CN108131169B - 适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，伸根段两侧的型线与叶身段根部区域对应两侧的型线基本相同，或者，所述叶背侧和叶盆侧的型线至少为非对称的翼形型线型式，且所述伸根段横截面的重心调整至偏向所述叶背侧一面。本发明的伸根结构可以应用在航空发动机、燃气轮机的压气机/涡轮转子叶片结构上，通过伸根段的翼/叶型型线优化，实现榫齿两侧接触面接触应力的非对称调整。在叶片工作状态下，叶片叶身会受到气动弯矩的作用，此时，非对称的榫齿接触应力可以实现对称化的调整目的。从而实现叶片两侧榫头、榫齿接触面接触应力的均载设计目标。具有工程化应用的巨大前景。

Description

适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构

技术领域

本发明属于燃气轮机或航空发动机转子叶片领域，具体涉及一种榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，可应用于采用榫头/榫齿连接型式的压气机转子叶片或者涡轮转子叶片上。

背景技术

榫连接型式的压气机转子叶片、涡轮转子叶片的结构设计是一个在燃气轮机以及航空发动机领域均有重要实际工程意义的问题。现有燃气轮机、航空发动机的结构设计中，转子叶片伸根段往往设计为等厚度的简单直面结构或通过拉伸成形的方法实现由叶身根部向榫头的过渡。但考虑到在实际工作状态下，现有结构的转子叶片，尤其是大扭角涡轮转子叶片以及高负荷压气机转子叶片，叶身在运转过程中将会受到离心力以及气动弯矩的作用，在离心力及气动弯矩的作用下，伸根段及榫头/榫齿两侧接触面偏向叶盆侧，导致叶盆侧伸根段及榫头/榫齿的接触应力较大，导致伸根段及榫头/榫齿两侧工作面的接触应力出现不均载的现象。

发明内容

针对现有转子叶片结构中所面临的伸根段及榫头/榫齿两侧工作面接触应力不均载承力的技术问题，本发明提供了一种适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，可实现工作状态下叶片叶身在离心力及气动弯矩作用下伸根段及榫头/榫齿工作面的均载设计要求，可在燃气轮机、航空发动机等领域中应用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，所述转子叶片包括叶身段、伸根段和榫头段，所述伸根段位于叶身段与榫头段之间，所述转子叶片通过榫头段实现与转子轮盘的连接，其特征在于，

所述伸根段包括叶背侧和叶盆侧，所述叶背侧和叶盆侧的型线与所述叶身段根部区域对应两侧的型线基本相同，或者，所述叶背侧和叶盆侧的型线至少为非对称的翼形型线型式，

且所述伸根段横截面的重心调整至偏向所述叶背侧一面。

本发明的适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，通过在伸根段两侧采用接近转子叶片叶身根部叶型的翼/叶型型线进行造型，或者至少使叶背侧和叶盆侧的型线为非对称的翼形型线型式，利用非对称的型线变化规律，实现叶片重心位置的调整，使伸根段横截面的重心调整至偏向所述叶背侧一面，使得在纯离心应力作用下，叶背侧的伸根段及榫头/榫齿工作面接触应力较大，当考虑叶片叶身气动弯矩的作用下，叶盆侧的伸根段及榫头/榫齿工作面接触应力加大，最终实现两侧伸根段及榫头/榫齿接触面的均载承力。

优选地，利用伸根段两侧或伸根段端面的精密点对叶片进行位置度的控制，实现叶片叶身与榫头的精准定位要求。

优选地，所述伸根段两侧的型线可以采用与转子叶片叶身根部叶型截面相近的叶型型面作为初始造型，并经设计要求优化调整以得到最终的伸根造型型面，或所述伸根段两侧的型线可以采用对称、非对称的造型方式。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述伸根结构的榫连接转子叶片。

优选地，所述转子叶片采用精密铸造或锻造方式加工成型，所述伸根段侧面型线采用数控加工成型方式。具体地，采用这种结构设计型式的涡轮叶片毛坯应当采用精密铸造的方式，叶身与伸根段均为无余量铸造区；采用这种结构型式的压气机叶片毛坯应当采用锻造的方式，伸根段侧面型线部分采用数控加工的成型方法。

