[发明专利]轮盘间端面齿接触的燃气轮机拉杆转子预紧力设计校核方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及燃气轮机设计技术领域，特别涉及一种轮盘间端面齿接触的燃气轮机拉杆转子预紧力设计校核方法。

【背景技术】

重型燃气轮机拉杆转子是一种典型的组合式转子，由一根中心拉杆或者多根周向拉杆穿过各级轮盘，通过对拉杆施加预紧力并把紧两端轴头的拉杆螺栓，将轮盘压紧以将组合转子结合为一体。由于这种结构的转子重量轻、易于装配且具有良好的冷却效果，在燃气轮机轮机和航空发动机中得到了广泛应用。此时转子不再是连续的整体，在多种工作载荷作用下，拉杆预紧力太小时转子将不能正常连接和运转；预紧力太大时拉杆螺栓和其他部件的强度安全储备将降低。拉杆预紧力大小的确定一直是拉杆转子设计中极为重要的问题。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种轮盘间端面齿接触的燃气轮机拉杆转子预紧力设计校核方法，其通过控制定义的关键参数：弯曲刚度无量纲系数的数值来设置合适的拉杆预紧力，同时校核扭转刚度无量纲系数，保证燃气轮机轮机转子的安全运行。

为达到上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

轮盘间端面齿接触的燃气轮机拉杆转子预紧力设计校核方法，包括以下步骤：

1)计算燃气轮机在静态轴承支承时其重力弯矩沿轴向的分布，得到燃气轮机的转子所受的最大重力弯矩M_b及其位置，同时确定燃气轮机运行时传递的扭矩M_t；

2)计算转子受重力弯矩最大处接触界面的截面参数，计算截面参数时将端面齿接触面近似为平面圆环，该截面参数包括截面对直径的轴惯性矩I_d和截面面积A；

3)计算转子受重力弯矩最大接触界面处重力产生的最大脱开应力σ和拉杆预紧力F产生的压应力P_a，其公式如下：

σ＝M_bR_out/I_d               (1)

式中：R_out为接触面外半径；

P_a＝F/A          (2)

定义弯曲刚度无量纲系数为γ_b，其公式如下：

γ_b＝σ/P_a             (3)

确定弯曲刚度无量纲系数的数值，对于实际的燃气轮机拉杆转子，设置拉杆预紧力F，使弯曲刚度无量纲系数小于1.0；

4)计算端面齿接触面上扭矩产生的轴向脱开力F_va，公式如下：

F_va＝4M_t×tan(α/2)/(R_in+R_out)          (4)

式中：α为齿形角，R_in为截面内半径；

定义扭转刚度无量纲系数为γ_t：

γ_t＝F_va/F           (5)

校核扭转刚度无量纲系数γ_t的数值，调整拉杆预紧力F，确保弯曲刚度无量纲系数和扭转刚度无量纲系数均小于1.0；

当弯曲和扭转刚度无量纲系数均小于1.0时，燃气轮机拉杆转子预紧力能够确保轮盘之间接触面不脱开。

本发明进一步改进在于，步骤1)中，采用有限元方法计算重力弯矩，燃气轮机运行时传递的扭矩M_t为燃气轮机的额定扭矩。

本发明进一步改进在于，步骤2)中，计算截面为转子轮盘之间的接触面，即受重力弯矩最大的轮盘接触面。

本发明进一步改进在于，步骤3)中，当弯曲刚度无量纲系数小于1.0时，轮盘之间接触面接触良好；当弯曲刚度无量纲系数大于等于1.0时，轮盘之间接触面开始发生脱离。

本发明进一步改进在于，弯曲刚度无量纲系数取0.1。

本发明进一步改进在于，步骤4中)，当扭转刚度无量纲系数小于1.0时，轮盘之间接触面接触良好；当扭转刚度无量纲系数大于等于1.0时，轮盘之间接触面开始发生滑移。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明定义了物理意义明确的弯曲和扭转刚度无量纲系数，确定了轮盘之间通过端面齿连接的重型燃气轮机拉杆转子拉杆预紧力的设计方法和校核准则，为燃气轮机轮机拉杆转子拉杆预紧力的设置提供了依据，为以后燃气轮机的自主设计打下了基础，具有广泛的工程应用前景。

【附图说明】

图1是某燃机典型结构示意图；