CN118030193A - 一种双合金涡轮整体叶盘及提高连接界面承载能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明航空发动机设备领域,特别涉及一种双合金涡轮整体叶盘及提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法;其中,双合金涡轮整体叶盘包括轮盘和多个叶片;轮盘的圆周侧壁上设置有连接界面,连接界面的截面形状为至少一个连续的规则曲线段;叶片的连接端的截面形状与连接界面的截面形状相匹配,叶片的连接端固定设置在连接界面上,多个叶片等间距的环绕轮盘的周向设置。该双合金涡轮整体叶盘通过在轮盘上设置截面形状为至少一个连续的规则曲线段的连接界面,以降低连接界面受到的拉伸应力,提高连接界面的承载能力,从而提高该双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使其能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机设备领域,特别涉及一种双合金涡轮整体叶盘及提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法。
背景技术
双合金涡轮整体叶盘是涡轮转子组件的一种结构形式,其耐高温铸造叶片和高强度锻造轮盘采用线性摩擦焊或热等静压扩散等工艺连接为一体,是先进的航空发动机整体涡轮技术的重要发展方向之一。
现有的等轴晶合金叶片环加上粉末高温合金轮盘的整体叶盘结构其耐温能力有限,难以满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
同时,由于叶盘转子工作时在高温燃气的环境中以每分钟上万转的转速高速旋转,要求其连接界面既能够承受数长时的高温热载荷和高达数吨的离心载荷作用,也要满足启停过程中热疲劳和机械疲劳性能需求。
目前,双合金涡轮整体叶盘中的叶片是通过垂直对接形式连接在轮盘上的,连接界面承载能力仅取决于连接界面材料的抗拉性能,对于抗拉性能较差的情况,将导致连接界面的承载能力不足,因而无法满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。因此,发明一种具有高承载能力的双合金涡轮整体叶盘以及提高连接界面承载能力的方法,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法,以解决现有技术的双合金涡轮整体叶盘中的连接界面的抗拉性能较差,导致其承载能力不足而无法满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求的技术问题。
一种提高双合金涡轮整体叶盘的连接界面承载能力的方法,所述方法包括以下步骤:
在轮盘的圆周侧壁上开设连接界面,所述连接界面的截面形状为至少一个连续的规则曲线段,所述规则曲线段沿所述轮盘的轴线方向延伸;
将叶片的连接端的截面形状加工成与所述连接界面的截面形状相匹配的形状;
将所述叶片的连接端与所述连接界面连接固定,多个所述叶片等间距的环绕所述轮盘的周向设置。
为了更好的实现本发明,在上述方法中作进一步的优化,所述叶片通过线性摩擦焊或热等静压扩散工艺固定连接在所述轮盘上。
此外,本发明还提供一种双合金涡轮整体叶盘,其包括轮盘和多个叶片;其中,
所述轮盘的圆周侧壁上设置有连接界面,所述连接界面的截面形状为至少一个连续的规则曲线段;
所述叶片的连接端的截面形状与所述连接界面的截面形状相匹配,所述叶片的连接端固定设置在所述连接界面上,多个所述叶片等间距的环绕所述轮盘的周向设置。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,所述规则曲线段包括一个弧线段A和两个直线段;
所述直线段与所述轮盘的轴线之间存有夹角α,两个所述直线段分别位于所述弧线段A的两端的位置处,且两个所述直线段远离所述轮盘端面的一端分别与所述弧线段A的两端衔接形成“V”字形结构。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,所述弧线段A的开口背向所述轮盘的轴心设置。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,两个所述直线段关于所述叶片的积叠轴对称。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,所述夹角α大于0°且小于90°。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,所述弧线段A的直径为1毫米-15毫米。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,相邻的两个所述规则曲线段通过弧线段B衔接,所述弧线段B的开口朝向所述轮盘的轴心设置。
