CN117889137A - 一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构及其设计方法，通过将盘间螺栓连接结构的螺杆和螺母局部加长，从而减小盘间螺栓的拉伸和弯曲刚度，达到减小盘间螺栓载荷波动幅，从而减小盘间螺栓应力波动幅的目的，可有效提高提升盘间螺栓抗弯能力和抗疲劳能力；规避了现有压气机轮盘间采用短螺栓形成连接结构时存在高频次的疲劳载荷叠加局部大应力而导致螺栓连接结构疲劳寿命降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构及其设计方法。
背景技术
航空发动机轮盘间一般采用螺栓连接结构，通过安装边将轮盘连在一起形成转子。航空发动机轮盘间螺栓承受复杂的载荷，主要包括预紧力载荷，温度载荷，轴向力载荷，机动飞行引起的惯性载荷和陀螺力矩载荷，冲击、叶片飞出产生的转子不平衡力以及发动机喘振等产生的非正常载荷等。
在复杂载荷作用下，轮盘间螺栓可能承受附加弯曲应力，如当转子发生较大的弯曲或非正常载荷，容易导致安装边外径处发生局部分离。现有轮盘间螺栓连接结构通常在螺母和螺杆位置存在局部大应力，高频次的疲劳载荷叠加局部大应力，将导致螺栓连接结构疲劳寿命降低，甚至连接失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构及其设计方法，能够减小盘间螺栓的拉伸和弯曲刚度，达到减小盘间螺栓载荷波动幅，从而减小盘间螺栓应力波动幅的目的，可有效提高提升盘间螺栓抗弯能力和抗疲劳能力。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法，所述盘间螺栓与螺母采用螺纹牙配合，用于同轴固定连接航空发动机的轮盘与安装边，所述盘间螺栓的头部与轮盘接触，所述螺母与安装边接触；所述螺栓设计方法包括：
根据轮盘与安装边的连接结构尺寸，确定盘间螺栓的初始有效长度，所述初始有效长度为盘间螺栓头部支承面到螺母支承面的螺栓段自由长度；
在初始有效长度的基础上，在盘间螺栓的光杆段上设置加长段，所述加长段从安装边端面向盘间螺栓尾部延伸，使螺母与盘间螺栓配合的螺纹牙到安装边端面位置后移，后移距离为加长段的长度；
将螺母与安装边配合的端面延长至安装边端面或安装边与螺母之间的垫片接触处的位置。
进一步地，当盘间螺栓仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓加长段的长度由分析获得，其中/>为盘间螺栓设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓剖面面积，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓加长段的长度由/>分析获得，其中/>为盘间螺栓设计工作弯矩，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓截面惯性矩，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
进一步地，所述加长段的长度取值范围为r～2r，其中r为盘间螺栓的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段的长度取2r。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构，所述盘间螺栓与螺母采用螺纹牙配合，用于同轴固定连接轮盘与安装边，所述盘间螺栓的光杆上设置加长段，所述加长段从安装边端面向盘间螺栓尾部延伸，适螺母与盘间螺栓配合的螺纹牙到安装边端面位置后移，后移距离为加长段的长度；
所述螺母与安装边配合的端面延长至安装边端面或安装边与螺母之间的垫片接触位置。
进一步地，当盘间螺栓仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓加长段的长度，其中/>为盘间螺栓设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓剖面面积，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓加长段的长度，其中/>为盘间螺栓设计工作弯矩，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓截面惯性矩，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
进一步地，所述加长段的长度取值范围为r～2r，其中r为盘间螺栓的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段的长度取2r。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过将盘间螺栓连接结构的螺杆和螺母局部加长，从而减小盘间螺栓的拉伸和弯曲刚度，达到减小盘间螺栓载荷波动幅，从而减小盘间螺栓应力波动幅的目的，可有效提高提升盘间螺栓抗弯能力和抗疲劳能力。
附图说明
图1为可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法流程图；
图2为现有技术中采用短螺栓的轮盘与安装边连接结构示意图；
图3为实施例中含有加长段的盘间螺栓及螺母结构示意图；
其中，1、盘间螺栓；2、螺母；3、螺纹牙；4、轮盘；5、安装边；6、加长段；7、短螺栓。
