CN210948807U - 透平机械转子及其榫头元件 - Google Patents

Abstract

提供一种榫头元件及其透平机械转子及其榫头元件，该榫头元件具有非对称燕尾榫头，可使得叶片工作过程中改善承压面上的受力情况。第一参考面是该非对称燕尾榫头的纵向的中间面，第二参考面是非对称燕尾榫头的横向的中间面且与第一参考面彼此垂直，第一参考线是位于第一参考面内与第一接触面、第二接触面相交的水平线，第二参考线是第一参考面与第二参考面相交确定的竖直线，导引线是通过第一参考线和第二参考线交点的线，第一接触面和第二接触面沿导引线确定的方向延伸，第一、第二接触面相对于第一、第二参考面构造成不对称，第一、第二接触面两端的棱边分别为由高到低逐渐内收的第一、第二转接圆弧形。

Description

透平机械转子及其榫头元件

技术领域

本实用新型涉及透平机械转子及其榫头元件，尤其涉及涡扇发动机的叶片的非对称燕尾榫头。

背景技术

叶片是涡扇发动机的一类必不可少的构件。航空发动机上的风扇、增压级、压气机转子叶片通常由气动确定外形的叶身、形成流道的缘板及缘板下方的榫头组成。转子叶片通过榫头与轮盘或鼓筒上的榫槽相配连接，工作时叶片的载荷通过榫头传递至轮盘或鼓筒。

榫头作为连接转子叶片与轮盘或鼓筒的结构，在航空发动机正常工作过程中发挥关键作用。转子叶片最常用的即燕尾形榫头，有沿某一方向设计成直的(直榫或斜榫)、或沿某一坐标轴回转形成圆弧状的(周向圆弧形榫、径向圆弧形榫)等结构形式。

直榫导引线为直线，并与榫头横截面垂直。斜榫导引线亦为直线，但与榫头横截面成一定夹角(不垂直)。周向圆弧形榫导引线为圆弧，圆弧形导引线的旋转轴为发动机旋转轴。径向圆弧形榫导引线也是圆弧或近似圆弧，其导引线与发动机旋转轴垂直，近似沿着叶片叶身的生长方向。

传统三种燕尾榫头两侧面相对榫头中心线所在的面均为对称结构，由于榫头的两侧面也就是榫头与榫槽接触的承压面对称，在安装转子叶片时容易出现错装。此外，转子叶片在复杂工况下，对称的承压面上容易出现局部应力过大的情况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种榫头元件，其具有非对称燕尾榫头，其可使得叶片工作过程中改善承压面上的受力情况。

本实用新型的另目的在于提供一种透平机械转子，其具有所述榫头元件。

第一方案是提供一种透平机械转子的榫头元件包括非对称燕尾榫头，在该非对称燕尾榫头的横向两侧分别具有用于与榫槽相配合的第一接触面、第二接触面，第一参考面是该非对称燕尾榫头的纵向的中间面，第二参考面是非对称燕尾榫头的横向的中间面且与第一参考面彼此垂直，第一参考线是位于第一参考面内与所述第一接触面、所述第二接触面相交的水平线，第二参考线是第一参考面与第二参考面相交确定的竖直线，导引线是通过第一参考线和第二参考线交点的线，第一接触面和第二接触面沿所述导引线确定的方向延伸，其特征在于，第一接触面和第二接触面相对于第一参考面或/和第二参考面构造成不对称，第一接触面两端的棱边分别为由高到低逐渐内收的第一转接圆弧形，第二接触面两端的棱边为由高到低逐渐内收的第二转接圆弧形。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述第一接触面和所述第二接触面的面积构造成不相等。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述第一接触面和所述第二接触面与所述第一参考面及与其平行的面相交的线长度相等。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述导引线沿所述第一参考线在所述第一接触面上的投影与在所述第二接触面上的投影长度不相同。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述导引线沿平行于所述第一参考线方向的投影至所述第一接触面或所述第二接触面上的投影线长度，对于直榫或斜榫而言小于相配轮盘或鼓筒上榫槽的长度，对于周向圆弧形榫而言小于360°除以叶片的数量所对应的弧长。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述第一、第二转接圆弧的半径介于0.44倍的((T_2-T_1))/2和0.98倍的((T_2-T_1))/2之间，其中T1、T2 分别为沿第一参考面的剖面内所述第一接触面和所述第二接触面之间的最小纵向宽度、最大纵向宽度。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧以及所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径相等；或者

