CN115270359A - 一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮叶片榫连结构技术领域，公开了一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，在榫连结构尺寸边界和工作面轮廓和非工作面轮廓尺寸约束下，确定齿顶圆弧；根据确定的齿顶圆弧，确定工作面转接圆弧，非工作面转接圆弧。本发明中的设计方法易于理解、操作流程简单，可以在保证接触面直线段的长度不变的情况下，采用三段圆弧转接和圆弧半径匹配设计，解决榫连结构尺寸约束和低接触应力要求的越来越突出的矛盾，可满足先进航空发动机研制需求。可在保持常规榫连结构尺寸限制和工作面直线段长度情况下，仅采用三段圆弧转接结构，增大与工作面的转接圆弧半径，可降低最大接触应力，减少微动磨损，增加榫连结构寿命。

Description

一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片榫连结构技术领域，公开了一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法。

背景技术

现代航空发动机涡轮转子叶片与涡轮盘的连接中广泛采用枞树型榫连结构，其承受较高的热机械载荷和叶片振动载荷，工作环境恶劣，统计数据表明，有高达20%航空发动机严重故障是由于榫连结构失效破坏而造成。

微动疲劳是榫连结构主要的失效形式之一，微动疲劳寿命与榫齿工作面的接触应力的大小密切相关，低接触应力榫连结构设计是提高榫连结构寿命的有效途径。

降低榫连结构接触应力的方法主要有增加工作面长度、增大接触圆弧半径等，但这几种方法都需增加榫连结构尺寸，例如增加接触圆弧半径0.5mm，榫齿喉部宽度将减少1mm，其承载能力大为降低。在实际工程设计中，榫连结构的设计几何空间极为有限，尺寸约束与低接触应力要求往往无法同时满足。

目前，国外已有丰富的榫连结构设计经验，航空发动机工业发达的国家已经能够实现标准化、流程化榫连结构设计。我国枞树形榫连结构设计主要依据标准HB5965，部分论文对降低榫连结构接触应力有一定研究，但采用的方法都是以增大榫连结构尺寸或降低强度为代价实现的，尚未有一种可兼顾几何尺寸和低接触应力的榫连结构设计方法。随着涡轮转子载荷越来越高，尺寸约束要求和低接触应力要求的矛盾越来越突出，难以满足先进航空发动机的研制需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，可以解决榫连结构尺寸约束和低接触应力要求的越来越突出的矛盾，可满足先进航空发动机研制需求；可在保持常规榫连结构尺寸限制和工作面直线段长度情况下，仅采用三段圆弧转接结构，增大与工作面的转接圆弧半径，可降低最大接触应力，减少微动磨损，增加榫连结构寿命。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，包括如下步骤：

