CN114233399B - 一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，包括以下具体步骤：装配一号叶片；二号叶片在自由状态下，测量二号叶片的叶冠端面特征点相对于二号叶片的叶片缘板短端面的第一轴向尺寸；扭转二号叶片的叶冠，以使二号叶片装配到位；二号叶片在涡轮盘上装配到位后，测量二号叶片的叶冠端面特征点到其靠近的叶片缘板短端面的第二轴向尺寸；根据第二轴向尺寸与第一轴向尺寸，计算获得二号叶片的叶冠接触面上的接触应力，如接触应力满足设计期望值，则该叶片满足装配要求；如不满足设计期望值，则更换并重新安装二号叶片。本发明可提高燃气轮机涡轮的气动效率和抗振动阻尼效果。

Description

一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机技术领域，具体涉及一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法。

背景技术

为提高燃气轮机涡轮部件的气动效率和涡轮转子叶片抗振能力，采取的技术措施主要是在叶片尖部增加冠状结构（即叶冠）。早期涡轮转子叶片的叶冠常采用平行四边结构，即平行冠，其结构简单，加工方便，并能显著减小叶尖燃气泄漏，但其抗振动能力不足，其抗振原理是当叶片在使用中发生振动时，相邻叶片间的叶冠将产生相互碰撞，从而将被激振的叶片振动能量吸收，起到振动阻尼功能。在使用中发现，平行叶冠振动阻尼效果受相邻叶片叶冠间的间隙量、叶片刚度等影响显著，并且振动阻尼效果也不很理想。为了提高叶片抗振能力，在平行冠结构的基础上演变出了阻尼效果更好、抗振能力更强的“锯齿形冠”结构（锯齿冠）。锯齿冠的抗振动阻尼原理是相邻叶片叶冠之间具有一定的接触面积，接触面上有适量的接触应力，当叶片在使用中发生振动时，相邻叶片的叶冠间在接触区发生相互滑移摩擦，从而将叶片的振动能量吸收，起到抗振阻尼作用。

虽然叶片的锯齿冠具有较好的抗振动阻尼性能，但需要将叶冠接触面上的接触应力控制在合适的范围，使相邻叶片的叶冠在各工作状态下叶冠接触面不发生分离，也要使叶片在发生振动时相邻叶片叶冠的接触面间可以相互滑移。锯齿冠接触面上的接触应力是在叶片设计中确定的，并通过控制锯齿冠的尺寸实现叶冠接触面间产生需要的装配过盈量，过盈量和叶片扭转刚度是决定叶冠接触面上接触应力的主要参数。叶片结构和材料确定之后，叶冠接触应力大小取决于叶冠接触面间的装配过盈量。接触应力太大，叶冠接触面间不能产生相互滑移，叶片振动能量无法被吸收，实现不了振动阻尼功能，且较大的接触应力会在锯齿冠的齿根处产生较大的弯曲应力，易使叶冠萌发裂纹而失效。叶冠接触面接触应力太小，工作中相邻叶片叶冠的接触面可能产生分离，振动阻尼功能失效。因此，控制叶冠接触面上的接触应力是实现叶片在工作中始终保持振动阻尼功能的关键。

目前，控制涡轮转子叶片锯齿冠接触面上接触应力的方法是，根据叶片扭转刚度和叶冠接触面上接触应力需求计算出叶冠接触面间的装配过盈尺寸。但因制造公差，使得叶片安装定位面至叶冠接触面的尺寸有较大的分散度，使得各个叶片叶冠接触面上的接触应力存在较大的差异，在使用中易出现因叶冠接触面应力过小，使叶冠接触面产生分离，或过大使得叶冠接触面不易产生相互滑移，甚至使得叶冠锯齿的根部因应力过大而出现疲劳裂纹故障。