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1-图3，一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法，所述盘间螺栓1与螺母2采用螺纹牙3配合，用于同轴固定连接航空发动机的轮盘4与安装边5，所述盘间螺栓1的头部与轮盘4接触，所述螺母2与安装边5接触；所述螺栓设计方法包括：
根据轮盘4与安装边5的连接结构尺寸，确定盘间螺栓1的初始有效长度，所述初始有效长度为盘间螺栓1头部支承面到螺母2支承面的螺栓段自由长度；
在初始有效长度的基础上，在盘间螺栓1的光杆段上设置加长段6，所述加长段6从安装边5端面向盘间螺栓1尾部延伸，使螺母2与盘间螺栓1配合的螺纹牙3到安装边5端面位置后移，后移距离为加长段6的长度；
将螺母2与安装边5配合的端面延长至安装边5端面或安装边5与螺母2之间的垫片接触处的位置。
在本实施例中，通过将盘间螺栓1连接结构的螺杆和螺母2局部加长，从而减小盘间螺栓1的拉伸和弯曲刚度，达到减小盘间螺栓1载荷波动幅，从而减小盘间螺栓1应力波动幅的目的，可有效提高提升盘间螺栓1抗弯能力和抗疲劳能力；规避了现有压气机轮盘4间采用短螺栓7形成连接结构（如图2所示的采用短螺栓7形成的压气机轮盘4间连接结构）时存在高频次的疲劳载荷叠加局部大应力而导致螺栓连接结构疲劳寿命降低的问题。
本实施例中，当盘间螺栓1仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓1加长段6的长度由分析获得，其中/>为盘间螺栓1设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓1剖面面积，/>为盘间螺栓1材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓1疲劳储备系数，/>为盘间螺栓1材料的弹性模量，/>为盘间螺栓1的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓1仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓1加长段6的长度由分析获得，其中/>为盘间螺栓1设计工作弯矩，/>为盘间螺栓1材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓1疲劳储备系数，/>为盘间螺栓1材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓1截面惯性矩，/>为盘间螺栓1的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
此外，本实施例中所述加长段6的长度取值范围为r～2r，其中r为盘间螺栓1的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段6的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段6的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段6的长度取2r。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构，所述盘间螺栓1与螺母2采用螺纹牙3配合，用于同轴固定连接轮盘4与安装边5，所述盘间螺栓1的光杆上设置加长段6，所述加长段6从安装边5端面向盘间螺栓1尾部延伸，适螺母2与盘间螺栓1配合的螺纹牙3到安装边5端面位置后移，后移距离为加长段6的长度；
所述螺母2与安装边5配合的端面延长至安装边5端面或安装边5与螺母2之间的垫片接触位置。
实施例2
参见图1-图3，本实施例以某型压气机轮盘4间的盘间螺栓1设计为例，对本发明螺栓设计方法进行详细说明，所述盘间螺栓1与螺母2采用螺纹牙3配合，用于同轴固定连接航空发动机的轮盘4与安装边5，所述盘间螺栓1的头部与轮盘4接触，所述螺母2与安装边5接触。具体设计流程如下：
步骤1、根据轮盘4与安装边5的连接结构尺寸，确定盘间螺栓1的初始有效长度，所述初始有效长度为盘间螺栓1头部支承面到螺母2支承面的螺栓段自由长度；
本实施例中，对于压气机盘间螺栓1连接结构类型为反T型或组合型时，需要考虑采用螺杆和螺母2局部加长来降低螺栓刚性，首先根据轮盘4与安装边5的连接结构尺寸，确定盘间螺栓1的初始有效长度。
步骤2、在初始有效长度的基础上，在盘间螺栓1的光杆段上设置加长段6，所述加长段6从安装边5端面向盘间螺栓1尾部延伸，使螺母2与盘间螺栓1配合的螺纹牙3到安装边5端面位置后移，后移距离为加长段6的长度；
本实施例中，当盘间螺栓1仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓1加长段6的长度由分析获得，其中/>为盘间螺栓1设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓1剖面面积，/>为盘间螺栓1材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓1疲劳储备系数，/>为盘间螺栓1材料的弹性模量，/>为盘间螺栓1的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓1仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓1加长段6的长度由分析获得，其中/>为盘间螺栓1设计工作弯矩，/>为盘间螺栓1材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓1疲劳储备系数，/>为盘间螺栓1材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓1截面惯性矩，/>为盘间螺栓1的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
