CN110454235A - 一种枞树型盘榫连接结构及具有其的航空发动机 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种枞树型盘榫连接结构，属于航空发动机结构设计技术领域，所述枞树型盘榫连接结构包括榫头和轮缘凸块，其中，所述轮缘凸块至少具有两个轮缘齿，相邻两个轮缘齿之间具有轮缘花槽，所述轮缘花槽包括依次连接在一起的轮缘反向圆弧、轮缘第一小圆弧、轮缘大圆弧及轮缘第二小圆弧，所述榫头至少具有两个榫头齿，相邻两个榫头齿之间具有榫头花槽，所述榫头花槽包括依次连接在一起的榫头小圆弧和榫头大圆弧。本申请的枞树型盘榫连接结构能够消除局部应力过高带来的安全隐患，同时通过合理优化榫齿刚度提升了盘榫工作面配合可靠性，该结构相对传统盘榫连接结构实现了减重约1％～3％。

Description

一种枞树型盘榫连接结构及具有其的航空发动机
技术领域
本申请属于航空发动机结构设计技术领域，特别涉及一种枞树型盘榫连接结构及具有其的航空发动机。
背景技术
目前航空发动机涡轮转子通常采用枞树型盘榫连接结构实现涡轮盘和叶片的装配，如图1a和图1b所示的两齿型枞树型盘榫连接结构和三齿型枞树型盘榫连接结构，在该结构中，榫头1通过若干齿与轮缘凸块2连接，此结构具有结构设计空间狭小、结构形式复杂、应力集中明显等特点。因此。枞树型盘榫连接结构设计一向是涡轮部件的设计难点，然而随着航空发动机对性能更高的要求，涡轮部件的工作环境越发苛刻，传统的枞树型盘榫连接结构中局部应力高、可靠性低的缺点越发明显，已无法满足结构强度的设计要求。
传统的枞树型盘榫连接结构通常采用齿间单圆弧过渡设计，然而此种结构存在以下突出问题：
1)如图2所示，由于榫头1、轮缘凸块2齿间喉部空间较小，齿间单圆弧过渡设计会导致喉部R角尺寸设计空间严重受限，通常圆弧半径最大难以超过2mm，进而导致喉部应力集中问题凸显，影响结构的可靠性和安全性；
2)如图3所示，榫头1、轮缘凸块2榫齿的齿距和齿顶角是影响榫齿刚度的关键参数，由于喉部R角尺寸受限，齿距和齿顶角的调整范围也十分有限，难以合理设计榫齿刚度，若在齿面轮廓度范围内的接触过渡工况，榫齿弹性补偿能力较差，会导致各齿面配合状态存在较大差异，各工作面载荷最大差异可达50％，进而导致某一榫齿承受过大载荷，诱发微动磨损，导致榫齿失效。
为此，需要一种枞树型盘榫连接结构以解决局部应力集中问题，保证盘榫连接部位工作可靠性。
发明内容
本申请的目的是提供了一种枞树型盘榫连接结构及具有其的航空发动机，以解决上述任一问题。
在一方面，本申请提供了一种枞树型盘榫连接结构，所述枞树型盘榫连接结构包括榫头和轮缘凸块，其中，所述轮缘凸块至少具有两个轮缘齿，相邻两个轮缘齿之间具有轮缘花槽，所述轮缘花槽包括依次连接在一起的轮缘反向圆弧、轮缘第一小圆弧、轮缘大圆弧及轮缘第二小圆弧，所述榫头至少具有两个榫头齿，相邻两个榫头齿之间具有榫头花槽，所述榫头花槽包括依次连接在一起的榫头小圆弧和榫头大圆弧。
在本申请一实施方式中，所述轮缘大圆弧至少是所述轮缘第一小圆弧的六倍以上。
在本申请一实施方式中，所述榫头大圆弧至少是所述榫头小圆弧的四倍以上。
在本申请一实施方式中，所述轮缘凸块的轮缘花槽距轮缘边缘具有轮缘喉部，所述轮缘喉部的宽度不小于所述轮缘喉部所在半径高度周长的/n，n为叶片数量。
在本申请一实施方式中，所述轮缘凸块的轮缘齿包括至少一个轮缘承力齿和轮缘根部齿，所述轮缘承力齿具有轮缘轮缘承力齿厚，所述轮缘根部齿具有轮缘根部齿厚，所述轮缘轮缘承力齿厚大于所述轮缘根部齿厚。
在本申请一实施方式中，所述榫头的榫头齿包括至少一个榫头承力齿和榫头根部齿，所述所述承力齿具有榫头承力齿厚，所述榫头根部齿具有榫头根部齿厚，所述榫头承力齿厚小于所述榫头根部齿厚。
在本申请一实施方式中，所述榫头承力齿与所述轮缘花槽之间具有垂直于叶片轴线的间隙。