所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧的半径相等，所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径相等，但任一所述第一转接圆弧与任一所述第二转接圆弧的半径不相等；或者所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧的半径不相等，所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径不相等，且任一所述第一转接圆弧与任一所述第二转接圆弧的半径不相等。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，在水平面内的正投影中，在该非对称燕尾榫头的纵向的任一侧，第一接触面到第二接触面的过渡方式为直线过渡、圆弧过渡或者三阶样条曲线过渡。

在所述榫头元件的一个或多个实施方式中，在所述第一接触面或所述第二接触面内喷涂有铜-镍-铟合金粉末或二硫化钼干膜润滑剂。

第二技术方案是提供一种透平机械转子，包括轮盘或鼓筒和多个转子叶片，所述轮盘或鼓筒上沿周向提供有榫槽，所述转子叶片通过榫头安装在所述榫槽中，其中，所述叶片为任一所述的榫头元件。

第三技术方案是提供一种透平机械转子，包括轮盘或鼓筒和多个转子叶片，所述轮盘或鼓筒上沿周向提供有环形榫槽，所述转子叶片通过榫头安装在所述环形榫槽中，其特征在于，多个所述转子叶片通过锁紧块锁定在所述环形榫槽中，所述锁紧块为任一所述的榫头元件。

根据前述技术方案，将传统的燕尾榫头两侧面由对称结构改为非对称结构，并且燕尾榫头两端面上的四条棱边设置成转接圆弧，一方面防止转子叶片安装反向，保证一次装配的正确性，并提升装配效率，另一方面可改善转子叶片的榫头与榫槽接触的承压面的应力分布，有助于提升叶片使用寿命。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是榫头与榫槽连接的示意图。

图2是非对称燕尾形榫头的立体图。

图3是非对称燕尾形榫头的横截面示意图。

图4是沿图2中D1向的视图。

图5是沿图2中D2向的视图。

图6是沿图2中F向的视图。

图7是非对称燕尾形榫槽示意图。

图8是非对称燕尾形锁紧块示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

在图1、图3中，叶片的叶身仅以简化的方式显示了一部分，在图2、图4到图6中叶身、缘板等省略。

如图1至图3所示，转子叶片包括非对称燕尾榫头，在该非对称燕尾榫头的横向两侧分别具有用于与榫槽相配合的第一接触面1、第二接触面2。为便于描述，引入如下概念：

第一参考面B是该非对称燕尾榫头的纵向的中间面，第二参考面A是非对称燕尾榫头的横向的中间面且与第一参考面B彼此垂直，此处的纵向在一些场合也成为周向，横向相应地被成为轴向；

第一参考线B1是位于第一参考面B内与第一接触面1、第二接触面2相交的水平线，第二参考线B2是第一参考面B与第二参考面A相交确定的竖直线，导引线3是通过第一参考线B1和第二参考线B2交点的线，第一接触面1 和第二接触面2沿导引线3延伸，导引线3可以是直线或者弧线。第一接触面 1和第二接触面2相对于第一参考面B或/和第二参考面A构造成不对称。如图2、图4和图5所示，第一接触面1两端的棱边R_1a、R_1b分别为由高到低逐渐内收的第一转接圆弧形，第二接触面2两端的棱边R_2a、R_2b为由高到低逐渐内收的第二转接圆弧形。