在计算得到对应的加长段6长度后，根据加长段6的长度取值范围为r～2r对加长段6进行具体数值取值，其中r为盘间螺栓1的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段6的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段6的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段6的长度取2r
步骤3、将螺母2与安装边5配合的端面延长至安装边5端面或安装边5与螺母2之间的垫片接触处的位置。
本实施例采用有限元方法，计算对比了原始短螺栓7和加长螺栓（也即是加长盘间螺栓1）安装边5承受弯曲载荷时，盘间螺栓1承受两种载荷的情况。其中：
情况1、初始预紧0.1%位移+安装边5弯矩30000N.mm；
情况2、初始预紧0+安装边5弯曲角位移0.007rad。
计算结果数据如表1所示：
表1盘间螺栓分别承受两种载荷情况时的性能数据表
由表1中的数据可知，加长螺栓相比原始螺栓承受的弯矩下降约15%～16%，当保证加长螺栓应力集中系数与原始螺栓相当时，螺栓的应力也将下降约15%～16%，等同于压气机盘间螺栓1承受外部弯曲载荷的能力提升15%～16%，从而有效提高压气机盘间螺栓1抗疲劳能力。
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 (6)
1.一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法，所述盘间螺栓与螺母采用螺纹牙配合，用于同轴固定连接航空发动机的轮盘与安装边，所述盘间螺栓的头部与轮盘接触，所述螺母与安装边接触；其特征在于，所述螺栓设计方法包括：
根据轮盘与安装边的连接结构尺寸，确定盘间螺栓的初始有效长度，所述初始有效长度为盘间螺栓头部支承面到螺母支承面的螺栓段自由长度；
在初始有效长度的基础上，在盘间螺栓的光杆段上设置加长段，所述加长段从安装边端面向盘间螺栓尾部延伸，使螺母与盘间螺栓配合的螺纹牙到安装边端面位置后移，后移距离为加长段的长度；
将螺母与安装边配合的端面延长至安装边端面或安装边与螺母之间的垫片接触处的位置。
2.根据权利要求1所述的可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法，其特征在于：当盘间螺栓仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓加长段的长度由/>分析获得，其中/>为盘间螺栓设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓剖面面积，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓加长段的长度由/>分析获得，其中/>为盘间螺栓设计工作弯矩，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓截面惯性矩，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
3.根据权利要求1所述的可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓设计方法，其特征在于：所述加长段的长度取值范围为r～2r，其中r为盘间螺栓的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段的长度取2r。
4.一种可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构，所述盘间螺栓与螺母采用螺纹牙配合，用于同轴固定连接轮盘与安装边，其特征在于：所述盘间螺栓的光杆上设置加长段，所述加长段从安装边端面向盘间螺栓尾部延伸，适螺母与盘间螺栓配合的螺纹牙到安装边端面位置后移，后移距离为加长段的长度；
所述螺母与安装边配合的端面延长至安装边端面或安装边与螺母之间的垫片接触位置。
5.根据权利要求4所述的可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构，其特征在于：当盘间螺栓仅承受拉伸载荷时，盘间螺栓加长段的长度，其中/>为盘间螺栓设计工作拉力，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓剖面面积，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总压缩刚度；
当盘间螺栓仅承受弯曲载荷时，盘间螺栓加长段的长度，其中/>为盘间螺栓设计工作弯矩，/>为盘间螺栓材料非对称循环疲劳极限峰值，/>为盘间螺栓疲劳储备系数，/>为盘间螺栓材料的弹性模量，/>为按螺纹外径所确定的盘间螺栓截面惯性矩，/>为盘间螺栓的初始有效长度，/>为被连接件的总弯曲刚度。
6.根据权利要求5所述的可提高盘间螺栓抗疲劳能力的螺栓结构，其特征在于：所述加长段的长度取值范围为r～2r，其中r为盘间螺栓的半径；当/>的计算值小于等于r时，加长段的长度取r；当/>计算值大于等于r时且小于等于2r时，加长段的长度取计算值；当/>计算值大于2r时，加长段的长度取2r。
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