为了更好的实现本发明,在上述结构中作进一步的优化,所述轮盘的圆周侧壁上设置有多个安装凸起,多个所述安装凸起等间距的环绕所述轮盘的周向设置,所述连接界面设置在所述安装凸起远离所述轮盘的一面。
综上所述,本发明至少具有以下技术效果:
本发明提供的提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法是在叶盘的圆周侧壁开设截面形状为规则曲线段的连接界面,该结构的连接界面能够降低其受到的拉伸应力,并提高其承载能力,从而提高设置有该结构的连接界面的双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使该方法制成的双合金涡轮整体叶盘能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
本发明提供的双合金涡轮整体叶盘通过在轮盘上设置截面形状为至少一个连续的规则曲线段的连接界面,其能够有效的降低连接界面受到的拉伸应力,以提高连接界面的承载能力,从而提高该双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使该双合金涡轮整体叶盘能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
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,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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。
图1是本发明一种双合金涡轮整体叶盘的结构示意图;
图2是本发明一种双合金涡轮整体叶盘中轮盘的结构示意图;
图3是本发明一种双合金涡轮整体叶盘的连接界面的受力分析图;
图4是本发明一种双合金涡轮整体叶盘中轮盘上设置一个规则曲线段的截面图;
图5是本发明一种双合金涡轮整体叶盘中轮盘上设置多个规则曲线段的截面图;
图6是本发明一种提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法的流程图。
附图标记:
1、轮盘;11、连接界面;111、弧线段A;112、直线段;113、弧线段B;
2、叶片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。
实施例一:
一种双合金涡轮整体叶盘,其包括轮盘1和多个叶片2,可参见图1和图2;其中,
轮盘1的圆周侧壁上设置有连接界面11,连接界面11的截面形状为至少一个连续的规则曲线段;
叶片2的连接端的截面形状与连接界面11的截面形状相匹配,叶片2的连接端固定设置在连接界面11上,截面形状相匹配的叶片2的连接端与连接界面11能够更好的适配契合,以使叶片2与轮盘1的连接更加的紧密,多个叶片2等间距的环绕轮盘1的周向设置。
该双合金涡轮整体叶盘通过在轮盘1的周向侧壁上设置截面形状为至少一个连续的规则曲线段的连接界面11,其能够有效的降低连接界面11受到的拉伸应力,以提高连接界面11的承载能力,从而提高该双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使该双合金涡轮整体叶盘能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
优化的,上述的规则曲线段包括一个弧线段A111和两个直线段112,可参见图4;其中,
直线段112与轮盘1的轴线之间存有夹角α,两个直线段112分别位于弧线段A111的两端的位置处,且两个直线段112远离轮盘1端面的一端分别与弧线段A111的两端平滑的衔接形成“V”字形结构,也即直线段112与弧线段A111的两端相切,该结构能够降低连接界面11受到的拉伸应力,同时将连接界面11的离心力分散到两个直线段112的端面上,使得沿轴线方向的应力分布较为均匀,从而有效的提高其承载能力。
本实施例以规则曲线段仅有一个为例进行详细的说明,可参见图2、图3和图4:
上述的规则曲线段中的两个直线段112远离弧线段A111的一端分别延伸至轮盘1的两个端面上;
上述的弧线段A111的开口背向轮盘1的轴心设置,弧线段A111与两个直线段112共同形成了开口背向轮盘1轴心的“V”字形结构,也即,连接界面11向轮盘1的轴心方向凹陷。