步骤1、确定榫连结构尺寸边界，包括榫连结构的轮缘凸块喉部最小尺寸、叶片喉部最小尺寸、榫连结构高度尺寸；

步骤2、确定榫齿和对应轮缘的工作面轮廓和非工作面轮廓；

步骤3、在榫连结构尺寸边界和工作面轮廓和非工作面轮廓尺寸约束下，确定榫齿的齿顶圆弧和对应轮盘上的齿根圆弧；

步骤4、根据齿顶圆弧和齿根圆弧，分别确定齿顶圆弧和齿根圆弧与对应工作面轮廓的工作面转接圆弧，以及对应非工作面轮廓与齿顶圆弧、齿根圆弧的对应非工作面转接圆弧。

进一步地，步骤1中根据叶片、轮盘的轮缘凸块的载荷和喉部拉伸应力要求确定榫连结构的轮缘凸块喉部最小尺寸、叶片喉部最小尺寸、榫连结构高度尺寸。

进一步地，步骤2中根据尺寸边界和强度设计要求，选择榫头齿厚、齿形角、齿数参数，分别确定榫齿的工作面轮廓和非工作面轮廓，以及对应轮盘的工作面轮廓和非工作面轮廓。

进一步地，步骤3中齿顶圆弧、齿根圆弧的参数确定流程为：

根据喉部最小尺寸，选取叶片榫齿和轮缘凸块轴向间隙，根据轴向间隙确定叶片榫齿和轮盘齿根轴向边界曲线；

将叶片榫齿和轮盘齿根的工作面轮廓和非工作面轮廓延长至对应的轴向边界曲线上，在对应边界曲线上的两个交点之间的线段长度分别为对应齿顶圆弧和齿根圆弧的设计高度基准；

分别根据齿顶圆弧和齿根圆弧对应的设计高度基准确定齿顶圆弧、齿根圆弧的半径值和高度值，所述高度值分别为齿顶圆弧、齿根圆弧的圆心分别与对应工作面轮廓的延长线与对应轴向边界曲线交点连线在轴向边界线上的投影长度；

分别确定齿顶圆弧、齿根圆弧的位置，使齿顶圆弧、齿根圆弧与对应的轴向边界曲线相切。

进一步地，齿顶圆弧的半径值为圆弧设计高度基准值的0.2～0.6倍，高度值为圆弧设计高度基准值的0.15～0.25倍；齿根圆弧的半径值为齿根圆弧设计高度基准值的1.5～2倍，高度值为齿根圆弧设计高度基准值的0.3～0.5倍。

进一步地，步骤4中工作面轮廓与齿顶圆弧或齿根圆弧的工作面转接圆弧确定流程为：根据齿顶圆弧、齿根圆弧，以及对应的工作面轮廓，选择对应工作面转接圆弧的半径，并使工作面转接圆弧与工作面轮廓、以及对应的齿顶圆弧或齿根圆弧相切。

进一步地，齿顶圆弧的工作面转接圆弧半径范围为齿顶圆弧半径的1.5～3倍，齿根圆弧的工作面转接圆弧半径范围为齿根圆弧半径的0.5～0.8倍。

进一步地，步骤4中非工作面轮廓与对应的齿顶圆弧或齿根圆弧的非工作面转接圆弧的确定流程为：根据齿顶圆弧、齿根圆弧，以及对应的非工作面轮廓，选择对应非工作面转接圆弧的半径，并使非工作面转接圆弧与工作面轮廓、以及对应的齿顶圆弧或齿根圆弧相切。

进一步地，齿顶圆弧的非工作面转接圆弧的半径是齿顶圆弧半径的2～4倍，齿根圆弧的非工作面转接圆弧的半径是齿根圆弧半径的1.5～2倍。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

1、本发明中的设计方法易于理解、操作流程简单，可以在保证接触面直线段的长度不变的情况下，采用三段圆弧转接和圆弧半径匹配设计，解决榫连结构尺寸约束和低接触应力要求的越来越突出的矛盾，可满足先进航空发动机研制需求。

2、本发明可在保持常规榫连结构尺寸限制和工作面直线段长度情况下，仅采用三段圆弧（齿顶圆弧、工作面转接圆弧、非工作面转接圆弧）转接结构，增大与工作面的转接圆弧半径，可降低最大接触应力，减少微动磨损，增加榫连结构寿命。

附图说明

图1为实施例2中尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法流程图；

图2为实施例1或2中榫连结构边界尺寸示意图；

图3为实施例1或2中榫连结构工作面轮廓和非工作面轮廓示意图；

图4为实施例1或2中齿顶圆弧、齿根圆弧尺寸设计示意图；

图5为实施例1或2中齿顶圆弧、齿根圆弧与对应转接圆弧设计示意图；

图6为实施例2设计的榫连结构与常规设计榫连结构对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图2-5，一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，包括如下步骤：

