CN115807697A - 一种具有变形协调功能的斜支板承力框架 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机涡轮机匣设计技术领域，具体涉及一种具有变形协调功能的斜支板承力框架。该承力框架包括外环（1）、内环（2）以及位于外环（1）及内环（2）之间的多个支板（3），其中，所述外环（1）为多边形外环，其具有沿周向的多个支撑板（11），以及位于相邻支撑板（11）之间的过渡板（12），所述内环（2）为圆形内环，所述支板（3）倾斜支撑在所述内环（2）及所述过渡板（12）上；相邻两个支板（3）之间的支撑板（11）的长度X与该相邻两个支板（3）所在的扇形圆弧所对应的弦长L之间的比值为0.3‑0.7。本申请提高了承力框架的使用寿命，提高了后机匣工作稳定性、保证了整个机械系统的转静子同心度。

Description

一种具有变形协调功能的斜支板承力框架

技术领域

本申请属于发动机涡轮机匣设计技术领域，具体涉及一种具有变形协调功能的斜支板承力框架。

背景技术

涡轮后机匣承力框架是航空发动机、燃气轮机的重要承力件，其特点是结构复杂、工作负荷高，如图1所示，承力框架主要由承力外环10、承力支板30、承力内环20构成，承力内环20与承力外环10通过承力支板30连接。承力框架一方面要有足够强度储备保证稳定承力，另一方面还需要有良好的热变形协调能力以降低应力水平、保证使用寿命，同时要求有足够的刚度来保证重要结构的精准空间位置，此外，承力框架支板还是燃气通道的组成部分。

目前，承力框架主要有圆形外环直支板，以及多边形外环直支板两种形式，两种结构中框架内环均为圆形，支板均沿径向延伸，主要差异为外环形状，圆形外环直支板形式的承力框架其截面图中外环为圆形，如图2所示，多边形外环直支板形式的承力框架其截面图中外环为多边形，如图3所示。

圆形直支板的结构形式比较简单，为早期发动机采用结构，使用过程中存在刚性不足、工作过程中变形严重的问题，其热变形协调能力也较弱，工作过程中应力水平较高；多边形直支板的结构形式，相比于圆形直支板，刚度有所提高，但由于热变形协调能力较弱，使用过程中仍存在裂纹、变形等问题。

上述两种形式的承力框架热变形协调能力较差，高温环境下工作时，承力框架的内环、外环与支板之间会产生较大的热应力，甚至产生疲劳裂纹，缩短了涡轮后机匣的使用寿命，同时，在高温环境下工作时，由于支板与内环、外环之间的变形不协调，导致内环、外环与支板连接位置出现了较大的非均匀变形，影响了整个框架的几何形状，导致工作可靠性、稳定性降低，目前，仍缺少一种工程上可实际应用的具有良好热变形协调能力功能且使用可靠的承力框架结构。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种具有变形协调功能的斜支板承力框架，主要包括外环、内环以及位于外环及内环之间的多个支板，其特征在于：

所述外环为多边形外环，其具有沿周向的多个支撑板，以及位于相邻支撑板之间的过渡板，所述内环为圆形内环，所述支板倾斜支撑在所述内环及所述过渡板上；

其中，相邻两个支板之间的支撑板的长度X与该相邻两个支板所在的扇形圆弧所对应的弦长L之间的比值为0.3-0.7。

优选的是，所述支板的倾斜角度在10°-30°之间。

优选的是，所述支板的倾斜角度为20°

优选的是，所述外环的多边形边数、支撑板的数量以及支板的数量相同，均为6-10个，支撑板沿所述内环周向均匀分布。

优选的是，所述外环的多边形边数、支撑板的数量以及支板的数量均为8个。

优选的是，所述外环沿轴向方向的一侧一体加工有圆形环边。

优选的是，所述支板为中空结构。

本申请能够解决承力框架热变形协调性差及其带来的应力水平高的问题，提高了承力框架的使用寿命，提高了后机匣工作稳定性、保证了整个机械系统的转静子同心度。

附图说明

图1为现有的涡轮后机匣承力框架结构示意图。

图2为圆形外环的承力框架截面图。

图3为多边形外环的承力框架截面图。

图4为本申请具有变形协调功能的斜支板承力框架的一优选实施例的承力框架结构示意图。

图5是本申请图4所示实施例的多边形边长的选取原则示意图。

图6是本申请图4所示实施例的内、外环相对转动及支板倾斜支撑示意图。

图7是本申请图6所示实施例的支板倾斜角度示意图。

图8是本申请图4所示实施例的6个支板构成的承力框架示意图。

图9是本申请图4所示实施例的8个支板构成的承力框架示意图。

图10是本申请图4所示实施例的12个支板构成的承力框架示意图。

其中，1-外环，11-支撑板，12-过渡板，13-圆形环边，2-内环，3-支板；

10-承力外环，20-承力内环，30-承力支板。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种具有变形协调功能的斜支板承力框架，如图4所示，主要包括外环1、内环2以及位于外环1及内环2之间的多个支板3，其特征在于：

所述外环1为多边形外环，其具有沿周向的多个支撑板11，以及位于相邻支撑板11之间的过渡板12，所述内环2为圆形内环，所述支板3倾斜支撑在所述内环2及所述过渡板12上；