优选的,上述的两个直线段112关于叶片2的积叠轴对称,使得两个直线段112上的拉伸应力和剪切应力相等;
以下对该双合金涡轮整体叶盘中的连接界面11进行受力分析,可参见3,受力分析的结果如下:
其中一个直线段112(图3中靠近轮盘1的左侧的直线段112)上产生的拉伸应力为σ1;其中,
该直线段112上产生的剪切应力为τ1;其中,
另一个直线段112(图3中靠近轮盘1的右侧的直线段112)上产生的拉伸应力为σ2,由于连接界面11中的两个直线段112关于叶片2的积叠轴对称,因此,
σ2=σ1
另一个直线段112上产生的剪切应力τ2:
τ2=τ1
其中,F为叶片2产生的离心力,其背离轮盘1的轴心,沿轮盘1的径向方向向外延伸,α为连接界面11与轮盘1的轴线的夹角,A为α等于0°时连接界面11的面积;
根据上述公式分析可知:
在相同应力条件下,α>0°,连接界面11方向上产生的拉伸应力σ1和σ2为离心力F的分力,应力水平相较于叶片2垂直对接连接形式(α=0°)所受应力有所降低,以提高连接界面11的承载能力,从而提高该双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性。
根据连接界面11抗拉、抗剪性能的差异,并考虑工程实际的双合金涡轮叶盘的结构尺寸限制,确定直线段112与轮盘1的轴线的夹角α的大小;夹角α的角度值大于0°且小于90°。
优化的,上述的弧线段A111的半径需要根据夹角α的大小进行调整,其半径的调整范围为1毫米-15毫米,根据仿真分析得到的应力分布选择合适的圆弧半径(弧线段A111的半径),从而使轮盘1的结构更加的稳固。
需要说明的是,上述的弧线段A111的设置可以避免出现应力集中的情况,以进一步提高该双合金涡轮整体叶盘的结构的稳定性。
优化的,上述的叶片2通过线性摩擦焊或热等静压扩散工艺固定连接在轮盘1上,以使叶片2与轮盘1的连接更加的紧密,以进一步提高改双合金涡轮整体叶盘的结构的稳定性。
实施例二:
一种双合金涡轮整体叶盘,其包括轮盘1和多个叶片2,可参见图1和图5;其中,
轮盘1的圆周侧壁上设置有连接界面11,连接界面11的截面形状为至少一个连续的规则曲线段;
叶片2的连接端的截面形状与连接界面11的截面形状相匹配,叶片2的连接端固定设置在连接界面11上,截面形状相匹配的叶片2的连接端与连接界面11能够更好的适配契合,以使叶片2与轮盘1的连接更加的紧密,多个叶片2等间距的环绕轮盘1的周向设置。
该双合金涡轮整体叶盘通过在轮盘1的周向侧壁上设置截面形状为至少一个连续的规则曲线段的连接界面11,其能够有效的降低连接界面11受到的拉伸应力,以提高连接界面11的承载能力,从而提高该双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使该双合金涡轮整体叶盘能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
优化的,上述的规则曲线段包括一个弧线段A111和两个直线段112,可参见图5;其中,
直线段112与轮盘1的轴线之间存有夹角α,两个直线段112分别位于弧线段A111的两端的位置处,且两个直线段112远离轮盘1端面的一端分别与弧线段A111的两端平滑的衔接形成“V”字形结构,该结构能够将连接界面11的离心力分散到两个直线段112的端面上,以降低连接界面11受到的拉伸应力,从而有效的提高其承载能力。
本实施例以规则曲线段有两个为例进行详细的说明,可参见图5:
由图5中展示的内容可知,上述的规则曲线段有两个,两个规则曲线段相邻的两个规则曲线段通过弧线段B113衔接,形成连续且完整的连接界面11,可参见图5,多个规则曲线段通过弧线段B113衔接能够保证该双合金涡轮整体叶盘的结构的稳定性;其中,
上述的弧线段B113的作用与实施例一中记载的弧线段A111的作用完全相同,均是用于避免应力集中的情况发生,以进一步提高双合金涡轮整体叶盘的结构的稳定性。
优化的,上述的弧线段B113的开口朝向所述轮盘1的轴心设置。
此外,本实施例中的其他结构与实施例一中记载的双合金涡轮整体叶盘的其他结构完全相同,具体的可以参考实施例一中记载的内容,此处便不再重复说明。
实施例三:
一种提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法,参见图6,该方法包括以下步骤:
在轮盘1的圆周侧壁上开设连接界面11,连接界面11的截面形状为至少一个连续的规则曲线段,规则曲线段沿轮盘1的轴线方向延伸,参见图2、图3、图4和图5;
将叶片2的连接端的截面形状加工成与连接界面11的截面形状相匹配的形状;截面形状相匹配的叶片2的连接端与连接界面11能够更好的适配契合,以使叶片2与轮盘1的连接更加的紧密;