优选地，所述转子叶片的1～2个定位点应当选取在伸根段，并通过伸根段的定位点满足叶片叶身各截面位置与叶片榫头的位置度关系。

优选地，所述伸根段与叶身不同叶型型面位置的精确定位是转子叶片毛坯的关键要求，应作为关键尺寸进行检测。采用这种结构的转子叶片，转子叶片叶身也建议采用无余量精密铸造的方式。通过伸根段的1～2个定位点，以及叶身缘板、叶身型面上的4～5个定位点实现伸根段、转子叶身的精确定位。利用最终选定的6个定位点，伸根段以下的榫头型线采用机械磨削的方式加工得到，并与叶片叶身个位置截面型线、叶片伸根段发生定位关系。

优选地，采用这种结构的伸根段，当其采用无余量精密铸造方式时，允许对布置在该段上的定位点进行打磨、抛修，以保证叶片叶身、叶片榫头的相互定位要求。同时，在伸根铸造段与榫头机械加工段的过渡连接位置，允许对过渡连接的凸台进行抛修，亦可不做处理。

优选地，采用这种结构的叶片伸根段，该区域应当定义为叶片的B区域，对该区域应当进行X光以及荧光检测。避免毛坯在该段的铸造疏松或者各种机械加工过程中可能出现的划痕。

采用这种结构设计方法的转子叶片，在转子叶片叶身与榫头之间设计有长度不等的伸根段。伸根段的长度可根据叶片叶身相对于榫头/榫齿工作面重心的调整的要求以及翼/叶型型线设计结果综合优化设计得到。相对较长的伸根段可以更容易实现转子叶片重心位置的调整。

同现有技术相比，本发明的适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，压气机/涡轮转子叶片重心位置通过伸根位置的翼/叶型伸根型线结构实现。实现双侧榫头/榫齿连接位置处接触面应力的对称或非对称调整。本发明可以应用在航空发动机、燃气轮机的压气机/涡轮转子叶片结构上，通过伸根段的翼/叶型型线优化，实现榫齿两侧接触面接触应力的非对称调整。从而实现叶片两侧榫头、榫齿接触面接触应力的均载设计目标。具有工程化应用的巨大前景。

附图说明

图1为采用本发明的伸根结构的某型航空发动机高压涡轮转子叶片结构示意图；

图2为本发明的伸根结构的横截面示意图，对应图1中的C-C截面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

图1为采用本发明的伸根结构的某型涡扇发动机中适用于榫连接转子叶片结构示意图。如图1所示，该转子叶片从上至下依次划分为叶身段10、伸根段20以及榫头段30这三个部分。其中，如图2所示，伸根段20的叶背侧201和叶盆侧202采用了非对称的叶型型线(见C-C剖面图)，利用非对称的型线变化规律，实现叶片重心位置的调整，伸根段20两侧也可以采用接近叶身段10根部的翼/叶型型线进行造型，伸根段20两侧的型线可以采用对称、非对称的造型方法。采用这种结构的伸根段，其重心调整的目标是实现榫头/榫齿两侧接触面的均载承力。一般来说，对于大扭角涡轮转子叶片以及高负荷压气机转子叶片，工作状态下叶片叶身的气动弯矩将会使得叶片榫头/榫齿两侧接触面偏向叶盆侧(即叶片盆侧榫头/榫齿接触面承力更大)。为了改善榫头/榫齿的不均载承力特点，翼/叶型伸根段的重心可调整至偏向叶背侧一面。这样，在纯离心应力作用下，叶背侧的榫头/榫齿工作面接触应力较大，当考虑叶片叶身气动弯矩的作用下，叶盆侧的榫头/榫齿工作面接触应力加大。在离心载荷和气动弯矩的综合作用下，叶片伸根段、叶片榫头/榫齿接触面可以实现均载的设计目标。

