輪盤圓弧端齒及其輪盤以及帶有該輪盤的燃氣渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輪盤圓弧端齒及其輪盤以及帶有該輪盤的燃氣渦輪發(fā)動機，輪盤圓弧端齒包括齒頂、壓力面和齒根，壓力面處于齒頂與齒根之間，壓力面與齒根之間設有用以緩沖應力和減輕應力集中的圓弧過渡區(qū)，圓弧過渡區(qū)的徑向截面包括至少兩段圓弧段。通過多圓弧段的方式可以降低應力，并使得圓弧端齒的齒根與相對圓弧端齒的齒頂相互配合效果更好，相互之間無干涉，更容易裝配。利用三維有限元仿真分析對某一傳統結構及本發(fā)明改進后的結構進行了對比分析，結果表明，本發(fā)明的應力下降了18％，壽命延長了200％。
【專利說明】輪盤圓弧端齒及其輪盤以及帶有該輪盤的燃氣渦輪發(fā)動機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機領域，特別地，涉及一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述圓弧端齒的燃氣渦輪發(fā)動機輪盤。本發(fā)明還涉及一種包括上述輪盤的燃氣渦輪發(fā)動機。
【背景技術】
[0002]現有燃氣渦輪發(fā)動機轉子由各級輪盤組成，各級輪盤一般通過中心拉桿兩端壓緊、輪盤與輪盤之間通過端齒連接以傳遞扭矩(功率)。這種結構由于具有自動定心能力強、拆裝方便、維護簡單等特點，在渦軸及渦槳發(fā)動機中被廣泛應用。
[0003]圓弧端齒位于輪盤的前后兩個端面上，一般按周向均勻分布。裝配時，相鄰輪盤的端齒旋轉一定角度后插入，此后在輪盤上施加軸向預緊力使得端齒壓緊，這樣輪盤間即可有效傳遞扭矩，從而輸出功率。按周向展開后，一般由齒頂、齒根及壓力面(工作面)組成，壓力面與齒根間具有過渡區(qū)。工作時，最大應力點(即最小壽命點)一般位于過渡處。
[0004]端齒主要承受離心載荷與壓力載荷，其中離心載荷所產生的應力與轉速平方成正t匕、與端齒半徑成正比。壓力載荷產生的壓應力與軸向預緊力及扭矩成正比。一般來說，在壓力載荷給定的情況下，端齒周向個數及齒根周向寬度已基本給定。出于發(fā)動機效率的需要，一般要求轉速及半徑越高越好，但是這樣的設置會引起過渡區(qū)應力急劇上升，需加大過渡區(qū)轉角半徑以緩解應力集中現象，但受齒根周向寬度限制，轉角半徑不可能無限制加大，從而導致壽命偏短。此外，轉角半徑加大還可能引起齒根與相對端齒的齒頂干涉，從而無法裝配。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種輪盤圓弧端齒及其輪盤以及帶有該輪盤的燃氣渦輪發(fā)動機，以解決現有圓弧端齒的過渡區(qū)無法承受高速運轉產生的應力，無法消除應力集中現象；加大轉角半徑會導致無法裝配的技術問題。
[0006]為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0007]—種用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，包括齒頂、壓力面和齒根，壓力面處于齒頂與齒根之間，壓力面與齒根之間設有用以緩沖應力和減輕應力集中的圓弧過渡區(qū)，圓弧過渡區(qū)的徑向截面包括至少兩段圓弧段。
[0008]進一步地，相鄰兩段圓弧段之間的圓弧相接處為平滑過渡；或者相鄰兩段圓弧段在圓弧相接處的切線重合。
[0009]進一步地，緊靠壓力面布置的圓弧段與壓力面的相接處為平滑過渡；緊靠齒根布置的圓弧段與齒根的相接處為平滑過渡。
[0010]進一步地，圓弧過渡區(qū)各圓弧段的圓弧半徑由中間向兩側方向遞減；或者圓弧過渡區(qū)各圓弧段的圓弧半徑由壓力面向齒根方向遞減；或者圓弧過渡區(qū)各圓弧段的圓弧半徑由齒根向壓力面方向遞減。[0011]進一步地，，圓弧段的圓弧半徑不同和/或圓弧段的圓弧軸線處于不同直線。圓弧過渡區(qū)包括至少兩組圓弧段，同組圓弧段的圓弧半徑相同，不同組圓弧段的圓弧半徑不同。
[0012]進一步地，同組的圓弧段緊靠布置，多組圓弧段從壓力面向齒根方向順序排列。
[0013]進一步地，兩組圓弧段相互交替布置。
[0014]進一步地，相鄰兩個圓弧端齒之間的中心線為周向寬度中分線，靠近齒根布置的圓弧段在齒根的終結處不超過周向寬度中分線。
[0015]根據本發(fā)明的另一方面，還提供了一種燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤，輪盤的至少一個端面上設有上述輪盤圓弧端齒。
[0016]根據本發(fā)明的另一方面，還提供了一種燃氣渦輪發(fā)動機，燃氣渦輪發(fā)動機的轉子包括有至少兩個上述輪盤，輪盤與輪盤之間通過圓弧端齒相互嚙合連接。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明輪盤圓弧端齒，通過在壓力面與齒根之間設置圓弧過渡區(qū)以消除輪盤在旋轉過程中所產生的應力集中現象，并且通過圓弧過渡區(qū)緩沖離心應力；圓弧過渡區(qū)的徑向截面設置為多段圓弧段，利用圓弧段的弧形結構逐步消減應力，而通過多段圓弧段將集中應力分散，圓弧段利用弧形結構將分散過來的應力進行逐步消弱，從而降低應力對圓弧端齒造成破壞，從而延長圓弧端齒甚至整個輪盤的使用壽命；通過多圓弧段的方式可以降低應力，并使得圓弧端齒的齒根與相對圓弧端齒的齒頂相互配合效果更好，相互之間無干涉，更容易裝配。利用三維有限元仿真分析對傳統結構及經過本發(fā)明改進后的結構進行了對比分析，結果表明，本發(fā)明的應力下降了 18%，壽命延長了 200%。