因此，定量在控制叶冠接触面上的接触应力，是实现叶片有效振动阻尼的关键，亟需一种有效的方法来解决上述问题。

发明内容

为解决目前带锯齿冠涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力不能测量，且因叶片制造尺寸的分散性而使得叶冠接触面存在接触应力过大或过小，并影响叶片抗振动阻尼效果，使叶片发生振动失效故障的问题，本专利发明了一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法。

本发明适用于控制带锯齿冠的涡轮转子叶片抗振动阻尼。叶片主要由叶冠、叶身和榫头等部分组成。叶片通过榫头安装在涡轮盘上。叶冠在叶片的盆侧和背侧边缘轮廓为“锯齿”形，F段为相邻叶片叶冠的接触面。为使涡轮转子叶片在盘上装配后相邻叶片的叶冠在接触面F段上产生规定的接触应力，通过控制叶冠周向尺寸使得叶片在盘上装配后，相邻叶片的叶冠接触面上存在一定量的装配过盈，产生期望的接触应力。

本发明提供了一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，在涡轮盘上任意相邻的两个涡轮转子叶片中，位于上方的一个涡轮转子叶片为一号叶片，与一号叶片相邻的一个涡轮转子叶片为二号叶片，用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法包括以下具体步骤：

将一号叶片装配在涡轮盘上；

二号叶片在自由状态下，测量二号叶片的叶冠端面特征点相对于二号叶片的叶片缘板短端面的第一轴向尺寸；

将二号叶片的榫头安装在涡轮盘榫槽中，并扭转二号叶片的叶冠，将二号叶片沿盘榫槽推至与一号叶片位于相同的轴向装配位置，以使二号叶片装配到位；

二号叶片在涡轮盘上装配到位后，测量二号叶片的叶冠端面特征点到其靠近的叶片缘板短端面的第二轴向尺寸；

根据第二轴向尺寸与第一轴向尺寸，计算获得二号叶片叶冠接触面上的接触应力，如接触应力满足设计期望值，则该叶片满足装配要求；如接触应力不满足设计期望值，则更换二号叶片并重新安装，直至二号叶片的叶冠接触面上的接触应力满足设计期望值。

作为本发明中一种优选的技术方案，根据测量的第二轴向尺寸与第一轴向尺寸，计算获得叶片装配状态下叶冠接触面的装配过盈量，叶冠接触面的装配过盈量等于第一轴向尺寸与第二轴向尺寸之差，计算获得二号叶片的叶冠接触面上的接触应力等于k乘以叶冠接触面的装配过盈量，其中，k为二号叶片的扭转刚度系数。

作为本发明中一种优选的技术方案，将二号叶片的榫头安装在涡轮盘榫槽中，并扭转二号叶片的叶冠，直至二号叶片的二号叶片叶冠接触面与一号叶片的一号叶片叶冠接触面不发生干涉，然后将二号叶片的榫头沿涡轮盘榫槽推送至与一号叶片位于相同的轴向装配位置，以使二号叶片装配到位。

作为本发明中一种优选的技术方案，扭转二号叶片的叶冠时，是使得二号叶片的叶冠相对于二号叶片的缘板发生扭转。

作为本发明中一种优选的技术方案，二号叶片的叶冠端面特征点靠近二号叶片的叶冠侧面尖点。

作为本发明中一种优选的技术方案，二号叶片的叶冠上距离叶冠中心最远的一点为侧面尖点，二号叶片的叶冠端面特征点与侧面尖点之间的距离为M，M=1mm-15mm。

作为本发明中一种优选的技术方案，测量第一轴向尺寸和第二轴向尺寸时，是采用三坐标测量仪或光学测量仪进行测量。

作为本发明中一种优选的技术方案，测量第一轴向尺寸和第二轴向尺寸时，将待测量的涡轮转子叶片装配在涡轮盘上，测量叶冠端面特征点到叶片缘板短端面的第二轴向尺寸，在涡轮转子叶片装配时，为控制叶片叶冠接触面接触应力，根据测量的第一轴向尺寸和第二轴向尺寸选配叶片。