在本申请一实施方式中，所述榫头承力齿与所述轮缘花槽之间具有沿叶片轴线的间隙。
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叶片及涡轮盘，所述叶片具有如上任一所述的榫头，所述涡轮盘具有如上任一所述的轮缘凸块，所述叶片与所述涡轮盘以所述榫头和轮缘凸块连接。
本申请的枞树型盘榫连接结构能够消除局部应力过高带来的安全隐患，同时通过合理优化榫齿刚度提升了盘榫工作面配合可靠性，该结构相对传统盘榫连接结构实现了减重约1％～3％。
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1a为现有技术中两齿的枞树型盘榫连接结构示意图。
图1b为现有技术中三齿的枞树型盘榫连接结构示意图。
图2为现有技术中单圆弧过渡设计的喉部R角尺寸示意图。
图3为现有技术中影响齿面配合状态的关键参数示意图。
图4为本申请的枞树型盘榫连接结构示意图。
图5为本申请的减重效果示意图。
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。
正如背景技术中所述的，盘榫连接结构处于轮盘外缘，在高转速下涡轮叶片的离心负荷可达十几吨，该负荷均需通过盘榫连接结构传递至涡轮盘，在狭小的结构空间局部应力集中问题凸显。据统计，航空发动机各类叶片断裂故障占总数40％，榫连结构故障占50％以上。同时，不合理的盘榫连接结构设计，也会导致结构过重，增加轮盘设计的难度。因此本申请针对局部应力卸荷和结构减重提出了一种枞树型盘榫连接结构。
如图4所示，本申请提供的枞树型盘榫连接结构包括榫头10和轮缘凸块20，其中，所述轮缘凸块20至少具有两个轮缘齿21，相邻两个轮缘齿21之间具有轮缘花槽22，所述轮缘花槽22包括依次连接在一起的轮缘反向圆弧23、轮缘第一小圆弧24、轮缘大圆弧25及轮缘第二小圆弧26，所述榫头10至少具有两个榫头齿11，相邻两个榫头齿11之间具有榫头花槽12，所述榫头花槽12包括依次连接在一起的榫头小圆弧13和榫头大圆弧12。
本申请的枞树型盘榫连接结构通过设计“反向圆弧-小圆弧-大圆弧-小圆弧”的轮缘花槽22代替传统齿间单圆弧过渡结构，使结构高应力部位位于大圆弧区域，大大降低应力集中效应；同时，轮缘花槽22的使用增大了齿间喉部空间，扩大了齿距和齿顶角的调整范围，使各榫齿刚度可以更优匹配，降低工作过程中各工作面载荷差异。进而提升涡轮盘榫连接结构的可靠性。
在本申请一实施例中，在空间允许范围内，所述轮缘大圆弧25至少是所述轮缘第一小圆弧24的六倍以上。进一步的的，所述榫头大圆弧12至少是所述榫头小圆弧13的四倍以上。
通过上述设计可以使喉部高应力部位位于大圆弧内，降低应力集中效应。
在本申请一实施例中，所述轮缘凸块20的轮缘花槽22距轮缘边缘具有轮缘喉部28，所述轮缘喉部28的宽度不小于所述轮缘喉部28所在半径高度周长的1/8n，n为叶片数量。
通过上述设计可以保证轮缘凸块20的喉部具备足够的承载能力。
在本申请一实施例中，所述轮缘凸块20的轮缘齿21包括至少一个轮缘承力齿和轮缘根部齿，所述轮缘承力齿具有轮缘轮缘承力齿厚27，所述轮缘根部齿具有轮缘根部齿厚29，所述轮缘轮缘承力齿厚27大于所述轮缘根部齿厚29。
进一步的，所述榫头10的榫头齿11包括至少一个榫头承力齿和榫头根部齿，所述所述承力齿具有榫头承力齿厚15，所述榫头根部齿具有榫头根部齿厚14，所述榫头承力齿厚15小于所述榫头根部齿厚14。
通过上述设计可以更好匹配榫齿刚度，使榫齿工作面承受载荷更均匀。
在本申请一实施例中，所述榫头承力齿与所述轮缘花槽22之间具有垂直于叶片轴线的间隙。所述榫头承力齿与所述轮缘花槽22之间具有沿叶片轴线的间隙。
参见图5所示的本申请减重示意图，图中阴影部分为减重区域，虚线为传统结构，实线为本申请的结构，本申请中的上述间隙降低了航空发动机的整体质量。