[0019]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒的結構示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的輪盤圓弧端齒的圓弧過渡區(qū)的結構示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤的結構示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃氣渦輪發(fā)動機轉子的結構示意圖。
[0025]圖例說明:
[0026]1、齒頂；2、壓力面；3、齒根；4、圓弧過渡區(qū)；401、圓弧段；5、圓弧端齒；6、輪盤?！揪唧w實施方式】
[0027]以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由所限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0028]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒的結構示意圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的輪盤圓弧端齒的圓弧過渡區(qū)的結構示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤的結構示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃氣渦輪發(fā)動機轉子的結構示意圖。[0029]如圖1和圖2所示，本實施例的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，包括齒頂1、壓力面2和齒根3，壓力面2處于齒頂I與齒根3之間，壓力面2與齒根3之間設有用以緩沖應力和減輕應力集中的圓弧過渡區(qū)4，圓弧過渡區(qū)4的徑向截面包括至少兩段圓弧段401。本發(fā)明輪盤圓弧端齒，通過在壓力面2與齒根3之間設置圓弧過渡區(qū)4以消除輪盤在旋轉過程中所產生的應力集中現象，并且通過圓弧過渡區(qū)4緩沖離心應力；圓弧過渡區(qū)4的徑向截面設置為多段圓弧段401，利用圓弧段401的弧形結構逐步消減應力，而通過多段圓弧段401將集中應力分散，圓弧段401利用弧形結構將分散過來的應力進行逐步消弱，從而降低應力對圓弧端齒造成破壞，從而延長圓弧端齒甚至整個輪盤的使用壽命；通過多圓弧段401的方式可以降低應力，并使得圓弧端齒的齒根3與相對圓弧端齒的齒頂I相互配合效果更好，相互之間無干涉，很容易裝配。利用三維有限元仿真分析對傳統結構及經過本發(fā)明改進后的結構進行了對比分析，結果表明，本發(fā)明的應力下降了 18%，壽命延長了 200%。
[0030]本實施例中，相鄰兩段圓弧段401之間的圓弧相接處為平滑過渡。相鄰兩段圓弧段401在圓弧相接處的切線重合。保證整個圓弧過渡區(qū)4的表面光順，減少裝配后構件在運轉過程中的相互摩擦以及相互作用力。
[0031]本實施例中，緊靠壓力面2布置的圓弧段401與壓力面2的相接處為平滑過渡。緊靠齒根3布置的圓弧段401與齒根3的相接處為平滑過渡。保證整個圓弧過渡區(qū)4的表面光順，減少裝配后構件在運轉過程中的相互摩擦以及相互作用力。
[0032]本實施例中，圓弧過渡區(qū)4各圓弧段401的圓弧半徑由中間向兩側方向遞減。圓弧過渡區(qū)4各圓弧段401的圓弧半徑由壓力面2向齒根3方向遞減。圓弧過渡區(qū)4各圓弧段401的圓弧半徑由齒根3向壓力面2方向遞減。根據配合安裝后的輪盤在發(fā)動機中所起的作用、運轉環(huán)境、作用力方向以及應力分布情況等，選擇相匹配的圓弧段401布置方式，以最大限度的消除應力對圓弧端齒造成的破壞，從而提高圓弧端齒甚至整個輪盤的使用壽命O
[0033]本實施例中，圓弧段401的圓弧半徑不同并且圓弧段401的圓弧軸線處于不同直線。圓弧段401的圓弧半徑不同或者圓弧段401的圓弧軸線處于不同直線。圓弧過渡區(qū)4包括至少兩組圓弧段401，同組圓弧段401的圓弧半徑相同，不同組圓弧段401的圓弧半徑不同。通過布置分組設置的圓弧段401，以應對集中應力作用點或者作用區(qū)域，更好的消除集中應力。
[0034]本實施例中，同組的圓弧段401緊靠布置，多組圓弧段401從壓力面2向齒根3方向順序排列。根據配合安裝后的輪盤在發(fā)動機中所起的作用、運轉環(huán)境、作用力方向以及應力分布情況等，選擇相匹配的圓弧段401組合布置方式，以最大限度的消除應力對圓弧端齒造成的破壞，從而提高圓弧端齒甚至整個輪盤的使用壽命。
[0035]本實施例中，兩組圓弧段401相互交替布置。根據配合安裝后的輪盤在發(fā)動機中所起的作用、運轉環(huán)境、作用力方向以及應力分布情況等，選擇相匹配的圓弧段401組合布置方式，以最大限度的消除應力對圓弧端齒造成的破壞，從而提高圓弧端齒甚至整個輪盤的使用壽命。
