CN112302738B - 一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，其通过将载荷分为结构载荷和压力载荷，在结构载荷和压力载荷作用结构之间设置凹槽，使得结构载荷传递路径与压力载荷传递路径最大程度分开，并且使结构载荷传递路径不经过喷嘴叶片；通过调整喷嘴连接结构与喷嘴连接点的轴向位置进一步降低喷嘴载荷，通过上述方法可以降低流道结构壁厚和喷嘴叶片应力水平，大幅降低法兰质量。本发明通过在喷嘴叶片连接结构上布置柔性结构产生相对大的形变，进而改变喷嘴叶片受力方向和降低喷嘴叶片变形，降低喷嘴叶片应力水平。

Description

一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法
技术领域
本发明属于发动机涡轮泵涡轮技术领域，特别是一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法。
背景技术
涡轮泵是液体火箭发动机的核心动力部件，涡轮是涡轮泵的动力来源。涡轮将上游来流的高焓工质，在叶片流道中膨胀和折转将工质内能转化为机械能，驱动泵旋转工作。大推力液体火箭发动机涡轮进口压力20～30MPa，通常伴随着700℃左右的高温，给壳体结构设计带来很大难度。
目前涡轮进气壳体结构设计没有成熟的设计方法，依赖于设计人员的经验进行迭代，主要满足上下游连接需求不产生破坏为标准。这一方面会造成喷嘴叶片前缘、尾缘经常存在局部高应力区域，甚至超过材料屈服极限，影响结构的可靠性和寿命，另一方面为降低应力而增加结构质量，导致设备质量较大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明针对当前涡轮进气壳体设计方法空白，喷嘴叶片受到结构设计影响，应力水平高、可靠性和寿命低、结构质量大的问题，提出一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，将涡轮进气壳体受到的载荷进行定义和分类，并对不同载荷的传递路径进行设计，同时采用柔性结构改善喷嘴叶片载荷分布，从而解决喷嘴叶片受力过高问题，降低结构应力水平同时降低结构质量，填补涡轮进气壳体设计方法空白。
本发明的技术解决方案是：
一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，涡轮进气壳体中设置有内流道，在壳体上，分别通过上游法兰、下游法兰连接上游结构和下游结构，喷嘴叶栅环设置在内流道出口位置，用于将内流道中工质的压力转化为动能；
涡轮进气壳体载荷分为结构载荷和压力载荷，结构载荷为上下游连接结构作用于进气壳体法兰的结构载荷F1、F2，压力载荷为进气壳体内流道工质作用于流道表面的压力形成的载荷P；
结构载荷F2设置在喷嘴下游并远离喷嘴，在喷嘴连接结构与结构载荷F2作用结构之间设置凹槽，使结构载荷F2与压力载荷P相互隔离；结构载荷F1、F2仅通过法兰与进气流道外壁面连接结构和进气流道外壁面形成传递路径，而不经过喷嘴叶片；
结构载荷F1作用位置设置在进气流道外壁面的上游边缘位置上，与进气流道上游壁面不接触，同时远离喷嘴叶片。
进一步的，对于其它区域作用压力P1、P2、P3，则按照|P-P1|、|P-P2|、|P-P3|中的最大值进行壁厚设计，或者各个部位壁厚按照承载的压力差设计，之后在结构上进行光滑过渡。
进一步的，结构载荷F1、F2传递路径与压力载荷出传递路径在进气流道外壁面处不重合，进气流道外壁面仅承载压力载荷。
进一步的，结构载荷F1作用位置使得F1载荷作用位置与喷嘴间距离最大，同时确保F1、F2结构载荷传递路径与压力载荷传递路径重叠区域最小，对于结构传递路径与压力传递路径完全分开。
进一步的，将喷嘴连接结构设置成两个弯曲薄壁结构，弯曲角度范围60°～130°
进一步的，弯曲薄壁结构壁厚应小于等于进气流道其余位置的壁厚。
进一步的，结构载荷是指上下游结构作用在法兰面的总载荷；压力载荷指进气流道流体作用压力P。
进一步的，结构载荷另外设置传力结构，两个传递结构之间连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过将载荷分为结构载荷和压力载荷，并对其传递路径进行分别设计，可以使进气壳体流道壁面仅承受压力载荷，从而降低流道结构壁厚同时降低喷嘴叶片应力水平；法兰结构与承压结构之间无传递路径使得法兰可以设计仅考虑密封要求而大幅降低法兰质量；
(2)本发明通过在喷嘴叶片连接结构上布置柔性结构产生相对大的形变，进而改变喷嘴叶片受力方向和降低喷嘴叶片变形，降低喷嘴叶片应力水平；
(3)本发明承压结构壁厚与相同截面流通面积的压力管道壁厚相当，法兰结构具有满足法兰密封要求的最低结构尺寸和质量，保证考虑应力集中效应的有限元计算静应力安全系数高于1.2。
附图说明
图1为本发明结构的柔性、力分类设计方法示意图，
其中，5-喷嘴叶片连接结构，7-凹槽，8-进气流道外壁面连接结构，9-进气流道外壁面；
图2为本发明的涡轮产品结构示意图，
其中，1-泵端上游壳体，2-涡轮进气壳体，3-喷嘴叶栅，4-涡轮排气壳体；
图3为本发明的涡轮进气壳体载荷类别示意图。
具体实施方式
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
如图2所示，涡轮部件结构由涡轮进气壳体、转子、静子、排气壳体组成。涡轮进气壳体主要有三种作用：喷嘴叶栅提供相对均匀的进气条件；泵端上游壳体和涡轮排气壳体；为涡轮喷嘴提供安装结构。涡轮喷嘴叶片工作时受到复杂载荷作用，包括壳体内压导致的涡轮进气壳体变形、涡轮进气壳体上下游壳体的拉伸载荷以形成高应力区域，从而影响叶片结构的寿命。
