，以保证两段曲线光滑过渡。详细结构如图2和图3所示。该曲线依据4个控制点即可绘制出一条光滑曲线，通过控制曲线上的4个点(起始点、终止点以及2个相互分离的中间点)来创造、编辑曲线，移动两端的控制点时，曲线改变曲线的弯曲程度，移动中间点(也就是移动虚拟的控制线)时，曲线在起始点和终止点锁定的情况下做均匀移动。该曲线的所有控制点、节点均可编辑，可以通过优化的手段对控制点进行优化设计，减小应力集中。该设计实现了榫齿连接处曲线的变曲率设计，在不改变榫连接其它结构的前提下，仅将传统的榫齿连接处替换成本发明的过渡结构，即可缓解榫齿连接处的应力集中情况，降低榫槽局部应力，延长榫槽寿命。

本发明的配合槽与榫齿连接处采用4极点控制的样条曲线进行设计，榫槽其它部位按传统的直线和圆弧连接的方法进行设计。采用样条曲线设计的榫接结构。是在不改变榫槽其它结构的前提下，仅将配合槽与榫齿连接处替换成本发明的过渡结构，即可大幅度降低榫槽局部应力，延长榫槽寿命。利用有限元仿真分析对传统榫槽及本发明榫槽进行了对比分析，结果表明，本发明的榫槽应力下降了25％，榫槽寿命延长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)

1.一种燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

包括以下步骤：

a、获取涡轮盘榫槽运转过程中的应力分布情况；

b、根据应力分布情况，对涡轮盘榫槽内的连接弧形段采用多极点调节控制曲线曲率，以消减涡轮盘榫槽的应力集中部位；

c、调整涡轮盘榫槽各个连接点为平滑过渡。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

步骤a具体为：

对涡轮盘与涡轮转子叶片的装配及其运转情况进行仿真模拟，

获取涡轮盘运转过程中涡轮盘榫槽内的应力分布情况，

获取涡轮盘榫槽与涡轮转子叶片榫齿之间的应力集中部位。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

步骤b具体为：

针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽的弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位；和/或

针对与涡轮转子叶片的榫齿相接触的涡轮盘榫槽内的配合槽外连接部位弧形段采用多极点调节控制弧形段内的曲线曲率，以消减应力集中部位。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

采用四个极点调节控制曲线曲率。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

燃气涡轮盘榫槽内沿槽深方向依次排布有多个配合槽，

配合槽的弧形段包括远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段以及涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

远离涡轮盘榫槽槽底端依次排布的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：

第一配合槽(1)包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第一榫齿接触直线(101)、靠近涡轮盘榫槽槽底端用于弧形结构过渡的第一榫齿过渡直线(102)以及处于第一榫齿接触直线(101)与第一榫齿过渡直线(102)之间的第一弧形段(103)；

第一弧形段(103)与第一榫齿接触直线(101)之间为第一接触连接极点A1，第一榫齿接触直线(101)朝向第一弧形段(103)的延长线上具有用于移动调节的第一接触浮动极点A2，第一弧形段(103)与第一榫齿过渡直线(102)之间为第一过渡连接极点A4，第一榫齿过渡直线(102)朝向第一弧形段(103)的延长线上具有用于移动调节的第一过渡浮动极点A3；

通过调节第一接触浮动极点A2与第一过渡浮动极点A3的位置，以消减第一配合槽(1)内的应力集中。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

第一配合槽(1)调节完毕后，按照第一配合槽(1)的调节步骤依次向涡轮盘榫槽槽底端方向调节各个配合槽。

8.根据权利要求5所述的燃气涡轮盘榫槽设计方法，其特征在于，

涡轮盘榫槽转角部位的配合槽槽段的极点调节控制，具体为：

涡轮盘榫槽转角部位包括用于与涡轮转子叶片榫齿接触的接触弧形段(2)以及用于涡轮盘榫槽槽底弧形过渡的槽底弧形段(3)，接触弧形段(2)与槽底弧形段(3)连接并平滑过渡；

接触弧形段(2)包括远离涡轮盘榫槽槽底端用于与涡轮转子叶片榫齿接触的第二榫齿接触直线(201)以及第二弧形段(202)，槽底弧形段(3)包括第三弧形段(301)以及槽底连接直线(302)；

第二弧形段(202)与第二榫齿接触直线(201)之间为第二接触连接极点B5，第二榫齿接触直线(201)朝向第二弧形段(202)的延长线上具有用于移动调节的第二接触浮动极点B6，第二弧形段(202)上与第三弧形段(301)的连接部位具有用于浮动调节的第二浮动连接极点B8，第二接触浮动极点B6与第二浮动连接极点B8之间具有用于浮动调节的第二浮动极点B7；

第三弧形段(301)与槽底连接直线(302)之间为第三槽底连接极点C12，槽底连接直线(302)朝向第三弧形段(301)的延长线上具有第三槽底浮动极点C11，第三弧形段(301)上与第二弧形段(202)的连接部位具有用于浮动调节的第三浮动连接极点C9，第三浮动连接极点C9与第三槽底浮动极点C11之间具有用于浮动调节的第三浮动极点C10；

第二浮动连接极点B8与第三浮动连接极点C9共点且处于第二浮动极点B7与第三浮动极点C10的连线上；

通过组合调节第二接触浮动极点B6、第二浮动极点B7、共点的第二浮动连接极点B8和第三浮动连接极点C9、第三浮动极点C10以及第三槽底浮动极点C11，以消减接触弧形段(2)和槽底弧形段(3)内的应力集中。

9.一种燃气涡轮盘，其特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述燃气涡轮盘榫槽设计方法设计加工制造燃气涡轮盘榫槽。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求9所述的燃气涡轮盘。