[发明专利]用于长寿命涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构设计方法

说明书

本发明涉及一种用于长寿命小型涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构设计方法，涉及涡扇发动机技术领域。本发明提供的一种用于长寿命小型涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构的设计方法，该方法为降低榫齿平均载荷，本发明采用四对齿结构，增加了榫头榫槽工作面承载面面积，将榫槽底部改为大圆角过渡，减小了榫槽应力集中，有效降低了关键位置应力水平，有效提高了其承载能力。并通过对榫连接结构特征尺寸的优化设计，减小了榫头、榫槽强度关键位置的应力集中，进一步降低了关键位置应力水平，提高了结构承载能力。

技术领域

本发明涉及涡扇发动机技术领域，具体涉及一种用于长寿命小型涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构设计方法。

背景技术

涡轮发动机涡轮盘与涡轮转子叶片一般采用枞树形榫连接结构形式，该结构形式对涡轮盘和涡轮叶片强度、寿命和失效都有非常大的影响。现有的榫连接结构榫头通过三对榫齿安装于榫槽内，实现叶片与轮盘的连接(图1)。在发动机工作时，叶片离心力通过三对榫齿工作面传递给轮盘。

发动机工作过程中，涡轮叶片主要承受高速转动引起的离心载荷、高温环境引起的温度载荷、高速气流冲刷引起的气动载荷以及叶片受周期性载荷引起的振动载荷。叶片在静载荷(离心、温度、气动)和振动载荷共同作用下容易发生高周疲劳损伤，损伤最易发生的部位为叶片榫头第一对齿根部圆角处(图2)。

轮盘榫槽第三对齿根部圆角处和榫槽根部圆角处(图3)在轮缘凸块根部径向应力、榫齿弯曲应力、盘缘周向应力叠加作用下应力水平较高，长时间反复使用容易发生低循环疲劳损伤。

通过分析认为，目前涡轮转子采用三对齿枞树形榫连接结构，其在强度关键位置应力水平较高，且叶片盆侧和背侧应力分布不均衡，在发动机工作过程中发生破坏风险较高。因此迫切需要设计一种简单可靠的榫连接结构，满足长寿命小型涡扇发动机的使用需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种用于长寿命小型涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构的设计方法，能够减小关键位置的应力集中，降低关键位置应力水平，大幅提升现有结构的承载能力，满足长寿命小型涡扇发动机的使用需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于长寿命小型涡扇发动机涡轮转子的榫连接结构设计方法，该方法中，将该榫连接结构设计为四对齿枞树形榫连接结构，其中榫槽底部为圆角过渡。

优选地，其中榫连接结构的榫头特征尺寸包括颈宽、齿高、齿根圆角、榫齿圆角、齿距、楔形角、齿形角、压力角、齿底宽、齿底厚；榫槽特征尺寸包括齿高、榫齿圆角、齿距、楔形角、齿形角、压力角、槽底宽、槽底高、槽底圆角。

优选地，在确定榫连接结构设计为四对齿枞树形榫连接结构之后还进行优化所述榫头特征尺寸、榫槽特征尺寸的步骤。

优选地，优化所述榫头特征尺寸、榫槽特征尺寸的步骤具体为：首先建立该榫连接结构的参数化几何模型，采用有限元方法对榫头特征尺寸、榫槽特征尺寸中每个参数进行灵敏度分析，然后根据灵敏度分析的结果确定影响关键位置应力水平的关键参数为榫头和榫槽的齿高、榫头和榫槽的楔形角、榫头和榫槽的齿形角、榫头和榫槽的齿距、榫槽的槽底圆角；接着对所述参数化几何模型进行参数化有限元建模，设定所述关键参数的取值范围，从而将榫连接结构设计转化为给定约束条件的参数优化问题，该参数优化问题中，目标函数为：榫头第一对齿根部圆角处和榫槽根部圆角处应力最小；约束条件为：1、关键参数取值的上、下限；2、其余部位应力不超过材料许用值；根据关键参数取值范围分别计算关键参数的目标函数值，根据计算结果确定响应面函数，利用响应面函数进行参数优化，最终确定优化结果。

(三)有益效果