如图1所示，第一接触面1、第二接触面2是榫头与榫槽相配合的接触面，相应地，在榫槽上有接触面1’和接触面2’。

通过将榫头两侧面构造成非对称结构，可以防止转子叶片反向安装，保证一次装配的正确性，并提升装配效率。另外，非对称结构也有助于改善应力分布，适用于各种复杂工况，例如在榫头两端面上的四条棱边采用了较大转接圆弧R_1a、R_1b、R_2a、R_2b，通过试验表面，这有利于改善转子叶片的榫头与榫槽接触的承压面的应力分布，有助于提升叶片使用寿命。

在前述实施方式的基础上，接触面1和接触面2相关的一些特征参数，例如接触面的宽度L1、L2，接触面的长度S1、S2，转接圆弧R_1a、R_1b、 R_2a、R_2b的半径，榫头宽度T1、T2等，对工作状态下榫头的受力分布有重要影响，通过对这些参数进行优化设计，可更加改善叶片的榫头与榫槽接触的承压面的应力分布，有助于提升叶片使用寿命。

在一个或多个实施方式中，第一接触面1和第二接触面2具有以下相关特征：

1)面1和面2的面积不相等，即A_1≠A_2。

2)燕尾形榫头特征，面1和面2与榫头横截面(榫头与第一参考面B 相交轮廓)上的相交线的长度尺寸，即L1＝L2。

3)导引线3沿参考线B1方向分别投影至接触面1和接触面2上的投影线可以是圆弧或直线，但长度S1、S2不相等，表达为(S_1)^≠(S_2)^，或S_1≠S_2。S1与S_1，S2与S_2具有同等含义，只是不同书写方式。

4)接触面1和接触面2分成两段，即段S_1a、S_1b和段S_2b、S_2b。其中，(S_1)^＝(S_1a)^+(S_1b)^，S_1＝S_1a+S_1b； (S_2)^＝(S_2a)^+(S_2b)^，S_2＝S_2a+S_2b。S_1a、S_1b和S_2b、S_2b 与图4、图5中的S1a、S1b，S2a，S2b具有同等含义，只是不同书写方式。

5)组成面1和面2的段S_1a、S_1b和段S_2a、S_2b可以相等或不等，即 (S_1a)^＝(S_1b)^，(S_1a)^≠(S_1b)^，S_1a＝S_1b，S_1a≠S_1b， (S_2a)^＝(S_2b)^，(S_2a)^≠(S_2b)^，S_2a＝S_2b，S_2a≠S_2b。

6)导引线沿平行于参考线B1方向的投影至第一接触面1或第二接触面 2上的投影线长度：直榫或斜榫(S1或S2)小于相配轮盘或鼓筒上榫槽的长度；周向圆弧形榫((S_1)^或(S_2)小于360°除以叶片的数量所对应的弧长。

此外，第一接触面1和第二接触面2两端的四条棱边上的转接圆弧特征的优化设计为：

1)转接圆弧半径R_1a、R_1b、R_2a、R_2b大小，介于0.44倍的 ((T_2-T_1))/2与0.98倍的((T_2-T_1))/2之间，T_1,T_2与图3 的T1、T2同等含义，只是不同书写方式，且T1、T2分别为沿第一参考面B的剖面内第一接触面1和第二接触面2之间的最小纵向宽度、最大纵向宽度。

2)R_1a＝R_1b＝R_2a＝R_2b或者

3)R_1≠R_2，但R_1a＝R_1b，R_2a＝R_2b或者

4)R_1≠R_2，且R_1a≠R_1b，R_2a≠R_2b或者又如图6所示，从接触面1过渡到接触面2、或从接触面2过渡到接触面1 的方式：

1)直线Ⅰ。

2)圆弧Ⅱ。

3)三阶样条曲线Ⅲ。

为保证含有上述特征的榫头顺利安装至轮盘或鼓筒上的槽内，如图7 所示，在轮盘或鼓筒设计有类似榫头特征的安装槽，安装槽相应地具有参考面A’，B’，其与榫头的参考面A、B对应。