最后，本申请还提供了一种航空发动机，所述航空发动机包括叶片及涡轮盘，所述叶片具有如上任一所述的榫头10，所述涡轮盘具有如上任一所述的轮缘凸块20，所述叶片与所述涡轮盘以所述榫头10和轮缘凸块20连接。
本申请的枞树型盘榫连接结构能够消除局部应力过高带来的安全隐患，同时通过合理优化榫齿刚度提升了盘榫工作面配合可靠性，该结构相对传统盘榫连接结构实现了减重约1％～3％，降低了航空航空发动机涡轮部件的设计难度，可在各型号发动机结构设计中得到广泛应用。
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 (9)

1.一种枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述枞树型盘榫连接结构包括榫头(10)和轮缘凸块(20)，其中，所述轮缘凸块(20)至少具有两个轮缘齿(21)，相邻两个轮缘齿(21)之间具有轮缘花槽(22)，所述轮缘花槽(22)包括依次连接在一起的轮缘反向圆弧(23)、轮缘第一小圆弧(24)、轮缘大圆弧(25)及轮缘第二小圆弧(26)，所述榫头(10)至少具有两个榫头齿(11)，相邻两个榫头齿(11)之间具有榫头花槽(12)，所述榫头花槽(12)包括依次连接在一起的榫头小圆弧(13)和榫头大圆弧(12)。
2.如权利要求1所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述轮缘大圆弧(25)至少是所述轮缘第一小圆弧(24)的六倍以上。
3.如权利要求1或2所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述榫头大圆弧(12)至少是所述榫头小圆弧(13)的四倍以上。
4.如权利要求1所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述轮缘凸块(20)的轮缘花槽(22)距轮缘边缘具有轮缘喉部(28)，所述轮缘喉部(28)的宽度不小于所述轮缘喉部(28)所在半径高度周长的1/8n，n为叶片数量。
5.如权利要求1所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述轮缘凸块(20)的轮缘齿(21)包括至少一个轮缘承力齿和轮缘根部齿，所述轮缘承力齿具有轮缘轮缘承力齿厚(27)，所述轮缘根部齿具有轮缘根部齿厚(29)，所述轮缘轮缘承力齿厚(27)大于所述轮缘根部齿厚(29)。
6.如权利要求5所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述榫头(10)的榫头齿(11)包括至少一个榫头承力齿和榫头根部齿，所述所述承力齿具有榫头承力齿厚(15)，所述榫头根部齿具有榫头根部齿厚(14)，所述榫头承力齿厚(15)小于所述榫头根部齿厚(14)。
7.如权利要求6任一所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述榫头承力齿与所述轮缘花槽(22)之间具有垂直于叶片轴线的间隙。
8.如权利要求6任一所述的枞树型盘榫连接结构，其特征在于，所述榫头承力齿与所述轮缘花槽(22)之间具有沿叶片轴线的间隙。
9.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机包括叶片及涡轮盘，所述叶片具有如权利要求1至8任一所述的榫头(10)，所述涡轮盘具有如权利要求1至8任一所述的轮缘凸块(20)，所述叶片与所述涡轮盘以所述榫头(10)和轮缘凸块(20)连接。
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