该转子叶片毛坯采用无余量精密铸造的方式完成，同时，为了实现零件成品状态下叶片叶身与榫头的精密定位要求，建议在伸根段20的叶背侧201和伸根段20的前端面各选取1点，作为叶片榫头机械加工时的辅助定位点。该涡轮转子叶片通过叶型伸根段的设计，实现了重心位置向叶背侧偏移的目的，并通过重心偏移量的调整，实现榫头/榫齿两侧接触工作面的均载承力设计要求。

对于采用这种结构的转子叶片，伸根段与叶身不同叶型型面位置的精确定位是转子叶片毛坯的关键要求，应作为关键尺寸进行检测。采用这种结构的转子叶片，转子叶片叶身也建议采用无余量精密铸造的方式。通过伸根段的1～2个定位点，以及叶身缘板、叶身型面上的4～5个定位点实现伸根段、转子叶身的精确定位。利用最终选定的6个定位点，伸根段以下的榫头型线采用机械磨削的方式加工得到，并与叶片叶身个位置截面型线、叶片伸根段发生定位关系。

采用这种结构的转子叶片，翼/叶型型面的伸根段位置应采用荧光、X光的检测方法，避免任何铸造过程中所产生的铸造疏松结构。若采用机械加工的方法，伸根段应在五轴数控中心上完成复杂型线的精密机械加工。

需要说明的是，不同实用例中的具体结构型式设计和毛坯选材，应综合考虑发动机的结构设计需求，重点考虑在叶片工作状态下，叶片两侧榫齿/榫头能满足均载应力设计的要求。在实际应用例中应根据具体的需要进行细致分析，最终确认该结构的全部设计参数。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，所述转子叶片为压气机叶片或涡轮叶片，包括叶身段、伸根段和榫头段，所述伸根段位于叶身段与榫头段之间，所述转子叶片通过榫头段实现与转子轮盘的连接，所述伸根段包括叶背侧和叶盆侧，其特征在于，

所述叶背侧和叶盆侧的型线采用与所述叶身段根部的叶型截面相近的叶型型面作为初始造型，并按叶片设计要求优化调整以得到最终的伸根造型型面，且所述伸根段横截面的重心调整至偏向所述叶背侧一面，使得工作状态下在叶片的叶身段的离心力及气动弯矩作用下伸根段的两侧、以及榫头与榫齿两侧的接触面实现均载。

2.一种适用于榫连接转子叶片重心位置调整的伸根结构，所述转子叶片为压气机叶片或涡轮叶片，包括叶身段、伸根段和榫头段，所述伸根段位于叶身段与榫头段之间，所述转子叶片通过榫头段实现与转子轮盘的连接，所述伸根段包括叶背侧和叶盆侧，其特征在于，

所述叶背侧和叶盆侧的型线采用根据叶片重心调整要求以及叶片伸根段的实际受力要求进行优化设计的非对称的造型方式，且所述伸根段横截面的重心调整至偏向所述叶背侧一面，使得工作状态下在叶片的叶身段的离心力及气动弯矩作用下伸根段的两侧、以及榫头与榫齿两侧的接触面实现均载。

3.根据权利要求1或2所述的伸根结构，其特征在于，所述转子叶片为涡轮叶片，叶片毛坯采用无余量精密铸造的方法制造，所述伸根段采用侧面型线无余量精密铸造方式，所述榫头段采用机械磨削方式进行加工。

4.根据权利要求1或2所述的伸根结构，其特征在于，所述转子叶片为压气机叶片，叶片毛坯采用锻造的方法制造，叶身段与缘板为无余量锻造区，其余部位为机械加工区域。

5.一种涡轮叶片的加工方法，所述涡轮叶片设置有根据权利要求3所述的伸根结构，其特征在于，在包含缘板上表面的所述叶身段选取4～5点为定位点，所述伸根段选取1～2点为定位点，合计共6点为机械加工的定位点，以实现所述叶身段、伸根段以及榫头段之间相对位置的精准定位。

6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，允许对布置在伸根段上的定位点进行打磨、抛修，以保证叶片的叶身段、榫头段的相互定位要求。

7.一种压气机叶片的加工方法，所述压气机叶片设置有根据权利要求4所述的伸根结构，其特征在于，加工伸根段的基准定位点选取在叶身与缘板上，在数控床上完成机械加工。

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