CN109973155B - 一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，所述方法包括：获取转子叶片安装在涡轮盘上的偏摆角度；根据所述偏摆角度确定锯齿冠啮合面在圆周方向上的理论偏摆距离；增加所述叶冠的啮合面长度使得所述啮合面的长度大于所述偏摆距离的长度。本申请的方法通过在涡轮转子叶片和涡轮盘设计时增加转子叶片在涡轮盘上左右偏摆量的计算，保证叶冠啮合面长度大于转子叶片在涡轮盘上的偏摆量，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

Description

一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法及航空发动机

技术领域

本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种预防涡轮叶片锯齿冠错位的设计方法及航空发动机。

背景技术

发动机涡轮转子叶片为了提高气动效率通常会带有锯齿冠，工作时通过叶冠间的摩擦阻尼可以起到减振的作用。带叶冠的转子叶片在设计时通常带有预扭角，装配后，相邻叶冠啮合面间产生的预扭紧度使整环叶冠形成刚性的连锁环状，增强整级/整环转子叶片的整体刚性，提高转子叶片抵抗振动的能力。然而，带叶冠的转子叶片在使用过程中易出现因为叶片预扭角消失、转静子装配质量差、转静子异常碰磨等造成叶冠错位现象。如图1所示，四个转子叶片的叶冠11a～11d，其中叶冠11a和叶冠11b及叶冠11c和叶冠11d正常啮合，但叶冠11b与叶冠11c出现错位，影响发动机的使用安全。涡轮转子叶片出现叶冠错位故障后，整环叶片的整体啮合作用被破坏、叶身扭转偏离气动设计位置。这会导致涡轮性能衰减、转静子间发生剧烈碰磨甚至是叶片断裂等严重后果，直接威胁到发动机的使用安全。

发明内容

本申请的目的是提供了一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法及航空发动机，以解决上述任一问题。

在第一方面，本申请提供一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，所述方法包括：获取转子叶片安装在涡轮盘上的偏摆角度；根据所述偏摆角度确定锯齿冠啮合面在圆周方向上的理论偏摆距离；增加所述叶冠的啮合面长度使得所述啮合面的长度大于所述偏摆距离的长度。

在本申请一实施方式中，所述方法包括：确定与所述转子叶片配合的外环蜂窝结构，所述外环蜂窝结构在外环蜂窝台阶处具有斜面，或所述外环蜂窝结构在台阶处具有倒角。

在本申请一实施方式中，所述方法包括：确定所述转子叶片的材料，所述材料在常温下满足所述转子叶片的力学性能，且不会产生高温蠕变的高温合金材料。

在本申请一实施方式中，所述方法包括：检查所述转子叶片的锯齿冠的周向跳动，确定所述周向跳动不超过0.3mm。

在本申请一实施方式中，所述方法包括：检查所述转子叶片相对的外环蜂窝结构的周向跳动，确定所述周向跳动不超过0.3mm。

在另一方面，本申请提供了一种航空发动机，所述航空发动机包括多个转子叶片和外环蜂窝，所述转子叶片的顶部具有锯齿冠，多个所述转子叶片周向设置使得所述锯齿冠相互配合以构成环状，所述外环蜂窝固定于涡轮机匣且环状包围在所述锯齿冠的径向外端，所述转子叶片的底部具有榫头，所述榫头安装于所述涡轮盘且所述榫头与所述涡轮盘之间具有偏摆角度，相邻所述转子叶片的锯齿冠以啮合面配合，且所述啮合面的长度大于所述偏摆角度所对应的理论偏摆距离。

在本申请一实施方式中，所述外环蜂窝具有与所述转子叶片相配合的至少两个配合面，所述配合面之间具有高度差，且所述配合面之间具有斜面或倒角。

在本申请一实施方式中，所述转子叶片采用在常温下满足所述转子叶片的力学性能且不会产生高温蠕变的高温合金材料制成。

在本申请一实施方式中，所述转子叶片的周向跳动不超过1mm。

在本申请一实施方式中，与所述转子叶片相对的外环蜂窝的周向跳动不超过1mm。

本申请的预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法通过在涡轮转子叶片和涡轮盘设计时增加转子叶片在涡轮盘上左右偏摆量的计算，保证叶冠啮合面长度大于转子叶片在涡轮盘上的偏摆量，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为现有技术的叶冠错位示意图。

图2为航空发动机的转静子结构示意图。

图3为叶片在盘上偏摆量计算示意图。

图4为叶片偏摆量换算示意图。

图5为叶冠啮合面长度示意图。

图6为斜面外环蜂窝示意图。

图7为倒角外环蜂窝示意图。

图8为直角外环蜂窝示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图2所示为航空发动机的转静子机构，转子结构包括带锯齿冠11的涡轮转子叶片1和用于承载转子叶片1的涡轮盘2，静子结构包括外环蜂窝3和承载外环蜂窝3的涡轮机匣4。转子叶片1通过榫头13与涡轮盘2的榫槽21形成盘榫连接结构。锯齿冠11的顶部带有封严篦齿12，封严篦齿12与涡轮机匣4上的外环蜂窝3构成篦齿蜂窝封严结构。