值得说明的是，对直榫、斜榫及径向圆弧形榫的叶片虽然不存在可能安装反向的风险，但采用上述特征后，可以改变第一接触面1和第二接触面2上的应力分布，适用于各种复杂工况下使用的榫头。

在前述实施方式中，叶片榫头的材料可以是复合材料、金属材料，包括但不限于钢、钛合金、高温合金。

在前述实施方式中，叶片榫头上与榫槽接触的面1、2上，喷涂有铜- 镍-铟合金粉末，二硫化钼干膜润滑剂。

前述实施方式的榫头结构除适用于带燕尾形榫头的转子叶片外，也适用于带有类似燕尾形榫头的锁紧块，如图8所示，其也可取得前述效果。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (11)

1.透平机械转子的榫头元件，其特征在于，包括非对称燕尾榫头，在该非对称燕尾榫头的横向两侧分别具有用于与榫槽相配合的第一接触面、第二接触面，第一参考面是该非对称燕尾榫头的纵向的中间面，第二参考面是非对称燕尾榫头的横向的中间面且与第一参考面彼此垂直，第一参考线是位于第一参考面内与所述第一接触面、所述第二接触面相交的水平线，第二参考线是第一参考面与第二参考面相交确定的竖直线，导引线是通过第一参考线和第二参考线交点的线，第一接触面和第二接触面沿所述导引线确定的方向延伸，其特征在于，第一接触面和第二接触面相对于第一参考面或/和第二参考面构造成不对称，第一接触面两端的棱边分别为由高到低逐渐内收的第一转接圆弧形，第二接触面两端的棱边为由高到低逐渐内收的第二转接圆弧形。

2.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，所述第一接触面和所述第二接触面的面积构造成不相等。

3.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，所述第一接触面和所述第二接触面与所述第一参考面及与其平行的面相交的线长度相等。

4.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，所述导引线沿所述第一参考线在所述第一接触面上的投影与在所述第二接触面上的投影长度不相同。

5.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，所述导引线沿平行于所述第一参考线方向的投影至所述第一接触面或所述第二接触面上的投影线长度，对于直榫或斜榫而言小于相配轮盘或鼓筒上榫槽的长度，对于周向圆弧形榫而言小于360°除以叶片的数量所对应的弧长。

6.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，所述第一、第二转接圆弧的半径介于0.44倍的((T_2-T_1))/2和0.98倍的((T_2-T_1))/2之间，其中T1、T2分别为沿第一参考面的剖面内所述第一接触面和所述第二接触面之间的最小纵向宽度、最大纵向宽度。

7.如权利要求6所述的榫头元件，其特征在于，所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧以及所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径相等；或者

所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧的半径相等，所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径相等，但任一所述第一转接圆弧与任一所述第二转接圆弧的半径不相等；或者

所述第一接触面两端的所述第一转接圆弧的半径不相等，所述第二接触面两端的所述第二转接圆弧的半径不相等，且任一所述第一转接圆弧与任一所述第二转接圆弧的半径不相等。

8.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，在水平面内的正投影中，在该非对称燕尾榫头的纵向的任一侧，第一接触面到第二接触面的过渡方式为直线过渡、圆弧过渡或者三阶样条曲线过渡。

9.如权利要求1所述的榫头元件，其特征在于，在所述第一接触面或所述第二接触面内喷涂有铜-镍-铟合金粉末或二硫化钼干膜润滑剂。

10.透平机械转子，包括轮盘或鼓筒和多个转子叶片，所述轮盘或鼓筒上沿周向提供有榫槽，所述转子叶片通过榫头安装在所述榫槽中，其特征在于，所述叶片为如权利要求1至9中任一项所述的榫头元件。

11.透平机械转子，包括轮盘或鼓筒和多个转子叶片，所述轮盘或鼓筒上沿周向提供有环形榫槽，所述转子叶片通过榫头安装在所述环形榫槽中，其特征在于，多个所述转子叶片通过锁紧块锁定在所述环形榫槽中，所述锁紧块为如权利要求1至9中任一项所述的榫头元件。

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