[0036]本實施例中，相鄰兩個圓弧端齒之間的中心線為周向寬度中分線，靠近齒根3布置的圓弧段401在齒根3的終結處不超過周向寬度中分線。防止引起齒根3與相對齒頂I之間相互干涉，從而降低裝配難度。[0037]本實施例的燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤，輪盤的至少一個端面上設有上述輪盤圓弧端齒5。
[0038]本實施例的燃氣渦輪發(fā)動機，燃氣渦輪發(fā)動機的轉子包括有至少兩個上述輪盤6，輪盤6與輪盤6之間通過圓弧端齒5相互嚙合連接。
[0039]實施時，結構的應力等于基準應力乘上應力集中系數，而對于圓弧過渡處，應力集中系數基本由該處的曲率決定。端齒圓弧過渡處的應力并不是全部過大，全部采用一個曲率不甚合適。為克服此缺點，提出一種變曲率結構。該結構起始點為壓力面靠近葉根部分端點(如圖1所示)，終結處為齒根3上不超過其周向寬度中分線(如圖1所示)的一點，隨后首尾順序連接有多段圓弧(Rl、R2…RN)，每段圓弧的半徑及圓心按一定規(guī)律變化(該規(guī)律由結構優(yōu)化得到)，且在相接處兩段圓弧的切線重合以保證光順。
[0040]圓弧端齒5的齒根3過渡處的變曲率結構形式，不論圓弧段401數取多少均在保護之列。
[0041 ] 本發(fā)明最大的優(yōu)點是可以在較小的結構空間內大幅降低應力，延長端齒壽命。
[0042]利用三維有限元仿真分析對某一傳統結構及經過本發(fā)明改進后的結構進行了對比分析，結果表明，本發(fā)明的應力下降了 18%，壽命延長了 200%。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，包括齒頂(I)、壓力面(2)和齒根(3)， 所述壓力面(2)處于所述齒頂(I)與所述齒根(3)之間， 其特征在于， 所述壓力面(2)與所述齒根(3)之間設有用以緩沖應力和減輕應力集中的圓弧過渡區(qū)⑷， 所述圓弧過渡區(qū)(4)的徑向截面包括至少兩段圓弧段(401)。
2.根據權利要求1所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 相鄰兩段所述圓弧段(401)之間的圓弧相接處為平滑過渡； 或者相鄰兩段所述圓弧段(401)在圓弧相接處的切線重合。
3.根據權利要求1所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 緊靠所述壓力面(2)布置的所述圓弧段(401)與所述壓力面(2)的相接處為平滑過渡； 緊靠所述齒根(3)布置的所述圓弧段(401)與所述齒根(3)的相接處為平滑過渡。
4.根據權利要求1 至3中任一項所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 所述圓弧過渡區(qū)(4)各所述圓弧段(401)的圓弧半徑由中間向兩側方向遞減； 或者所述圓弧過渡區(qū)(4)各所述圓弧段(401)的圓弧半徑由所述壓力面(2)向所述齒根⑶方向遞減； 或者所述圓弧過渡區(qū)(4)各所述圓弧段(401)的圓弧半徑由所述齒根(3)向所述壓力面⑵方向遞減。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 所述圓弧段(401)的圓弧半徑不同和/或所述圓弧段(401)的圓弧軸線處于不同直線.所述圓弧過渡區(qū)(4)包括至少兩組所述圓弧段(401)， 同組所述圓弧段(401)的圓弧半徑相同， 不同組所述圓弧段(401)的圓弧半徑不同。
6.根據權利要求5所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 同組的所述圓弧段(401)緊靠布置， 多組所述圓弧段(401)從所述壓力面(2)向所述齒根(3)方向順序排列。
7.根據權利要求5所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于，兩組所述圓弧段(401)相互交替布置。
8.根據權利要求1至3中任一項所述的用于燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤圓弧端齒，其特征在于， 相鄰兩個圓弧端齒之間的中心線為周向寬度中分線， 靠近所述齒根(3)布置的所述圓弧段(401)在所述齒根(3)的終結處不超過周向寬度中分線。
9.一種燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤，其特征在于，輪盤的至少一個端面上設有如權利要求1至8中任一項所述的輪盤圓弧端齒(5)。
10.一種燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，燃氣渦輪發(fā)動機的轉子包括有至少兩個如權利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機的輪盤(6)，輪盤(6)與輪盤(6)之間通過圓弧端齒(5)相互嚙合連接。
【文檔編號】F01D5/06GK103982242SQ201410224814
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權日:2014年5月26日
【發(fā)明者】米棟, 張立章, 朱亮 申請人:中國航空動力機械研究所