然而，原有的设计方法具有如下缺点：

1)原有的锯齿冠涡轮转子叶片设计方法中，在设计盘榫连接结构时，只考虑转子叶片榫头13与涡轮盘的榫槽21之间的配合关系，不考虑转子叶片1装到涡轮盘2上以后，转子叶片1在涡轮盘2上的左右偏摆量问题。如果转子叶片1在涡轮盘2上的左右偏摆量大于锯齿冠11的啮合面的有效长度，就可能出现叶冠错位故障。

2)原有设计方法中，在进行锯齿冠11设计时只考虑转子叶片1本身的结构尺寸，不考虑外环蜂窝3对转子叶片1在轴向和径向上的影响。外环蜂窝3如果设计不合理，一旦在工作中与锯齿冠11发生轴向或径向碰磨，会造成叶冠错位故障。

3)原有设计方法中，在进行转子叶片1的选材设计时主要考虑材料常温下的力学性能，对于材料的高温性能和高温蠕变情况考虑的很少，特别是发动机超温状态下转子叶片材料的力学性能和蠕变情况几乎从未考虑。如果发动机的实际温度超过材料的许用温度，会造成转子叶片高温蠕变，预扭角消失，造成叶冠错位故障。

4)原有设计方法中，没有考虑到如果对外环蜂窝3装配质量控制不严，会在周向上存在较大的台阶差，与锯齿冠11发生剧烈碰磨后会造成叶冠错位。

5)原有设计方法中，没有考虑到转子叶片装配后叶尖的封严篦齿12直径控制不严，在周向上同样会存在台阶差，同样会与外环蜂窝3发生剧烈碰磨，造成叶冠错位。

为此，本申请针对上述问题，提出了一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，已解决以下技术问题：

1)在进行转子叶片1和涡轮盘2设计时，增加转子叶片1在涡轮盘上左右偏摆量的计算，保证叶冠啮合面长度大于叶片在盘上的偏摆量。

如图3所示，首先获取涡轮转子叶片装在涡轮盘上的左右偏摆角度A，最大偏摆角是按涡轮盘2的榫槽21最大公差和转子叶片1的榫头13最小公差进行计算。如图4所示，之后根据偏摆角度A换算出叶冠啮合面位置在涡轮盘2上的偏摆距离B，其中偏摆距离B是叶冠在圆周方向的摆动距离。如图5所示，在设计叶冠啮合面14的长度时，保证啮合面14的长度大于转子叶片1在涡轮盘2上的偏摆距离B，可保证叶冠不会出现错位情况。

2)在进行外环蜂窝3的设计时，统筹考虑外环蜂窝3对转子叶片1的影响，避免两者发生轴向和径向碰磨。

在进行发动机转子机构设计时，除要考虑转子叶片本身的结构外，还应考虑外环蜂窝3的影响，避免外环蜂窝3与转子叶片1的叶冠发生轴向和径向上的碰磨，造成叶冠发生错位。在设计外环蜂窝3时，在外环蜂窝3的台阶处设置斜面31(图6)或在在外环蜂窝3的台阶处增加倒角32(图7)，避免使用台阶间为直角的蜂窝(图8)。

3)在进行转子叶片选材时，有些材料在高温下，力学性能衰减很快甚至产生高温蠕变，使叶冠预扭角消失，造成叶冠错位。而本申请中，考虑转子叶片1的材料在高温下的力学性能变化情况，留好安全裕度，避免材料在特殊工况下发生蠕变失效，影响叶冠预扭设计。

4)在进行发动机转子机构设计时，为避免转子外环蜂窝与叶冠发生碰磨造成叶冠错位，增加对整圈外环蜂窝3的周向跳动检查要求，周向跳动量不超过1mm，避免由于外环蜂窝3装配质量差而在周向上出现较大的台阶差。

5)在进行发动机转子机构设计时，为避免叶尖封严篦齿12在周向上出现较大的台阶差而与外环蜂窝3发生碰磨造成叶冠错位，增加转子叶片叶尖封严篦齿12的高度差的控制要求，即增加对整圈叶尖封严篦齿的组合加工要求，同时增加对叶尖封严篦齿12的周向跳动检查要求，避免叶尖封严篦齿在周向上出现较大的台阶差。

此外，本申请还提供了一种航空发动机，航空发动机包括多个转子叶片1和外环蜂窝3，转子叶片1的顶部具有锯齿冠11，多个转子叶片1周向设置使得锯齿冠11相互配合以构成环状，外环蜂窝3固定于涡轮机匣4且环状包围在锯齿冠11的径向外端，转子叶片1的底部具有榫头13，榫头13安装于涡轮盘2的榫槽21中且榫头13与涡轮盘2之间具有偏摆角度，相邻转子叶片的锯齿冠11以啮合面14配合，且啮合面14的长度大于偏摆角度所对应的理论偏摆距离。