有益效果：本发明对带锯齿形叶冠的涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的控制方法，可以显著提高燃气轮机涡轮转子叶片抗振动阻尼效果。目前，燃气轮机和航空发动机上涡轮转子叶片锯齿冠接触面上的接触应力是通过控制叶冠周向装配过盈量来实现，因与叶冠接触面的装配过盈量相关的尺寸存在制造公差积累和分散度，使得叶冠接触面实际接触应力分散度大，甚至偏离设计要求的接触应力范围，使得叶冠振动阻尼效果降低、甚至产生疲劳裂纹。本发明的控制叶冠接触面接触应力的控制方法，是通过测量涡轮转子叶片叶冠在涡轮盘上装配前后的扭转量来间接、定量获得叶冠接触面的接触应力，通过选配涡轮转子叶片可将叶冠接触面上的接触应力限制在设计要求的范围内，避免出现涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力过大或过小，使涡轮转子叶片能在设计期望的接触应力下工作，既实现涡轮转子叶片抗振动阻尼目的，又提高叶冠抗疲劳寿命和工作可靠性。

附图说明

图1为本发明中的带冠涡轮转子叶片锯齿冠结构示意图；

图2为本发明中的涡轮转子组件结构示意图；

图3为本发明中的一号叶片与二号叶片在自由状态下一号叶片叶冠接触面与二号叶片叶冠接触面相互干涉状态示意图；

图4为本发明中的涡轮转子叶片在涡轮盘上装配状态下叶冠特征点尺寸测量示意图。

图中：1-一号叶片；2-二号叶片；F1-一号叶片叶冠接触面；F2-二号叶片叶冠接触面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

实施例一：

如图1-图4所示，本实施例提供了一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其中，涡轮盘上会设置多个涡轮转子叶片，而在涡轮盘上任意相邻的两个涡轮转子叶片中，将位于上方的一个涡轮转子叶片定义为一号叶片1，将位于下方的一个涡轮转子叶片定义为二号叶片2，最终，用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法包括以下具体步骤：

将一号叶片1装配在涡轮盘上，装配时按照现行标准安装到位即可，不做具体的限制；

在一号叶片1装配到位后，开始装配二号叶片2。首先，二号叶片2在自由状态下，测量二号叶片2的叶冠端面特征点相对于二号叶片2的叶片缘板短端面的第一轴向尺寸。其中，二号叶片2的叶冠端面特征点靠近二号叶片2的叶冠侧面尖点，具体的，二号叶片2的叶冠上距离叶冠中心最远的一点为侧面尖点，二号叶片2的叶冠端面特征点与侧面尖点之间的距离为M，M=1mm-15mm，M具体可以是1 mm 、5mm 、10mm 或15mm等，不做具体的限制，根据实际情况调整即可。

二号叶片在自由状态下装配时二号叶片叶冠接触面F2与一号叶片的一号叶片叶冠接触面F1会发生装配干涉（如图3所示）。因此，在测量完二号叶片2的叶冠端面特征点相对于二号叶片2的叶片缘板短端面的第一轴向尺寸，将二号叶片2装入涡轮盘时，是将二号叶片2的榫头安装在涡轮盘榫槽中，同时扭转二号叶片2的叶冠，将二号叶片2沿盘榫槽推至与一号叶片1位于相同的轴向装配位置，以使二号叶片2装配到位（如图4所示）。需要说明的是，扭转二号叶片2的叶冠是使二号叶片2的叶冠相对于缘板发生扭转，使其不与一号叶片发生装配干涉，同时使得叶身存在扭转应力并出现向其原位恢复的扭转趋势，叶冠通过叶片向原位恢复扭转而与相邻叶片的叶冠在接触面上产生接触应力。

