CN112211678A - 一种长寿命涡轮转子前挡板 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种长寿命涡轮转子前挡板，所述长寿命涡轮转子前挡板包括上幅板8、下幅板9、轴向凸台10、径向凸台11、挂耳12、径向倒圆15、周向倒圆16、左卸荷槽17和右卸荷槽18，其中：轴向凸台10设置在上幅板8顶端；径向凸台11设置在上幅板8和下幅板9之间；挂耳12位于下幅板9底端，共8处，沿周向均布；径向倒圆15设置在挂耳12与下幅板9的转接处；周向倒圆16位于挂耳12的轴向臂13和径向臂14的转接处；左卸荷槽17和右卸荷槽18开在下幅板9底端，对称分布于每个挂耳12两侧，左卸荷槽17和右卸荷槽18槽向沿发动机轴向。

Description

一种长寿命涡轮转子前挡板
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮设计技术，具体涉及一种长寿命涡轮转子前挡板。
背景技术
如图1所示，航空发动机涡轮转子主要由前挡板1、涡轮盘2、后挡板3和叶片4组成。其中前挡板1主要用来实现工作叶片4的轴向定位，同时形成流道封严迫使冷却空气按设计流路进入工作叶片的内腔对叶片进行冷却。前挡板1和涡轮盘2一般采用无螺栓连接结构，通过上端轴向配合5和下端轴向配合7进行轴向定位，通过径向止口6进行径向定位，通常下端轴向配合7使用挂耳结构，俗称“高压锅式”结构。
由于航空发动机涡轮转子常处于高温高转的恶劣环境中，轮盘和挡板的挂耳处常因承载大、应力集中严重而产生疲劳裂纹，严重降低了前挡板的使用寿命，严重时需要提前换件，为经济带来较大的损失的同时也为发动机的飞行安全带来了较大的隐患。
发明内容
本发明提供一种长寿命涡轮转子前挡板，可以避免挂耳根部倒圆相交和有效降低挂耳倒圆处的周向名义应力。
本申请提供一种长寿命涡轮转子前挡板，所述长寿命涡轮转子前挡板包括上幅板8、下幅板9、轴向凸台10、径向凸台11、挂耳12、径向倒圆15、周向倒圆16、左卸荷槽17和右卸荷槽18，其中：
轴向凸台10设置在上幅板8顶端；径向凸台11设置在上幅板8和下幅板9之间；挂耳12位于下幅板9底端，共8处，沿周向均布；径向倒圆15设置在挂耳12与下幅板9的转接处；周向倒圆16位于挂耳12的轴向臂13和径向臂14的转接处；左卸荷槽17和右卸荷槽18开在下幅板9底端，对称分布于每个挂耳12两侧，左卸荷槽17和右卸荷槽18槽向沿发动机轴向。
具体的，左卸荷槽17和右卸荷槽18的深度与下幅板9底端厚度相同，均为H。
具体的，挂耳12的径向臂14与下幅板9底端的轴向距离L1，周向倒圆16半径为r1，径向倒圆15半径为r2，
其中：
L1不小于4R，所述R为r1和r2较大的一个；
r1和r2不小于0.5mm；
具体的，通过基于Kriging模型和多目标遗传算法的应力优化技术对L1、r1、r2值进行优化设计。
具体的，左卸荷槽17和右卸荷槽18均为等腰梯形槽。
具体的，左卸荷槽17和右卸荷槽18槽底夹角α，槽宽为L，槽深为h，槽底半径为r；
所述L不小于2h，所述r不大与h，所述α不小于90°。
具体的，左卸荷槽17和右卸荷槽18距挂耳12的距离均不大于3L。
具体的，通过基于模型和多目标遗传算法的应力优化技术对α、L、h、r值进行优化。
本发明提供一种长寿命涡轮转子前挡板，可以避免挂耳根部倒圆相交和有效降低挂耳倒圆处的周向名义应力，从而降低挂耳倒圆处的局部应力，提高挂耳处寿命，以解决前挡板的短寿命问题。
附图说明
图1为现有技术中的无螺栓连接涡轮转子结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种长寿命涡轮转子前挡板示意图；
图3为本申请实施例提供的一种长寿命涡轮转子前挡板挂耳结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种长寿命涡轮转子前挡板上卸荷槽位置示意图；
图5为本申请实施例提供的一种长寿命涡轮转子前挡板上卸荷槽结构示意图；
其中：1-前挡板、2-涡轮盘、3-后挡板、4-叶片、5-上端轴向配合、6-径向止口、7-下端轴向配合、8-上幅板、9-下幅板、10-轴向凸台、11-径向凸台、12-挂耳、13-轴向臂、14-径向臂、15-径向倒圆、16-周向倒圆、17-左卸荷槽、18-右卸荷槽。
具体实施方式
本发明一方面提供一种新的长寿命涡轮转子前挡板，具体为：
如图2所示，所述长寿命涡轮转子前挡板包括上幅板8、下幅板9、轴向凸台10、径向凸台11、挂耳12，其中：轴向凸台10位于上幅板8顶端，用于轴向定位，径向凸台11设置在上幅板8和下幅板9之间用于径向定位；挂耳12位于下幅板9底端，共8处，沿周向均布，用于轴向定位；
如图3所示，一般为了减小挂耳12根部应力集中，需在挂耳12与下幅板9的转接处设置径向倒圆15和周向倒圆16；本发明为避免周向倒圆16和径向倒圆15产生应力叠加效应，将挂耳12设计为倒“L”型，将周向倒圆16设置于挂耳12的轴向臂13和径向臂14的转接处以远离径向倒圆15；具体尺寸为：径向臂14距下幅板9底端轴向距离L1，周向倒圆16半径为r1，径向倒圆15半径为r2，要求L1距离不小于4R(这里R为r1和r2较大的一个)；为减小倒圆处的应力集中，r1和r2不应小于0.5mm。
根据上述要求，进一步通过包括参数化建模、设计变量筛选、DOE设计、有限元仿真分析、构造Kriging代理模型和多目标遗传算法的应力优化技术对L1、r1、r2值进行优化设计，以保证挂耳根部倒圆不出现应力叠加，同时不出现过大的锤头效应。
如图4所示，为进一步降低径向倒圆15周向名义应力，在挂耳12附近沿周向开左卸荷槽17和右卸荷槽18，左卸荷槽17和右卸荷槽18对称分布于挂耳12两侧，槽向沿发动机轴向，深度与下幅板9底端厚度相同，为H。
左卸荷槽17轮廓具体如图5所示，为等腰梯形槽，槽底夹角α，槽宽为L，槽沿径向深为h，槽底倒圆半径为r。
为保证左卸荷槽17和右卸荷槽18底部不出现大的应力集中，要求L不小于2H，r不大与h，α不小于90°；为保证左卸荷槽17和右卸荷槽18能够有效的降低径向倒圆15处的周向应力，需保左卸荷槽17和右卸荷槽18距挂耳12的最近距离不大于3L；
根据上述要求，进一步通过包括参数化建模、设计变量筛选、DOE设计、有限元仿真分析、构造代理Kriging模型和多目标遗传算法的应力优化技术对α、L、h、r值进行优化设计，以保证径向倒圆15和周向倒圆16的寿命满足发动设计要求。