步骤1、确定榫连结构尺寸边界，榫连结构的轮缘凸块1喉部最小尺寸2，叶片喉部最小尺寸3、榫连结构高度尺寸4；

步骤2、确定榫齿和对应轮缘的工作面轮廓L3和非工作面轮廓L4、L5；

步骤3、在榫连结构尺寸边界和工作面轮廓L3和榫齿非工作面轮廓L4、轮盘非工作面轮廓L5尺寸约束下，确定榫齿的齿顶圆弧7和对应轮盘上的齿根圆弧8；

步骤4、根据齿顶圆弧7和齿根圆弧8，分别确定齿顶圆弧7和齿根圆弧8与对应工作面轮廓L3的工作面转接圆弧L6、L8，以及对应非工作面轮廓L4、L5与齿顶圆弧7、齿根圆弧8的对应非工作面转接圆弧L7、L9。

本实施例中，在保证接触面直线段的长度不变的情况下，采用三段圆弧转接和圆弧半径匹配设计，解决榫连结构尺寸约束和低接触应力要求的越来越突出的矛盾，可满足先进航空发动机研制需求。可在保持常规榫连结构尺寸限制和工作面直线段长度情况下，仅采用三段圆弧（如齿顶圆弧7、工作面转接圆弧L6、非工作面转接圆弧L7）转接结构，增大与工作面的转接圆弧半径，可降低最大接触应力，减少微动磨损，增加榫连结构寿命。

实施例2

参见图1-5，本实施例以某一型号的涡轮叶片榫连结构中的第一榫齿设计流程为例，对该发明的设计方法进行详细说明，具体流程如下：

步骤1、确定榫连结构尺寸边界，榫连结构的轮缘凸块1喉部最小尺寸2，叶片喉部最小尺寸3、榫连结构高度尺寸4；

如图2所示，本实施例中，根据叶片5、轮盘的轮缘凸块1的载荷和喉部拉伸应力要求确定榫连结构的轮缘凸块喉部最小尺寸2，叶片喉部最小尺寸3、榫连结构高度尺寸4。

步骤2、确定榫齿和对应轮缘的工作面轮廓L3和非工作面轮廓L4、L5；

如图3，本实施例中，根据尺寸边界和强度设计要求（本实施中主要考虑挤压应力储备、喉部拉伸应力储备要求，其他相关强度设计要求根据实际工程需要进行相应限定），选择榫头齿厚H、齿形角6、齿数参数，确定榫齿和对应轮缘的工作面轮廓L3（齿顶圆弧7和齿根圆弧8的工作面轮廓重合，均为L3）和非工作面轮廓L4、L5。

步骤3、在榫连结构尺寸边界和工作面轮廓L3和非工作面轮廓L4、L5尺寸约束下，确定齿顶圆弧7和齿根圆弧8；

如图4和图5（两者均为图3中局部I的放大示意图），首先根据喉部最小尺寸2，选取叶片5的榫齿和轮缘凸块1轴向间隙d，一般轴向间隙d可选取0.05mm～0.15mm，根据轴向间隙d确定齿顶圆弧7的轴向边界曲线L1，以及齿根圆弧8的轴线边界曲线L2。

本实施例中的齿顶圆弧7的参数确定流程为：

1）将齿顶圆弧7的工作面轮廓L3和非工作面轮廓L4延长至轴向边界曲线L1，两个交点O1、O2之间的线段O1O2长度为齿顶圆弧7的设计高度基准；

2）根据齿顶圆弧7的设计高度基准O1O2确定齿顶圆弧7的半径值和高度值，齿顶圆弧7的高度值为齿顶圆弧7圆心与交点O1的连线在轴向边界线L1的投影长度；本实施例中齿顶圆弧7的半径值为齿顶圆弧7设计高度基准O1O2的0.2～0.6倍，高度值为齿顶圆弧7设计高度基准O1O2的0.15～0.25倍；

