CN109339870B - 涡轮组件、榫接结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供涡轮组件、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，该榫接结构包括多个榫齿对，每个榫齿对包括榫槽榫齿与榫头榫齿。该制备方法包括：提供榫槽和榫头；以各榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距；根据榫槽榫齿的齿距在榫槽上形成榫槽榫齿，根据榫头榫齿的齿距在榫头上形成榫头榫齿；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。本公开能够使榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致。

Description

涡轮组件、榫接结构及其制备方法
技术领域
本公开涉及发动机技术领域，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
作为航空发动机的重要部件，涡轮组件通过将流动工质的能量转换为机械功，能够极大地提高航空发动机的性能。
涡轮组件主要包括通过榫接结构连接的叶片和轮盘。该榫接结构包括榫头和榫槽。该榫头和榫槽均具有多个榫齿，使榫头嵌入榫槽，并使榫槽榫齿与榫头榫齿配合以形成多个榫齿对。该多个榫齿对可以使叶片和轮盘能够牢固地连接。然而，在涡轮组件的工作过程中，榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命相差较大。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，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
本公开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，能够使榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致。
根据本公开的一个方面，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。所述榫接结构的制备方法包括：提供榫槽和榫头；以各所述榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各所述榫齿对承受的振动应力和所述叶片承受的离心力确定所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距；根据所述榫槽榫齿的齿距在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，根据所述榫头榫齿的齿距在所述榫头上形成所述榫头榫齿；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，所述根据各所述榫齿对承受的振动应力和所述叶片承受的离心力确定所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距包括：以各所述榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各所述榫齿对承受的振动应力和所述叶片承受的离心力确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力；根据各所述榫齿对承受的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距。
在本公开的一种示例性实施例中，所述确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力包括：建立迭代方程组：
Figure BDA0001844034530000021
Figure BDA0001844034530000022
其中，Stot为所述叶片承受的离心力，Si为第i个所述榫齿对承受的目标挤压应力，SVi为第i个所述榫齿对承受的振动应力，Sai为第i个所述榫齿对承受的目标挤压应力和振动应力的等效力，在各所述榫齿对具有相同的疲劳寿命时，各所述榫齿对承受的等效力相同，Su为所述榫接结构的材料的屈服强度，其中，n为大于或等于2的整数；以目标挤压应力Si为变量进行迭代运算以确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力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承受的目标挤压应力确定的所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距的比值大于1且不为整数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距的比值大于1且小于2。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫接结构的材料为铁基合金、镍基合金或钴基合金。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿和所述榫头榫齿通过磨削或铣削成型。
在本公开的一种示例性实施例中，所述榫槽榫齿的齿数与所述榫头榫齿的齿数相同。
根据本公开的一个方面，提供一种榫接结构，所述榫接结构由上述任一项所述的榫接结构的制备方法制备而成。
根据本公开的一个方面，提供一种涡轮组件，所述涡轮组件包括上述的榫接结构。
本公开相比现有技术的有益效果在于：
本公开的涡轮组件、榫接结构及榫接结构的制备方法，以各榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距，使制备的榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致。
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，并不能限制本公开。
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。
图1为本公开实施方式中榫接结构的制备方法的流程图；
图2为本公开实施方式中榫接结构的制备方法中步骤S12的流程图；
图3为本公开实施方式中榫接结构的示意图。
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。
本公开实施方式提供一种榫接结构的制备方法。该榫接结构可以用于连接涡轮组件的叶片和轮盘，其可以包括多个榫齿对，每个榫齿对均可以包括榫槽榫齿与榫头榫齿。如图1所示，该榫接结构的制备方法可以包括步骤S11-S14，其中：
步骤S11、提供榫槽和榫头。
步骤S12、以各榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距。
步骤S13、根据榫槽榫齿的齿距在榫槽上形成榫槽榫齿，根据榫头榫齿的齿距在榫头上形成榫头榫齿。
步骤S14、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。
本公开实施方式的榫接结构的制备方法，以各榫齿对具有相同疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距，使制备的榫接结构的各榫齿对的疲劳寿命趋于一致。
下面对本公开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。
该榫头的材料可以为铁基合金，以提高榫头的耐高温性能。在本公开其它实施方式中，该榫头的材料还可以为镍基合金或钴基合金等其它具有良好耐高温性能的材料。该榫槽的材料同榫头的材料一致。该榫槽和该榫头均可以通过车削成型，但不以此为限，也可以通过拉削等其它方式成型，在此不再一一列举。此外，该榫头可以连接于涡轮组件中叶片的一端，该榫槽可以连接于涡轮组件中的轮盘。通过将榫头嵌入榫槽，可以将叶片的一端连接于轮盘。
在步骤S12中，以各榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距。
该疲劳寿命可以为各榫齿对在疲劳破坏前所经历的应力循环数或应变循环数。该振动应力可以为各榫齿对在涡轮工作所产生的气流等因素的作用下承受的载荷。该离心力可以为涡轮工作中旋转的叶片承受的载荷。如图3所示，各榫齿对均可以包括榫头榫齿4和榫槽榫齿3。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。具体而言，如图2所示，步骤S12可以包括步骤S121和步骤S122，其中：
步骤S121、以各榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定各榫齿对承受的目标挤压应力。
在叶片所承受的离心力的作用下，各榫齿对中相互配合的榫头榫齿和榫槽榫齿相互挤压，从而使各榫齿对承受有挤压应力。在根据各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力确定各榫齿对承受的目标挤压应力时，首先建立迭代方程组，如下所示：
Figure BDA0001844034530000051
Figure BDA0001844034530000052
其中，Stot为叶片承受的离心力，Si为第i个榫齿对承受的目标挤压应力，SVi为第i个榫齿对承受的振动应力，Sai为第i个榫齿对承受的目标挤压应力和振动应力的等效力，在各榫齿对具有相同的疲劳寿命时，各榫齿对承受的等效力相同，Su为榫接结构的材料的屈服强度，其中，n为大于或等于2的整数；获取Su的值，并检测各榫齿对承受的振动应力以及叶片承受的离心力，最后以目标挤压应力Si为变量进行迭代运算，以确定各榫齿对承受的目标挤压应力Si。上述各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力可以通过实际测量确定。举例而言，各榫齿对承受的振动应力和叶片承受的离心力可以通过在各榫齿对和叶片上设置应变片进行测量。
步骤S122、根据各榫齿对承受的目标挤压应力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距。
该过程中，通过建立关于涡轮组件榫接的有限元模型，根据各榫齿对的目标挤压应力确定榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距。其中，所确定的榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距的比值大于1且不为整数。更具体地，该榫槽榫齿的齿距与榫头榫齿的齿距的比值大于1且小于2，例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9等。一实施方式中，该榫槽榫齿的齿距与该榫头榫齿的齿距相差0.005mm。
在步骤S13中，根据榫槽榫齿的齿距在榫槽上形成榫槽榫齿，根据榫头榫齿的齿距在榫头上形成榫头榫齿。
本公开实施方式可以通过对榫槽进行磨削加工以形成榫槽榫齿。在本公开其它实施方式中，还可以通过对榫槽进行铣削加工或车削加工以形成榫槽榫齿。该榫头榫齿可以通过对榫头进行磨削加工成型，但不以此为限，也可以通过对榫头进行车削加工或铣削加工成型。该榫槽榫齿的数量可以同榫头榫齿的数量相同，且均可以为两个、三个或四个，但不以此为限，还可以为更多个，具体可根据涡轮组件叶片承受的离心力而定，涡轮组件叶片承受的离心力越大，榫槽榫齿和榫头榫齿的数量越多，以形成更多的榫齿对，从而使叶片可以牢固地连接于轮盘，避免叶片从轮盘脱出。举例而言，如图3所示，榫头榫齿4和榫槽榫齿3的数量相同，且均为三个。
在步骤S14中，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。
使榫头沿着涡轮组件的轮盘的轴向方向进入榫槽以使榫槽榫齿与榫头榫齿配合，从而形成榫接结构。将该榫接结构用于连接涡轮组件的叶片和轮盘。在叶片刚开始旋转时，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挤压应力沿着轮盘至叶片的方向逐渐减小。由于各榫齿对承受的振动应力沿着轮盘至叶片的方向逐渐增大，从而使各榫齿对承受的挤压应力与振动应力的等效力趋于一致，进而使各榫齿对的疲劳寿命趋于一致，能够避免榫接结构上出现寿命薄弱点，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。
本公开实施方式还提供一种榫接结构。该榫接结构可以由上述任一实施方式所述的制备方法制备而成。本公开实施方式的榫接结构与上述任一实施方式所述的制备方法制备的榫接结构相同，因此，具有相同的有益效果，在此不再赘述。
本公开实施方式还提供一种涡轮组件。该涡轮组件可以包括上述实施方式所述的榫接结构，当然，还可以包括叶片和轮盘，但不以此为限，还可以包括其它部件，在此不再详述。本公开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，具有相同的有益效果，在此不再赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、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公开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，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