二号叶片2在涡轮盘上装配到位后，测量二号叶片2的叶冠端面特征点距二号叶片2叶片缘板短端面的第二轴向尺寸；

根据涡轮叶片装配前后两次测得的第一轴向尺寸和第二轴向尺寸，计算获得叶片装配状态下叶冠接触面的装配过盈量（叶冠接触面的装配过盈量等于第一轴向尺寸与第二轴向尺寸之差），进而计算获得二号叶片2叶冠接触面上的接触应力（叶冠接触面上的接触应力等于k乘以叶冠接触面的装配过盈量），其中，k为二号叶片2的扭转刚度系数。如接触应力满足设计期望值，则判断该叶片满足装配要求；如接触应力不满足设计期望值，则更换二号叶片2并重新安装，重新测量其装配前后的第一轴向尺寸和第二轴向尺寸，直至二号叶片2叶冠接触面上的接触应力满足设计期望值。

需要说明的是，在实际中，接触应力是约等于k乘以叶冠接触面的装配过盈量，非常的接近，但是因为实际中各种原因，很难做到绝对相等。

本发明中对带有叶冠的涡轮叶片的控制方法，可以显著提高燃气轮机涡轮转子叶片抗振动阻尼效果。目前燃气轮机和航空发动机上涡轮转子叶片锯齿冠接触面上的接触应力是通过控制相关尺寸来控制，因叶片制造公差使得叶冠实际接触应力不确定、分散度大，存在叶冠接触面接触应力过大或太小的现象，使用中易发生阻尼效果不好、叶冠疲劳裂纹等问题。采用本专利发明的控制叶冠接触面接触应力的控制方法，通过测量涡轮转子叶片叶冠在涡轮盘上装配前后的扭转量来间接、定量获得叶冠工作面的接触应力，通过选配涡轮转子叶片将叶冠接触面上的接触应力限制在设计期望的范围内，使涡轮转子叶片既实现振动阻尼目的，又提高了叶冠抗疲劳寿命和工作可靠性。

实施例二：

本实施例是在实施例一基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一的具体区别是：

作为对实施例一中方法的进一步优化说明，本实施例对涡轮转子叶片叶冠端面特征点到叶片缘板短端面第二轴向尺寸的测量做出了具体的说明。

在本实施例中，涡轮转子叶片可以安装在真实涡轮盘上测量第二轴向尺寸，或安装在模拟涡轮盘的专用装置上测量第二轴向尺寸，模拟装配装置上设置了涡轮叶片在盘上装配定位的模拟叶片，可以说模拟叶片与涡轮盘，和真实叶片和涡轮盘完全相同。测量第一轴向尺寸和第二轴向尺寸时，可以采用三坐标测量仪或光学测量仪等专用测具进行测量，将待测量的涡轮转子叶片装配在涡轮盘上，测量叶冠端面特征点到其靠近的叶片缘板短端面的第二轴向尺寸（此处需要说明的是，缘板上一共有四个端面，其中有两个端面靠近叶冠端面特征点，在这两个端面相互比较时，一个端面的长度较长，另一个端面的长度较短，其中，长度较短的一个端面即为叶片缘板短端面），在涡轮转子叶片装配时，为控制叶片叶冠接触面接触应力，根据测量的第一轴向尺寸和第二轴向尺寸选配叶片。

将需要测量的涡轮转子叶片装配到模拟装配装置上，采用专用测具测量叶冠端面特征点距叶片缘板短端面的第二轴向尺寸。对拟用于涡轮转子装配的全部涡轮转子叶片，分别测量在自由状态下叶冠端面特征点距叶片缘板短端面的第一轴向尺寸和模拟装配状态下第二轴向尺寸，并计算每片涡轮转子叶片在模拟装配与自由状态下叶冠端面特征点距叶片缘板短端面的尺寸差值（第一轴向尺寸与第二轴向尺寸之差）。