Claims (8)

1.一种长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，所述长寿命涡轮转子前挡板包括上幅板(8)、下幅板(9)、轴向凸台(10)、径向凸台(11)、挂耳(12)、径向倒圆(15)、周向倒圆(16)、左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)，其中：
轴向凸台(10)设置在上幅板(8)顶端；径向凸台(11)设置在上幅板(8)和下幅板(9)之间；挂耳(12)位于下幅板(9)底端，共8处，沿周向均布；径向倒圆(15)设置在挂耳(12)与下幅板(9)的转接处；周向倒圆(16)位于挂耳(12)的轴向臂(13)和径向臂(14)的转接处；左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)开在下幅板(9)底端，对称分布于每个挂耳(12)两侧，左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)槽向沿发动机轴向。
2.根据权利要求1所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)的深度与下幅板(9)底端厚度相同，均为H。
3.根据权利要求1所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，挂耳(12)的径向臂(14)与下幅板(9)底端的轴向距离L1，周向倒圆(16)半径为r1，径向倒圆(15)半径为r2，
其中：
L1不小于4R，所述R为r1和r2较大的一个；
r1和r2不小于0.5mm。
4.根据权利要求3所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，通过基于Kriging模型和多目标遗传算法的应力优化技术对L1、r1、r2值进行优化设计。
5.根据权利要求1所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)均为等腰梯形槽。
6.根据权利要求5所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)槽底夹角α，槽宽为L，槽深为h，槽底半径为r；
所述L不小于2h，所述r不大与h，所述α不小于90°。
7.根据权利要求6所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，左卸荷槽(17)和右卸荷槽(18)距挂耳(12)的距离均不大于3L。
8.根据权利要求6所述的长寿命涡轮转子前挡板，其特征在于，通过基于模型和多目标遗传算法的应力优化技术对α、L、h、r值进行优化。
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