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，所述榫接结构的制备方法包括：
提供榫槽和榫头；
以各所述榫齿对具有相同的疲劳寿命为约束条件，并根据各所述榫齿对承受的振动应力和所述叶片承受的离心力确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力；
根据各所述榫齿对承受的目标挤压应力确定所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距；
根据所述榫槽榫齿的齿距在所述榫槽上形成所述榫槽榫齿，根据所述榫头榫齿的齿距在所述榫头上形成所述榫头榫齿；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；
其中，所述确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力包括：
建立迭代方程组：
Figure FDA0003457176320000011
Figure FDA0003457176320000012
其中，Stot为所述叶片承受的离心力，Si为第i个所述榫齿对承受的目标挤压应力，SVi为第i个所述榫齿对承受的振动应力，Sai为第i个所述榫齿对承受的目标挤压应力和振动应力的等效力，在各所述榫齿对具有相同的疲劳寿命时，各所述榫齿对承受的等效力相同，Su为所述榫接结构的材料的屈服强度，其中，n为大于或等于2的整数；
以目标挤压应力Si为变量进行迭代运算以确定各所述榫齿对承受的目标挤压应力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承受的目标挤压应力确定的所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距的比值大于1且不为整数。
3.根据权利要求2所述的榫接结构的制备方法，其特征在于，所述榫槽榫齿的齿距与所述榫头榫齿的齿距的比值大于1且小于2。
4.根据权利要求1所述的榫接结构的制备方法，其特征在于，所述榫接结构的材料为铁基合金、镍基合金或钴基合金。
5.根据权利要求1所述的榫接结构的制备方法，其特征在于，所述榫槽榫齿和所述榫头榫齿通过磨削或铣削成型。
6.根据权利要求1所述的榫接结构的制备方法，其特征在于，所述榫槽榫齿的齿数与所述榫头榫齿的齿数相同。
7.一种榫接结构，其特征在于，所述榫接结构由权利要求1-6任一项所述的方法制备而成。
8.一种涡轮组件，其特征在于，所述涡轮组件包括权利要求7所述的榫接结构。
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