CN114165300B - 一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，包括外流道机匣、封严罩、承力机匣和承力支柱，所述封严罩、所述承力支柱和所述承力机匣固定连接，所述外流道机匣的两端通过浮动连接部与所述承力机匣柔性连接。本发明通过改变承力机匣和外流道机匣间的连接刚性，可有效降解决机匣径向热变形不协调问题，从而降低热应力，提高机匣使用寿命。

Description

一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构
技术领域
本公开涉及航空发动机涡轮设计技术领域，尤其涉及一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构。
背景技术
现有的航空发动机涡轮后承力结构如图1所示，主要由外流道机匣1、封严罩2、承力机匣3、后支板4、承力支柱5、内流道机匣后段6、内流道机匣前段7、后支撑环8、前支撑环9、螺栓10、螺栓11和螺栓12等组成。其中承力机匣3和承力支柱5为承力件，用于传递低压涡轮转子的载荷；外流道机匣1、内流道机匣后段6、内流道机匣前段7和后支板4为流道件，形成发动机内涵流道。一般情况下，外流道机匣1、封严罩2、承力支柱5与承力机匣3通过螺栓11和螺栓12连接在一起，形成刚性连接，实现各零件间径向和轴向定位可靠。
涡轮后承力工作时，位于如图2所示的外流道机匣1和承力机匣3的径向配合13、径向配合14以及径向配合15处常产生大应力(外流道机匣1上主要表现为压应力，承力机匣3上主要表现为拉应力)，在该区域极易产生疲劳裂纹，降低了涡轮承力机匣的使用寿命，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。
经分析，产生大应力原因主要为外流道机匣1为流道件，直接与燃气接触，温度较高，热变形较大，承力机匣3位于外流道机匣1外部，不与燃气接触且由冷气进行冷却，温度较低，热变形较小，二者之间又为螺栓刚性连接，工作时常常由于径向热变形不协调引起较大的热应力，因此需要提出一种新的结构，可以有效解决外流道机匣1和承力机匣3之间的径向热变形不协调问题，从而降低热应力，提高使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，通过改变承力机匣和外流道机匣间的连接刚性，可有效降解决机匣径向热变形不协调问题，从而降低热应力，提高机匣使用寿命。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，包括外流道机匣、封严罩、承力机匣和承力支柱，所述封严罩、所述承力支柱和所述承力机匣固定连接，所述外流道机匣的两端通过浮动连接部与所述承力机匣柔性连接。
进一步地，所述浮动连接部包括后端浮动连接结构和前端浮动连接结构，所述外流道机匣的后端向外延伸形成J型的钩状凹槽，所述承力机匣的后端垂直向内侧延伸一段形成连接边，所述连接边伸入所述钩状凹槽内，
还包括弹性W垫圈，所述弹性W垫圈嵌设与所述连接边与所述所述钩状凹槽内壁之间，使所述连接边的端部与所述钩状凹槽的端部内壁之间相抵接，构成所述后端浮动连接结构。
进一步地，所述承力机匣的后端向靠近所述弹性W垫圈的方向延伸形成凸台，所述凸台位于所述弹性W垫圈的凹进处，将所述弹性W垫圈进行限位。
进一步地，所述凸台的伸出长度不小于0.5倍的所述弹性W垫圈的高度。
进一步地，所述弹性W垫圈上包括平直段，所述弹性W垫圈分别与所述连接边以及所述钩状凹槽内壁之间的接触部均设置为所述平直段。
进一步地，所述弹性W垫圈还包括位于所述平直段两端的圆弧段，以及连接相邻圆弧段的直线段，所述圆弧段的半径不小于0.5倍的所述弹性W垫圈的高度，且所述平直段的长度和所述弹性W垫圈的厚度均不小于0.25倍的所述弹性W垫圈的高度。
进一步地，所述弹性W垫圈的轴向长度不小于2倍的高度。
进一步地，所述外流道机匣的前端设有抵接边，所述承力机匣的前端开设抵接凹槽，所述抵接边设于所述抵接凹槽内，与所述抵接凹槽的内壁相抵接，并且，所述抵接边与所述抵接凹槽侧壁之间预留径向间隙，构成所述前端浮动连接结构。
