CN108691575B - 涡轮组件、榫接结构及其制备方法 - Google Patents

涡轮组件、榫接结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供涡轮组件、榫接结构及榫接结构的制备方法。该榫接结构用于连接涡轮组件的叶片和轮盘，包括多个榫齿对，每个榫齿对包括榫槽榫齿与榫头榫齿。榫接结构的制备方法包括：提供榫槽和榫头；以各榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据涡轮组件的温度场确定榫槽榫齿与榫头榫齿的齿距比例；在榫槽上形成榫槽榫齿，在榫头上形成榫头榫齿，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿具有所述的齿距比例；以及将榫头嵌入榫槽，使榫槽榫齿与榫头榫齿配合，以形成榫接结构。该方法所制备的榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，减少了榫接结构由于单个榫齿对的破坏进行更换的次数，降低了成本。

Description

涡轮组件、榫接结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械工程领域，尤其涉及涡轮组件、榫接结构及榫接结构的制备方法。
背景技术
涡轮组件是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式机械，它是航空发动机的主要部件，对航空发动机的性能有很大影响。其中，涡轮组件的叶片和轮盘主要采用榫接结构连接。
现有技术中的榫接结构基于等应力原则制备，然而在涡轮组件工作过程中，榫接结构的各榫齿对疲劳寿命却相差较大，榫接结构由于单个榫齿对的破坏便进行更换的次数较多，增加了成本。
需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供涡轮组件、榫接结构及榫接结构的制备方法，使榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，减少了榫接结构由于单个榫齿对的破坏进行更换的次数，降低了成本。
根据本发明的一个方面，提供一种榫接结构的制备方法，所述榫接结构用于连接涡轮组件的叶片和轮盘，所述榫接结构包括多个榫齿对，每个所述榫齿对包括榫槽榫齿与榫头榫齿，所述制备方法包括：提供榫槽和榫头；以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述涡轮组件的温度场确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例；在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，在所述榫头上形成所述榫头榫齿，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿具有所述的齿距比例；以及将所述榫头嵌入所述榫槽，使所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿配合，以形成所述榫接结构。
在本公开的一种示例性实施例中，所述确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例包括：根据所述涡轮组件的温度场确定各所述榫齿对的温度；以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例包括：以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定各所述榫齿对的目标挤压应力；根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。
在本公开的一种示例性实施例中，所述确定各所述榫齿对的目标挤压应力包括：建立迭代方程组：
Figure BDA0001656469020000021
Figure BDA0001656469020000022
Figure BDA0001656469020000023
其中，Ni为第i个榫齿对的疲劳寿命，Stot为涡轮组件叶片的离心力，Si为第i个榫齿对的目标挤压应力，τ为Si的循环时间，Di为第i个榫齿对在循环时间为τ、载荷为Si中受到的损伤，，Ti为第i个榫齿对的温度，Nf(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的疲劳疲劳寿命，ti(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的蠕变疲劳寿命，其中i为大于1的整数；以榫齿的目标挤压应力Si为变量进行迭代运算以确定各所述榫齿对的目标挤压应力Si。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定的所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例大于1且不为整数。
根据本发明的一个方面，提供一种榫接结构，所述榫接结构由上述任一项所述的方法制备而成。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例大于1且小于2。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿数相等。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿的齿数为大于1的整数。
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮组件，所述涡轮组件包括上述任一项所述的榫接结构。
本发明相比现有技术的有益效果在于：本发明以各榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据涡轮组件的温度场确定榫槽榫齿与榫头榫齿的齿距比例，进而制备出具有该齿距比例的榫接结构，该榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，减少了榫接结构由于单个榫齿对的破坏进行更换的次数，降低了成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本公开榫接结构的制备方法一实施方式的流程图；
图2为本公开榫接结构的制备方法中根据所述涡轮组件的温度场确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例的流程图；