将叶片2的连接端与连接界面11连接固定,多个叶片2等间距的环绕轮盘1的周向设置,参见图1。
通过该方法制成的双合金涡轮整体叶盘的连接界面11受到的拉伸应力降低,提高连接界面11的承载能力,从而提高双合金涡轮整体叶盘的寿命和运行的安全可靠性,以使其能够满足高功重比、高循环参数的航空发动机的使用需求。
上述的规则曲线段包括一个弧线段A111和两个直线段112,可参见图4;其中,
直线段112与轮盘1的轴线之间存有夹角α,两个直线段112分别位于弧线段A111的两端的位置处,且两个直线段112远离轮盘1端面的一端分别与弧线段A111的两端平滑的衔接形成“V”字形结构,该结构能够将连接界面11的离心力分散到两个直线段112的端面上,以降低连接界面11受到的拉伸应力,从而有效的提高其承载能力。
需要说明的是,上述的规则曲线段的数量没有特别的限定,但随着规则曲线段的数量的增加,弧线段A111和直线段112连接的形成的截面形状逐渐平缓,若规则曲线段的数量趋近于无限时,弧线段A111和直线段112连接的形成的截面形状则无限趋近于直线,其承载能力则不如实施例一和实施例二中记载的双合金涡轮整体叶盘中轮盘1的连接界面11的承载能力。
由此可知,规则曲线段的数量并非越多越好。
优化的,上述的叶片2通过线性摩擦焊或热等静压扩散工艺固定连接在轮盘1上,以使叶片2与轮盘1的连接更加的紧密。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
在轮盘(1)的圆周侧壁上开设连接界面(11),所述连接界面(11)的截面形状为至少一个连续的规则曲线段,所述规则曲线段沿所述轮盘(1)的轴线方向延伸;
将叶片(2)的连接端的截面形状加工成与所述连接界面(11)的截面形状相匹配的形状;
将所述叶片(2)的连接端与所述连接界面(11)连接固定,多个所述叶片(2)等间距的环绕所述轮盘(1)的周向设置。
2.根据权利要求1所述的提高双合金涡轮整体叶盘连接界面承载能力的方法,其特征在于,所述叶片(2)通过线性摩擦焊或热等静压扩散工艺固定连接在所述轮盘(1)上。
3.一种双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,包括轮盘(1)和多个叶片(2);
所述轮盘(1)的圆周侧壁上设置有连接界面(11),所述连接界面(11)的截面形状为至少一个连续的规则曲线段;
所述叶片(2)的连接端的截面形状与所述连接界面(11)的截面形状相匹配,所述叶片(2)的连接端固定设置在所述连接界面(11)上,多个所述叶片(2)等间距的环绕所述轮盘(1)的周向设置。
4.根据权利要求3所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,所述规则曲线段包括一个弧线段A(111)和两个直线段(112);
所述直线段(112)与所述轮盘(1)的轴线之间存有夹角α,两个所述直线段(112)分别位于所述弧线段A(111)的两端的位置处,且两个所述直线段(112)远离所述轮盘(1)端面的一端分别与所述弧线段A(111)的两端衔接形成“V”字形结构。
5.根据权利要求4所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,所述弧线段A(111)的开口背向所述轮盘(1)的轴心设置。
6.根据权利要求4所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,两个所述直线段(112)关于所述叶片(2)的积叠轴对称。
7.根据权利要求4所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,所述夹角α大于0°且小于90°。
8.根据权利要求7所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,所述弧线段A(111)的直径为1毫米-15毫米。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,相邻的两个所述规则曲线段通过弧线段B(113)衔接,所述弧线段B(113)的开口朝向所述轮盘(1)的轴心设置。
10.根据权利要求3所述的双合金涡轮整体叶盘,其特征在于,所述轮盘(1)的圆周侧壁上设置有多个安装凸起,多个所述安装凸起等间距的环绕所述轮盘(1)的周向设置,所述连接界面(11)设置在所述安装凸起远离所述轮盘(1)的一面。
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