其中，外环蜂窝3具有与转子叶片1相配合的至少两个配合面，配合面之间具有高度差，且配合面之间具有斜面31或倒角32。

其中，转子叶片1采用在常温下满足转子叶片的力学性能且不会产生高温蠕变的高温合金材料制成。

其中，转子叶片1的周向跳动不超过1mm。

其中，与转子叶片相对的外环蜂窝3的周向跳动不超过1mm。

在某型发动机在使用中出现了锯齿冠涡轮转子叶片叶冠的错位故障。为避免转子叶片再次出现叶冠错位故障，运用了本申请的方法，具体如下：

1)对涡轮转子叶片安装在涡轮盘上后的左右偏摆量进行了计算。通过计算得出叶片在盘上的偏摆角度为2°，换算到叶冠处的偏摆距离为4mm。在设计叶冠啮合面长度时，为防止叶冠发生错位，(根据偏摆距离计算得到啮合面长度)将叶冠啮合面的长度设计为4.5mm；

2)在进行发动机转子机构设计时，除叶片本身的结构外，考虑到转子外环蜂窝结构会对叶片设计产生影响。将外环蜂窝设计为了带有斜面的外环蜂窝结构(图6)；

3)在进行转子叶片选材时，在综合分析了转子叶片常温、高温和临界状态下的力学性能情况下，对转子叶片进行了选材，将原来的选材1Cr11Ni2W2MoV改为了GH4169；

4)在进行外环蜂窝设计时，增加了外环蜂窝周向跳动0.3mm的检测要求；

5)在进行盘片组件图设计时，增加了整圈叶尖封严篦齿直径跳动0.3mm的检测要求。

通过采用以上方法设计的某型发动机，未出现过叶冠错位故障。

本申请相比与现有技术来说，具有如下优点：

1)在进行涡轮转子叶片和涡轮盘设计时，增加转子叶片在涡轮盘上左右偏摆量的计算，保证叶冠啮合面长度大于转子叶片在涡轮盘上的偏摆量，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

2)在进行外环蜂窝设计时，考虑了外环蜂窝对转子叶片的影响，避免两者发生轴向和径向碰磨，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

3)在进行转子叶片选材时，考虑了转子叶片的材料在高温下的力学性能变化情况，留好安全裕度，避免材料在特殊工况下发生蠕变失效，影响叶冠预扭设计，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

4)在进行发动机转子机构设计时，增加对外环蜂窝装配质量的控制要求，避免外环蜂窝在周向上出现较大的台阶差，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

5)在进行发动机转子机构设计时，增加叶片叶尖封严篦齿高度差的控制要求，避免叶尖封严篦齿在周向上出现较大的台阶差，从而有效的避免了锯齿冠的错位。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取转子叶片安装在涡轮盘上的偏摆角度；

根据所述偏摆角度确定转子叶片的锯齿冠的啮合面在圆周方向上的理论偏摆距离；

增加所述锯齿冠的啮合面在圆周方向上的长度使得所述啮合面的长度大于所述理论偏摆距离。

2.如权利要求1所述的预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定与所述转子叶片配合的外环蜂窝结构，所述外环蜂窝结构在外环蜂窝台阶处具有斜面，或所述外环蜂窝结构在台阶处具有倒角。

3.如权利要求1所述的预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定所述转子叶片的材料，所述材料在常温下满足所述转子叶片的力学性能，且不会产生高温蠕变的高温合金材料。

4.如权利要求1所述的预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，其特征在于，所述方法包括：

检查所述转子叶片的锯齿冠的周向跳动，确定所述周向跳动不超过0.3mm。

5.如权利要求1所述的预防涡轮转子叶片锯齿冠错位的方法，其特征在于，所述方法包括：

检查所述转子叶片相对的外环蜂窝结构的周向跳动，确定所述周向跳动不超过0.3mm。

6.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机包括多个转子叶片(1)和外环蜂窝(3)，所述转子叶片的顶部具有锯齿冠(11)，多个所述转子叶片(1)周向设置使得所述锯齿冠(11)相互配合以构成环状，所述外环蜂窝(3)固定于涡轮机匣(4)且环状包围在所述锯齿冠(11)的径向外端，所述转子叶片(1)的底部具有榫头(2)，所述榫头(2)安装于所述涡轮盘(5)且所述榫头(2)与所述涡轮盘(5)之间具有偏摆角度，相邻所述转子叶片的锯齿冠(11)以啮合面(13)配合，且所述啮合面(13)在圆周方向上的长度大于锯齿冠(11)的偏摆角度所对应的理论偏摆距离。

7.如权利要求6所述的航空发动机，其特征在于，所述外环蜂窝(3)具有与所述转子叶片(1)相配合的至少两个配合面，所述配合面之间具有高度差，且所述配合面之间具有斜面(31)或倒角(32)。

8.如权利要求6所述的航空发动机，其特征在于，所述转子叶片(1)采用在常温下满足所述转子叶片的力学性能且不会产生高温蠕变的高温合金材料制成。

9.如权利要求6所述的航空发动机，其特征在于，所述转子叶片(1)的周向跳动不超过1mm。

10.如权利要求6所述的航空发动机，其特征在于，与所述转子叶片相对的外环蜂窝(3)的周向跳动不超过1mm。

Images