进一步地，所述封严罩的后端还设置U型止口，所述外流道机匣通过所述U型止口与所述封严罩连接，用于对所述外流道机匣进行周向定位和轴向限位。
进一步地，所述封严罩、所述承力支柱和所述承力机匣之间通过螺栓固定连接。
本发明所提供的涡轮后承力上流道机匣的浮动结构设计，能解决机匣径向热变形不协调问题，降低热应力，提高机匣使用寿命，相对与传统机匣，低周寿命提高数十倍，从而满足发动设计要求。本发明已推广应用于某发动机低压涡轮后承力结构设计中。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图。
图1为现有技术中涡轮后承力机匣结构示意图；
图2为现有技术中涡轮后承力机匣和外流道机匣刚性连接结构示意图；
图3为本发明实施例中涡轮后承力机匣浮动结构示意图；
图4为图3中局部后端浮动连接结构16示意图；
图5为后端浮动连接结构16尺寸标注示意图；
图6为图3中局部前端浮动连接结构18示意图；
图7为图3中局部限位连接部17结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，包括外流道机匣1、封严罩2、承力机匣3和承力支柱5，所述封严罩2、所述承力支柱5和所述承力机匣3固定连接，所述外流道机匣1的两端通过浮动连接部与所述承力机匣3柔性连接。
具体地，如图3所示，本公开实施例的涡轮后承力浮动结构，主要由外流道机匣1、封严罩2、承力机匣3、承力支柱5、螺栓11和螺栓12等组成。
其中封严罩2、承力支柱5与承力机匣3通过螺栓11和螺栓12连接在一起，形成刚性连接，实现封严罩2、承力支柱5与承力机匣3径向、周向和轴向定位可靠。外流道机匣1通过后端浮动连接结构16和前端浮动连接结构18和承力机匣3进行柔性连接，实现径向定位和轴向限位，通过和封严罩2之间的限位连接部17实现轴向和周向限位。
如图4所示，所述外流道机匣1的后端向外延伸形成J型的钩状凹槽，所述承力机匣3的后端垂直向内侧延伸一段形成连接边，所述连接边伸入所述钩状凹槽内，还包括弹性W垫圈19，所述弹性W垫圈19嵌设与所述连接边与所述所述钩状凹槽内壁之间，使所述连接边的端部与所述钩状凹槽的端部内壁之间相抵接，构成所述后端浮动连接结构16。后端浮动连接结构16的结构形式为：外流道机匣1通过反扣设计安装在承力机匣3上，径向定位第一止口23，初始间隙为大间隙，在间隙处安装弹性弹性W垫圈19，进行定位和封严，实现柔性连接，降低连接刚度，在承力机匣3上设计凸台22，将所述弹性W垫圈19进行限位，防止弹性W垫圈19沿轴向脱出，其中，所述凸台22的伸出长度不小于0.5倍的所述弹性W垫圈19的高度。在发动机大状态下，外流道机匣1相对承力机匣3变形较大，第一止口23间隙大幅减小，止口挤压力(弹性W垫圈19的弹性力)大幅上升，保证外流道机匣1径向定位和封严可靠，在发动机小状态下，通过辅助径向定位第二止口20实现外流道机匣1的径向定位可靠。同时轴向配合面21用来实现外流道机匣1轴向定位可靠。
如图5所示，所述弹性W垫圈19包括平直段，所述弹性W垫圈19分别与所述连接边以及所述钩状凹槽内壁之间的接触部均设置为所述平直段，还包括位于所述平直段两端的圆弧段，以及连接相邻圆弧段的直线段，所述圆弧段的半径不小于0.5倍的所述弹性W垫圈19的高度，且所述平直段的长度和所述弹性W垫圈19的厚度均不小于0.25倍的所述弹性W垫圈19的高度，所述弹性W垫圈19的轴向长度不小于2倍的高度。在一种优选实施例中，弹性W垫圈19的截面基本形状由相邻两两相切的五个圆弧段27和四条直线段26构成，为更好的实现定位和封严，在弹性W垫圈19和外流道机匣1以及承力机匣3接触的地方设计了平直段28，弹性W垫圈19相对发动机轴线内径为R1,轴向长度为L1，高度H1,厚度为t，R1和L1的值均有外流道机匣1以及承力机匣3的尺寸决定，原则上保证具有可装配性即可，平直段28长度为L2，圆弧段27半径为R2，要求L1不小于2H1,H2不小于0.5H1，R2不小于0.5H1,L2与t不小于0.25H1,H1为外流道机匣1和承力机匣3工作时的径向变形差，通过有限元仿真得到，同时通过基于代理模型和多目标遗传算法的应力优化技术对L2、R2、t值进行优化设计,以得到各尺寸的最优值,保证塑性变形和疲劳寿命均满足要求。