3）确定齿顶圆弧7位置，使齿顶圆弧7与轴向边界曲线L1相切。

本实施例中的齿根圆弧8的参数确定流程为：

1）将工作面轮廓L3和非工作面轮廓L5延长至轴向边界曲线L2，两个交点O3、O4之间的线段长度为齿根圆弧8的设计高度基准；

3）根据齿根圆弧8的设计高度基准O3O4确定齿根圆弧8的半径值和高度值，齿根圆弧8的高度值为齿根圆弧8圆心到轴向边界曲线L2的垂直距离；本实施例中齿根圆弧8的半径值为齿根圆弧8设计高度基准O3O4的1.5～2倍，高度值（齿根圆弧8的高度值为齿根圆弧8圆心与交点O3的连线在轴向边界线L3的投影长度）为齿根圆弧8设计高度基准O3O4的0.15～0.25倍；

4）确定齿根圆弧8位置，使齿根圆弧8与轴向边界曲线L2相切。

步骤4、根据确定的齿顶圆弧7，确定工作面轮廓L3与齿顶圆弧7的工作面转接圆弧L6，以及非工作面轮廓L4与齿顶圆弧7的非工作面转接圆弧L7：

1）工作面轮廓L3与齿顶圆弧7的工作面转接圆弧L6确定流程为：

根据齿顶圆弧7以及对应的工作面轮廓L3，选择工作面转接圆弧L6的半径（本实施例中工作面转接圆弧L6半径范围为齿顶圆弧7半径的1.5～3倍，且工作面转接圆弧L6的大小与榫齿接触应力直接相关，在结构空间允许的情况下选择较大的圆弧半径），并使工作面转接圆弧L6与齿顶圆弧7、工作面轮廓L3相切。

2）非工作面轮廓L4与齿顶圆弧7的非工作面转接圆弧L7的确定流程为：根据齿顶圆弧7、非工作面轮廓L4，选择非工作面转接圆弧L7的半径（本实施例中非工作面转接圆弧L7的半径是齿顶圆弧7半径的2～4倍），并使非工作面转接圆弧L7与齿顶圆弧7、非工作面轮廓L4相切。

3）工作面轮廓L3与齿根圆弧8的工作面转接圆弧L8确定流程为：

根据齿根圆弧8、工作面轮廓L3，选择工作面转接圆弧L8的半径（本实施例中齿根工作面转接圆弧L8半径范围为齿根圆弧8半径的0.5～0.8倍），并使齿根工作面转接圆弧L8与齿根圆弧8、工作面轮廓L3相切。

4）非工作面轮廓L5与齿根圆弧8的非工作面转接圆弧L9的确定流程为：根据齿根圆弧8、非工作面轮廓L5，选择非工作面转接圆弧L9的半径（本实施例中非工作面转接圆弧L9的半径是齿根圆弧8半径的1.5～2倍），并使齿根非工作面转接圆弧L9与齿根圆弧8、非工作面轮廓L5相切。

步骤5、强度评估

叶片5和轮盘的其余两个榫齿（第二榫齿、第三榫齿）的齿顶圆弧和齿根圆弧均可按步骤1～步骤4设计，确定榫连结构轮廓后，进行强度评估，当榫连结构的应力和寿命满足强度储备要求则完成设计，若不满足，可重新步骤2～步骤5。

图6为常规榫连设计与本实施例中设计的榫连结构对比示意图，其中9为本实施例设计一个榫齿结构的三段圆弧转接结构，10为该榫齿结构对应的轮盘齿根三段圆弧结构；11为常规设计榫齿结构圆弧结构，12为常规设计榫齿结构对应的齿根结构；与常规榫连结构不同的是，本实施例中仅通过采用三段圆弧转接结构，能够通过增大工作面转接圆弧半径，以降低工作面最大接触应力，同时缩小了榫连结构宽度尺寸（或宽度极限），且从而一定程度上解决了榫连结构尺寸约束和低接触应力要求的越来越突出的矛盾。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定榫连结构尺寸边界，包括榫连结构的轮缘凸块喉部最小尺寸、叶片喉部最小尺寸、榫连结构高度尺寸；