需要说明的是，上述涡轮叶片模拟装配装置仅仅是举例说明，模拟叶片也可以用真实叶片。模拟涡轮叶片装配的盘也可以是整盘、盘的扇形段或模拟盘等，主要含义是利用专用装置模拟涡轮转子叶片在盘上的装配状态，并测量叶冠端面特征点距叶片缘板短端面的距离。采用涡轮转子叶片模拟装配装置，可非常方便地测量并获得叶片在自由状态下和装配状态下叶冠端面特征点到叶片缘板短端面的尺寸差值（第一轴向尺寸与第二轴向尺寸之差）。在真实的涡轮转子装配时，根据测量的尺寸差值选配叶片，可将叶冠接触面接触应力控制在设计期望的范围内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，在涡轮盘上任意相邻的两个涡轮转子叶片中，位于上方的一个涡轮转子叶片为一号叶片（1），与一号叶片（1）相邻的一个涡轮转子叶片为二号叶片（2），用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法包括以下具体步骤：

将一号叶片（1）装配在涡轮盘上；

二号叶片（2）在自由状态下，测量二号叶片（2）的叶冠端面特征点相对于二号叶片（2）的叶片缘板短端面的第一轴向尺寸；

将二号叶片（2）的榫头安装在涡轮盘榫槽中，并扭转二号叶片（2）的叶冠，将二号叶片（2）沿盘榫槽推至与一号叶片（1）位于相同的轴向装配位置，以使二号叶片（2）装配到位；

二号叶片（2）在涡轮盘上装配到位后，测量二号叶片（2）的叶冠端面特征点到其靠近的叶片缘板短端面的第二轴向尺寸；

根据第二轴向尺寸与第一轴向尺寸，计算获得二号叶片（2）叶冠接触面上的接触应力，如接触应力满足设计期望值，则该叶片满足装配要求；如接触应力不满足设计期望值，则更换二号叶片（2）并重新安装，直至二号叶片（2）的叶冠接触面上的接触应力满足设计期望值。

2.根据权利要求1所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，根据测量的第二轴向尺寸与第一轴向尺寸，计算获得叶片装配状态下叶冠接触面的装配过盈量，叶冠接触面的装配过盈量等于第一轴向尺寸与第二轴向尺寸之差，计算获得二号叶片（2）的叶冠接触面上的接触应力等于k乘以叶冠接触面的装配过盈量，其中，k为二号叶片（2）的扭转刚度系数。

3.根据权利要求1所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，将二号叶片（2）的榫头安装在涡轮盘榫槽中，并扭转二号叶片（2）的叶冠，直至二号叶片（2）的二号叶片叶冠接触面（F2）与一号叶片（1）的一号叶片叶冠接触面（F1）不发生干涉，然后将二号叶片（2）的榫头沿涡轮盘榫槽推送至与一号叶片（1）位于相同的轴向装配位置，以使二号叶片（2）装配到位。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，扭转二号叶片（2）的叶冠时，是使得二号叶片（2）的叶冠相对于二号叶片（2）的缘板发生扭转。

5.根据权利要求1所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，二号叶片（2）的叶冠端面特征点靠近二号叶片（2）的叶冠侧面尖点。

6.根据权利要求5所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，二号叶片（2）的叶冠上距离叶冠中心最远的一点为侧面尖点，二号叶片（2）的叶冠端面特征点与侧面尖点之间的距离为M，M=1mm-15mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，测量第一轴向尺寸和第二轴向尺寸时，是采用三坐标测量仪或光学测量仪进行测量。

8.根据权利要求7所述的一种用于控制涡轮转子叶片叶冠接触面接触应力的方法，其特征在于，测量第一轴向尺寸和第二轴向尺寸时，将待测量的涡轮转子叶片装配在涡轮盘上，测量叶冠端面特征点到叶片缘板短端面的第二轴向尺寸，在涡轮转子叶片装配时，为控制叶片叶冠接触面接触应力，根据测量的第一轴向尺寸和第二轴向尺寸选配叶片。

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