其中，相邻两个支板3之间的支撑板11的长度X与该相邻两个支板3所在的扇形圆弧所对应的弦长L之间的比值为0.3-0.7。

承力框架的外环一般包括圆形外环和多边形外环两种，分析表明，在支板数量、内环及外环半径相同的前提下，圆形外环存在较大的应力，支板间的应力较小，比较而言多边形外环的应力分布相对更为合理，例如圆形外环支板压力13N，外环应力189MPa，外环为弯曲应力，而多边形外环支板压力15N，外环应力62MPa，外环为拉应力。从刚度的角度来分析，由于多边形外环在支板径向载荷作用下外环具有很小的柔度，所以多边形外环刚度强于圆形外环的刚度。

本申请采用多边形外环结构并给出多边形边长的选取原则。如图5所示，由于本申请的多边形的外环结构并非完全由多个支撑板11连接而成，而是在相邻的支撑板11之间设置有过渡板12，并将支板3的一端固定至该过渡板上，支撑板11作为多边形的边长，其长度X要小于两个支板3构成的扇区的弦长L，两者的比值存在一个最佳值，使得此时的外环应力相比于背景技术中的圆形外环或者多边形外环的外环应力更适合设计要求，一般X/L在0.3-0.7之间最佳。

另外，本申请的支板3倾斜支撑在所述内环2及所述过渡板12上，如图6所示，支板3在与外环1结合处具有径向线A，本申请的倾斜支撑是指支板中心线B与径向线A存在一个倾斜角a，发动机工作时，由于支板直接或间接受高温燃气冲刷，其温度必然高于承力框架的内环及外环，支板的热变形量也要大于内环与外环的热变形量，这种热变形不协调必然产生强大的热应力且随着发动机工作状态的变化而变化，容易引起内、外环的热疲劳而产生裂纹。本申请通过设置倾斜支撑的支板3，当支板的热变形较大时可促使承力框架内环与外环产生一定的相对转动，如图6所示，这种相对转动可有效地协调内环、外环以及支板之间的热变形，例如协调图6中的支板上的膨胀S引起的热变形，降低内环、外环所受的热应力。

支板的倾斜角度变化对支板结构调节能力有重要影响，如图7所示。支板中心线与内环相切时倾斜角最大，当角度为0时即为直支板。倾斜角的选择应综合考虑支板数量、承力框架尺寸、外环侧连接结构、工作环境及承力框架应力分布情况，在一些可选实施方式中，支板倾斜角度在10-30°之间为最佳。在一个更优的实施方式中，所述支板3的倾斜角度为20°，此时的变形协调能力与支撑刚度能够获得综合考虑，效果达到最优。

在一些可选实施方式中，所述外环1的多边形边数、支撑板11的数量以及支板3的数量相同，均为6-10个，支撑板11沿所述内环2周向均匀分布。在一个更优的实施方式中，所述外环1的多边形边数、支撑板11的数量以及支板3的数量均为8个。实际设计过程中支板数量与承力框架结构的弹簧系数密切相关，数量越多框架的刚度越好，但会降低热膨胀的允许值；如果需要通过承力框架来使流道中的气体改变流动方向，那么支板数目还要满足空气动力学的要求。分析表明，支板数量在6-10个之间为最佳，如图8、图9分别给出了6个及8个支板的示意图，备选实施方式中，也可以采用更少数量的支板，例如5个，或者采用更多数量的支板，例如图10给出的12个支板的承力框架结构。

在一些可选实施方式中，所述外环1沿轴向方向的一侧一体加工有圆形环边13，通过圆形环边13进一步强化承力框架的结构强度，同时便于与其他配套设备进行连接。

在一个更优的实施方式中，所述支板3设计为空心结构，在满足结构强度要求的同时，可减轻零件重量。

本申请能够解决承力框架热变形协调性差及其带来的应力水平高的问题，提高了承力框架的使用寿命，对提高后机匣工作稳定性、保证整个机械系统的转静子同心度、控制振动水平均具有重要意义。本申请提供了多边形外环边长、斜支板倾斜角度及数量的选择依据和原则，可为同类型承力结构的设计提供参考和依据。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种具有变形协调功能的斜支板承力框架，包括外环（1）、内环（2）以及位于外环（1）及内环（2）之间的多个支板（3），其特征在于：

所述外环（1）为多边形外环，其具有沿周向的多个支撑板（11），以及位于相邻支撑板（11）之间的过渡板（12），所述内环（2）为圆形内环，所述支板（3）倾斜支撑在所述内环（2）及所述过渡板（12）上；

其中，相邻两个支板（3）之间的支撑板（11）的长度X与该相邻两个支板（3）所在的扇形圆弧所对应的弦长L之间的比值为0.3-0.7。

2.如权利要求1所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述支板（3）的倾斜角度在10°-30°之间。

3.如权利要求2所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述支板（3）的倾斜角度为20°。

4.如权利要求1所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述外环（1）的多边形边数、支撑板（11）的数量以及支板（3）的数量相同，均为6-10个，支撑板（11）沿所述内环（2）周向均匀分布。

5.如权利要求4所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述外环（1）的多边形边数、支撑板（11）的数量以及支板（3）的数量均为8个。

6.如权利要求1所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述外环（1）沿轴向方向的一侧一体加工有圆形环边（13）。

7.如权利要求1所述的具有变形协调功能的斜支板承力框架，其特征在于，所述支板（3）为中空结构。

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