步骤2、确定榫齿和对应轮缘的工作面轮廓和非工作面轮廓；

步骤3、在榫连结构尺寸边界和工作面轮廓和非工作面轮廓尺寸约束下，确定榫齿的齿顶圆弧和对应轮盘上的齿根圆弧；

步骤4、根据齿顶圆弧和齿根圆弧，分别确定齿顶圆弧和齿根圆弧与对应工作面轮廓的工作面转接圆弧，以及对应非工作面轮廓与齿顶圆弧、齿根圆弧的对应非工作面转接圆弧。

2.根据权利要求1所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，步骤1中根据叶片、轮盘的轮缘凸块的载荷和喉部拉伸应力要求确定榫连结构的轮缘凸块喉部最小尺寸、叶片喉部最小尺寸、榫连结构高度尺寸。

3.根据权利要求1所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，步骤2中根据尺寸边界和强度设计要求，选择榫头齿厚、齿形角、齿数参数，分别确定榫齿的工作面轮廓和非工作面轮廓，以及对应轮盘的工作面轮廓和非工作面轮廓。

4.根据权利要求1所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，步骤3中齿顶圆弧、齿根圆弧的参数确定流程为：

根据喉部最小尺寸，选取叶片榫齿和轮缘凸块轴向间隙，根据轴向间隙确定叶片榫齿和轮盘齿根轴向边界曲线；

将叶片榫齿和轮盘齿根的工作面轮廓和非工作面轮廓延长至对应的轴向边界曲线上，在对应边界曲线上的两个交点之间的线段长度分别为对应齿顶圆弧和齿根圆弧的设计高度基准；

分别根据齿顶圆弧和齿根圆弧对应的设计高度基准确定齿顶圆弧、齿根圆弧的半径值和高度值，所述高度值分别为齿顶圆弧、齿根圆弧的圆心分别与对应工作面轮廓的延长线与对应轴向边界曲线交点连线在轴向边界线上的投影长度；

分别确定齿顶圆弧、齿根圆弧的位置，使齿顶圆弧、齿根圆弧与对应的轴向边界曲线相切。

5.根据权利要求4所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，齿顶圆弧的半径值为圆弧设计高度基准值的0.2～0.6倍，高度值为圆弧设计高度基准值的0.15～0.25倍；齿根圆弧的半径值为齿根圆弧设计高度基准值的1.5～2倍，高度值为齿根圆弧设计高度基准值的0.3～0.5倍。

6.根据权利要求1所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，步骤4中工作面轮廓与齿顶圆弧或齿根圆弧的工作面转接圆弧确定流程为：根据齿顶圆弧、齿根圆弧，以及对应的工作面轮廓，选择对应工作面转接圆弧的半径，并使工作面转接圆弧与工作面轮廓、以及对应的齿顶圆弧或齿根圆弧相切。

7.根据权利要求6所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，齿顶圆弧的工作面转接圆弧半径范围为齿顶圆弧半径的1.5～3倍，齿根圆弧的工作面转接圆弧半径范围为齿根圆弧半径的0.5～0.8倍。

8.根据权利要求1所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，步骤4中非工作面轮廓与对应的齿顶圆弧或齿根圆弧的非工作面转接圆弧的确定流程为：根据齿顶圆弧、齿根圆弧，以及对应的非工作面轮廓，选择对应非工作面转接圆弧的半径，并使非工作面转接圆弧与工作面轮廓、以及对应的齿顶圆弧或齿根圆弧相切。

9.根据权利要求8所述的尺寸约束下的低接触应力榫连结构设计方法，其特征在于，齿顶圆弧的非工作面转接圆弧的半径是齿顶圆弧半径的2～4倍，齿根圆弧的非工作面转接圆弧的半径是齿根圆弧半径的1.5～2倍。

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