图3为本公开榫接结构的制备方法中根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例的流程图；
图4为本公开榫接结构一实施方式的结构示意图；
图5为本公开榫接结构的制备方法中根据所述各榫齿对的温度确定各所述榫齿对的目标挤压应力中所加载的应力梯形波示意图。
图中：1、榫槽；2、榫头；3、榫槽榫齿；4、榫头榫齿。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
本示例实施方式提供一种榫接结构的制备方法，所述榫接结构可以用于连接涡轮组件的叶片和轮盘，所述榫接结构包括多个榫齿对，每个所述榫齿对包括榫槽榫齿与榫头榫齿，所述制备方法可以包括步骤S11-S14，如图1所示，其中：
步骤S11、提供榫槽和榫头。
步骤S12、以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述涡轮组件的温度场确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。
步骤S13、在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，在所述榫头上形成所述榫头榫齿，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿具有所述的齿距比例。
步骤S14、将所述榫头嵌入所述榫槽，使所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿配合，以形成所述榫接结构。
本示例实施方式以各榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据涡轮组件的温度场确定榫槽榫齿与榫头榫齿的齿距比例，进而制备出具有该齿距比例的榫接结构，该榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，减少了榫接结构由于单个榫齿对的破坏进行更换的次数，降低了成本。
下面，将对本示例实施方式中榫接结构的制备方法的步骤进行进一步的说明。
在步骤S11中，提供榫槽和榫头。
在本示例实施方式中，榫头定位在涡轮组件的叶片下部，具有凸出的一个头部，该榫槽定位在涡轮组件的轮盘的外缘，具有与上述凸出的头部相嵌的凹槽部。该过程中通过加工原材料以提供榫槽和榫头。其中，所述加工方法例如可以包括车削、拉削和磨削中的至少一种，但本示例实施方式中的加工方法不以此为限。其中，所述原材料可以为强度较高的材料，例如可以为钛合金材料或镍基合金材料，本示例实施方式在此不在一一列举。
需要说明的是，榫头和榫槽的加工并不限于上述实施方式中的内容，还可以采用其它方式，只要能够提供合适的榫头和榫槽即可，具体可参考现有技术中榫头和榫槽的加工方法，在此不再详述。
在步骤S12中，以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述涡轮组件的温度场确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。
在本示例实施方式中，如图4所示，榫齿可以包括榫头榫齿4和榫槽榫齿3，榫头榫齿4形成于榫头2，榫槽榫齿3形成于榫槽1，一个榫头榫齿4啮合于一个榫槽榫齿3时，便构成一个榫齿对。疲劳寿命可以为榫齿对在疲劳破坏前所经历的应力循环数，其中应力例如可以为挤压应力，该挤压应力是由涡轮组件的叶片所受的离心力对榫齿对进行挤压形成的。如图4所示，榫头榫齿4的齿距为相邻的榫头榫齿4同侧齿廓之间的垂直距离L2，榫槽榫齿3的齿距为相邻的榫槽榫齿3同侧齿廓之间的垂直距离L1。
如图2所示，本示例实施方式中，所述步骤S12可以包括步骤S121和步骤S122。其中：
步骤S121、根据所述涡轮组件的温度场确定各所述榫齿对的温度。
涡轮组件工作时，高温燃气冲刷涡轮组件的叶片做功，叶片的温度极高，而涡轮组件的轮盘的温度较低，热量从叶片通过涡轮组件榫接结构向涡轮组件盘传递，这就导致了涡轮组件的温度场从涡轮组件轮缘至轮盘中心存在一定的温度梯度。对于涡轮组件的温度场而言，可以采用热电偶法或示温漆法测定。其中，示温漆法可以是在涡轮组件上涂覆选定的示温漆，该示温漆在特定的温度下变色，并将保持所经历最高温度对应的颜色，从而得到涡轮组件的温度场。上述示温漆例如可以为有机硅示温漆。热电偶法是在涡轮组件上布置测温靶，在靶上沿径向布置若干热电偶，通过此方法便可近似的得到涡轮组件表面的温度值，进而得到涡轮组件的温度场。上述热电偶例如可以为铂铑10-铂热电偶、铁-铜镍热电偶、铜-铜镍热电偶或镍铬-镍硅热电偶。
对于榫齿对的温度而言，首先通过预先判断最后制备的榫接结构的各个榫齿对在未来应用于涡轮组件时所处的位置，进而结合涡轮组件的温度场确定各个榫齿对的温度。
步骤S122、以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。如图3所示，本示例实施方式中，所述步骤S122可以包括步骤S1221和步骤S1222。其中：
步骤S1221、以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定各所述榫齿对的目标挤压应力。
该过程中，首先建立迭代方程组，如下所示：
Figure BDA0001656469020000061
Figure BDA0001656469020000062
Figure BDA0001656469020000063
其中，Ni为第i个榫齿对的疲劳寿命，Stot为涡轮组件叶片的离心力，Si为第i个榫齿对的目标挤压应力，τ为Si的循环时间，Di为第i个榫齿对在循环时间为τ、载荷为Si中受到的损伤，Ti为第i个榫齿对的温度，Nf(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的疲劳寿命，ti(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的蠕变疲劳寿命，其中i可以为大于0的整数；接着以榫齿的目标挤压应力Si为变量进行迭代运算以确定各所述榫齿对的目标挤压应力Si。上述的Nf(Si，Ti)和ti(Si，Ti)可以通过材料手册查询。以对涡轮组件叶片加载应力梯形波为例，如图5所示，图中横轴表示时间，纵轴表示应力，上述离心力Stot为应力m，上述的Si的循环时间τ为(t2-t1)。
步骤S1222、根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例。