一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，通过力分类和传递路径设计、结构柔性设计两种具体设计方法，降低喷嘴叶片应力水平和结构质量，并对两种类型的载荷的传递路径分别进行设计，同时对两种载荷的传递路径加以调整，使两种载荷的传递路径相互之间不产生影响。同时在结构设计上，通过在应力水平低的位置布置柔性结构产生相对较大的形变来降低喷嘴叶片载荷，从而降低喷嘴叶片的应力水平。
力分类和传递路径设计：涡轮进气壳体受到的典型载荷如图3所示。涡轮进气壳体受到上游壳体的载荷F1和下游排气壳体载荷F2，同时受到进气壳体腔的流体压力载荷P。在这些载荷作用下，喷嘴叶片同时受到载荷F1、F2和P作用而产生结构变形。
一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，将上游壳体载荷F1和下游排气壳体载荷F2归类为同一种载荷，定义该载荷为结构载荷。该载荷由涡轮进气壳体上下游结构承受内压力而产生，通过法兰结构作用于进气壳体法兰上，方向为轴向，其对进气壳体产生是轴向拉伸及部分径向拉伸作用。
一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，将载荷P作为一种单独的载荷，将此种载荷定义为压力载荷。压力载荷直接作用于涡轮进气壳体流道内，使流道壁面产生平行于壁面的膜应力和沿圆周方向的膜应力，作用效果产生使流道截变大的变形。
一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，在F2载荷作用结构与喷嘴连接结构之间设置凹槽7，将F2载荷与压力载荷P的传递路径隔离开，F2仅通过法兰与进气流道外壁面连接结构8进行传递。F1载荷作用位置使得与喷嘴叶片间距离最大，同时使得F1-F2结构载荷传递路径与压力载荷传递路径重合区域最小化，降低F1结构载荷对喷嘴叶片的影响。
涡轮进气壳体结构载荷通过F1-F2所示虚线载荷路径进行传递，压力载荷通过中心线所示路径进行传递，两种载荷的传递路径仅在不经过喷嘴叶片的进气流道外壁面9位置有重叠，且重叠区域小，结构载荷对喷嘴叶片的影响很小，如图1所示。
结构柔性设计：一种用于高压力涡轮进气壳体结构的柔性、力分类方法，在喷嘴叶片连接结构5处设置两个弯曲薄壁结构，弯曲角度范围60°～130°，在满足弯曲结构薄膜应力安全和制造公差条件下尽量降低喷嘴连接结构5的厚度，弯曲薄壁结构壁厚应小于等于进气流道其余位置的壁厚，从而使得喷嘴连接结构5具有较小的刚度。
喷嘴叶片连接结构5在承受压力载荷时产生相对大的变形来降低喷嘴叶片形变同时改变喷嘴叶片的受力方向，从而降低喷嘴叶片的载荷大小。通过改变喷嘴连接结构5与喷嘴叶片连接点的轴向位置，进一步改变喷嘴叶片受力方向，降低喷嘴叶片受到的剪切应力大小，降低喷嘴应力水平。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：
涡轮进气壳体中设置有内流道，在壳体上，分别通过上游法兰、下游法兰连接上游结构和下游结构，喷嘴叶栅环设置在内流道出口位置，用于将内流道中工质的压力转化为动能；
涡轮进气壳体载荷分为结构载荷和压力载荷，结构载荷为上下游连接结构作用于进气壳体法兰的结构载荷F1、F2，压力载荷为进气壳体内流道工质作用于流道表面的压力形成的载荷P；
结构载荷F2设置在喷嘴下游并远离喷嘴，在喷嘴连接结构与结构载荷F2作用结构之间设置凹槽，使结构载荷F2与压力载荷P相互隔离；结构载荷F1、F2仅通过法兰与进气流道外壁面连接结构和进气流道外壁面形成传递路径，而不经过喷嘴叶片；
结构载荷F1作用位置设置在进气流道外壁面的上游边缘位置上，与进气流道上游壁面不接触，同时远离喷嘴叶片。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：对于其它区域作用压力P1、P2、P3，则按照|P-P1|、|P-P2|、|P-P3|中的最大值进行壁厚设计，或者各个部位壁厚按照承载的压力差设计，之后在结构上进行光滑过渡。
3.根据权利要求1所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：结构载荷F1、F2传递路径与压力载荷出传递路径在进气流道外壁面处不重合，进气流道外壁面仅承载压力载荷。
4.根据权利要求1所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：结构载荷F1作用位置使得F1载荷作用位置与喷嘴间距离最大，同时确保F1、F2结构载荷传递路径与压力载荷传递路径重叠区域最小，对于结构传递路径与压力传递路径完全分开。
5.根据权利要求1所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：将喷嘴连接结构设置成两个弯曲薄壁结构，弯曲角度范围60°～130°
6.根据权利要求5所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：弯曲薄壁结构壁厚应小于等于进气流道其余位置的壁厚。
7.根据权利要求1所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：结构载荷是指上下游结构作用在法兰面的总载荷；压力载荷指进气流道流体作用压力P。
8.根据权利要求3所述的一种用于高压力涡轮进气壳体结构，其特征在于：结构载荷另外设置传力结构，两个传递结构之间连接。
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