如图6所示，所述外流道机匣1的前端设有抵接边，所述承力机匣3的前端开设抵接凹槽，所述抵接边设于所述抵接凹槽内，与所述抵接凹槽的内壁相抵接，并且，所述抵接边与所述抵接凹槽侧壁之间预留径向间隙，构成所述前端浮动连接结构18。具体地，前端浮动连接结构18的结构形式为：外流道机匣1以及承力机匣3之间设计径向限位口24，初始间隙为大间隙，间隙值通过有限元分析得到，外流道机匣1轴向自由膨胀。
如图7所示，上述限位连接部17具体包括：所述封严罩2的后端设置U型止口25，所述外流道机匣1通过所述U型止口25与所述封严罩2连接，用于对所述外流道机匣1进行周向定位和轴向限位，构成上述限位连接部17。限位连接部17的结构形式为：外流道机匣1以及封严罩2之间通过U型止口25连接，初始为小间隙，实现外流道机匣1周向定位和轴向限位。
本公开实施例主要的实现手段为流道机匣1和承力机匣3实现柔性连接，降低连接刚度，从而解决机匣径向热变形不协调问题，降低热应力，提高机匣使用寿命。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，包括外流道机匣、封严罩、承力机匣和承力支柱，所述封严罩、所述承力支柱和所述承力机匣固定连接，所述外流道机匣的两端通过浮动连接部与所述承力机匣柔性连接；
所述浮动连接部包括后端浮动连接结构和前端浮动连接结构，所述外流道机匣的后端向外延伸形成J型的钩状凹槽，所述承力机匣的后端垂直向内侧延伸一段形成连接边，所述连接边伸入所述钩状凹槽内，
还包括弹性W垫圈，所述弹性W垫圈嵌设于所述连接边与所述钩状凹槽内壁之间，使所述连接边的端部与所述钩状凹槽的端部内壁之间相抵接，构成所述后端浮动连接结构；
所述外流道机匣的前端设有抵接边，所述承力机匣的前端开设抵接凹槽，所述抵接边设于所述抵接凹槽内，与所述抵接凹槽的内壁相抵接，并且，所述抵接边与所述抵接凹槽侧壁之间预留径向间隙，构成所述前端浮动连接结构。
2.根据权利要求1所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述承力机匣的后端向靠近所述弹性W垫圈的方向延伸形成凸台，所述凸台位于所述弹性W垫圈的凹进处，将所述弹性W垫圈进行限位。
3.根据权利要求2所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述凸台的伸出长度不小于0.5倍的所述弹性W垫圈的高度。
4.根据权利要求1所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述弹性W垫圈上包括平直段，所述弹性W垫圈分别与所述连接边以及所述钩状凹槽内壁之间的接触部均设置为所述平直段。
5.根据权利要求4所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述弹性W垫圈还包括位于所述平直段两端的圆弧段，以及连接相邻圆弧段的直线段，所述圆弧段的半径不小于0.5倍的所述弹性W垫圈的高度，且所述平直段的长度和所述弹性W垫圈的厚度均不小于0.25倍的所述弹性W垫圈的高度。
6.根据权利要求5所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述弹性W垫圈的轴向长度不小于2倍的高度。
7.根据权利要求1所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述封严罩的后端还设置U型止口，所述外流道机匣通过所述U型止口与所述封严罩连接，用于对所述外流道机匣进行周向定位和轴向限位。
8.根据权利要求1所述的可降低热应力的涡轮后承力浮动结构，其特征在于，所述封严罩、所述承力支柱和所述承力机匣之间通过螺栓固定连接。
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