该过程中，通过建立关于涡轮组件榫接的有限元模型，根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例，所得到的齿距比例大于1且不为整数。将具有该齿距比例的榫接结构应用于连接涡轮组件的叶片和轮盘时，随着叶片的旋转，靠近轮盘的榫齿对首先接触，靠近叶片的榫齿对仍处于间隙状态，当涡轮组件转速逐渐增加时，靠近叶片的榫齿对也依次逐渐接触，这就使得各榫齿对所承受的载荷沿着轮盘至叶片的方向逐渐减小，而涡轮组件温度场中的温度沿着轮盘至叶片的方向逐渐增大，从而使得各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，降低了榫接结构的更换次数。
在步骤S13中，在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，在所述榫头上形成所述榫头榫齿，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿具有所述的齿距比例。
在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，该形成方法例如可以包括车削、拉削和磨削中的至少一种，但本示例实施方式中的加工方法不以此为限。在所述榫头上形成所述榫头榫齿，该形成方法例如可以为铣削、拉削或磨削，本示例实施方式中不在此一一列举。
在步骤S14中，将所述榫头嵌入所述榫槽，使所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿配合，以形成所述榫接结构。
将所述榫头嵌入所述榫槽，例如可以通过将所述榫头沿着所述涡轮组件的轮盘的轴向方向进入所述榫槽以使所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿配合，从而形成榫接结构。
本示例实施方式还提供一种榫接结构，所述榫接结构由上述任一实施方式所述的方法制备而成。所述榫接结构的效果可参考上述实施方式中榫接结构的制备方法的效果。
在本示例实施方式中，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例大于1且小于2，例如可以为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9，当然还可以为大于1且小于2的其它数。如图4所示，榫槽榫齿3与榫头榫齿4的齿距比例为1.1。该比例下，可以使榫头榫齿和榫槽榫齿一一啮合。
在本示例实施方式中，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿数相等。其中，榫槽榫齿的齿数为大于1的整数，例如可以为2、3或4，但不以此为限，还可以为大于1的别的整数，具体可根据涡轮组件叶片的离心力而定，涡轮组件叶片的离心力越大，榫槽榫齿的齿数越多。如图4所示，榫头榫齿4和榫槽榫齿3的齿数均为3。
本示例实施方式还提供一种涡轮组件，所述涡轮组件包括上述任一实施方式所述的榫接结构，同时还包括叶片和轮盘，当然，还可以包括其它部件，在此不再详述。本示例实施方式的涡轮组件采用的榫接结构与上述实施方式中的榫接结构相同，因此，具有相同的效果，在此不再赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (7)

1.一种榫接结构的制备方法，所述榫接结构用于连接涡轮组件的叶片和轮盘，所述榫接结构包括多个榫齿对，每个所述榫齿对包括榫槽榫齿与榫头榫齿，其特征在于，所述制备方法包括：
提供榫槽和榫头；
以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述涡轮组件的温度场确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例；
在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，在所述榫头上形成所述榫头榫齿，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿具有所述的齿距比例；以及
将所述榫头嵌入所述榫槽，使所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿配合，以形成所述榫接结构；
所述确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例包括：
根据所述涡轮组件的温度场确定各所述榫齿对的温度；
以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例；
所述根据所述各榫齿对的温度确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例包括：
以各所述榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据所述各榫齿对的温度确定各所述榫齿对的目标挤压应力；
根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例；
所述确定各所述榫齿对的目标挤压应力包括：
建立迭代方程组：
Figure FDA0002535086860000011
Figure FDA0002535086860000012
Figure FDA0002535086860000013
其中，Ni为第i个榫齿对的疲劳寿命，Stot为涡轮组件叶片的离心力，Si为第i个榫齿对的目标挤压应力，τ为Si的循环时间，Di为第i个榫齿对在循环时间为τ、载荷为Si中受到的损伤，Ti为第i个榫齿对的温度，Nf(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的疲劳疲劳寿命，ti(Si，Ti)为在温度Ti和目标挤压应力Si下第i个榫齿对的蠕变疲劳寿命，其中i为大于1的整数；
以榫齿的目标挤压应力Si为变量进行迭代运算以确定各所述榫齿对的目标挤压应力Si。
2.根据权利要求1所述的榫接结构的制备方法，其特征在于，所述根据各所述榫齿对的目标挤压应力确定的所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例大于1且不为整数。
3.一种榫接结构，其特征在于，所述榫接结构由权利要求1-2任一项所述的方法制备而成。
4.根据权利要求3所述的榫接结构，其特征在于，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿距比例大于1且小于2。
5.根据权利要求3所述的榫接结构，其特征在于，所述榫槽榫齿与所述榫头榫齿的齿数相等。
6.根据权利要求5所述的榫接结构，其特征在于，所述榫槽榫齿的齿数为大于1的整数。
7.一种涡轮组件，其特征在于，所述涡轮组件包括权利要求3-6任一项所述的榫接结构。
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