[發明專利]一種低應力圓弧面圓弧榫連接結構

無效

• 申請號: 201210068394.5
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN102588002A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 王延榮;魏大盛;蔣向華;袁善虎;石亮
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/30
• 分類號: F01D5/30
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 官漢增

技術領域

本發明針對葉輪機械葉片、輪盤連接結構，屬于機械結構連接的通用設計方法技術領域，特別涉及一種低應力圓弧面圓弧榫連接結構。

背景技術

目前，在包括航空發動機、內燃機等在內的葉輪機械葉片/輪盤連接結構中，榫連結構的應用較為廣泛，其作用是用來連接工作葉片和輪盤。雖然隨著工程技術的進步，出現了通過焊接形成的整體葉盤結構，但由于造價、技術成熟度等多方面的原因，使得榫連結構仍將在很長一段時間內作為葉輪機械中葉片/輪盤之間的主要連接形式。

早期的葉片/輪盤采用銷釘式連接，通過銷釘承擔剪切載荷并傳力，工作葉片依靠凸耳由銷釘同輪緣的環槽相連。這種連接具有減震和消除連接處附加應力的作用，但其承載能力有限，尺寸和重量大，因而隨著對葉輪機械工作條件的要求日益提高，這種連接方式逐漸被淘汰，其原因在于螺栓孔邊有顯著的應力集中，隨著載荷的增加，孔邊將出現較大區域的塑性區，使結構強度及壽命顯著降低。而榫連結構則使工作葉片通過榫頭安裝在輪緣處相應的榫槽內，通過榫槽側面的接觸面進行定位和傳力。二者之間通常采用間隙配合，葉片安裝方便，同時避免了在榫槽內出現裝配應力。比較而言，其接觸承載面積較大，應力水平較低且分布較為均勻，是目前葉輪機械中葉片/輪盤之間的主要連接方式。對于風扇/壓氣機通常采用燕尾型榫連結構，對于渦輪則通常采用樅樹型榫連結構。一般的榫連結構其接觸面沿葉輪機械旋轉軸的軸線為平面，稱其為直榫；在一些先進的高推重比航空發動機的風扇榫連結構中，出現了圓弧榫(例如CFM56-7型發動機)，即葉片榫頭及輪盤榫槽沿葉輪機械旋轉軸的軸線方向均為圓弧形，這樣可以保證在葉片數目相同的條件下，增大輪轂比，使風扇的氣動性能得到提高。

葉輪機械的葉片承受的載荷較為復雜，通常包括葉片離心力、葉片氣動載荷以及由氣流沖擊導致的振動，對于渦輪葉片及輪盤還將承受較高的熱負荷。因此，榫連結構在這些載荷直接或間接的作用下，將在接觸面之間產生較大的接觸應力，在循環載荷的作用下，導致榫連結構發生疲勞失效。微動疲勞是榫連結構的一種主要失效模式，也是榫連結構工程設計及優化的關注點。

大量研究表明，傳統的采用平面接觸的榫連結構接觸區邊緣存在顯著的應力集中，這種高梯度接觸應力是導致榫連結構發生微動疲勞失效的重要原因。通過對榫連結構關鍵幾何參數(例如接觸角、接觸區邊緣圓角半徑、接觸區長度等等)進行優化，可使接觸區邊緣的峰值應力降低，提高結構強度及壽命。但只要采用直線/直線(二維條件下)的接觸方式，就無法消除接觸區邊緣的高梯度應力。

發明內容

本發明的目的在于：改善傳統榫連結構接觸區邊緣存在高梯度應力的狀況，進而增強榫連結構抗微動磨損及疲勞的能力，并由此提供一種由圓弧/直線(二維條件下)作為接觸區的圓弧形榫連結構。

本發明的依據為：圓弧/直線之間的接觸，即為典型的赫茲接觸，其產生的壓力曲線形式為橢圓形，不存在較大的峰值應力。因此，將圓弧接觸體同直線的接觸方式移植于榫連結構當中，就可以有效地降低接觸區的峰值應力，提高榫連結構的強度和疲勞性能。

本發明中所述圓弧面圓弧榫連接結構是在傳統平面接觸圓弧形榫連結構的基礎上發展而來的，該結構包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，輪盤榫槽部分同傳統結構相比并無明顯差異，發明的創新處在于葉片的榫頭部分。葉片榫頭的側接觸面向外凸起呈圓弧狀，若以垂直于葉輪機械軸線的平面作為切面，形成的接觸線呈現為圓弧/直線接觸的形式。這使得工作載荷下葉片/輪盤的接觸應力分布形式發生了較大的改變。

本發明提出一種低應力圓弧面圓弧榫連接結構，包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，所述的葉片榫頭為圓弧形榫頭，該圓弧形榫頭沿水平平面方向為圓弧形形狀，該葉片榫頭沿豎直截面方向為凸形結構，分為上下榫頭兩部分，上部榫頭的兩側側壁為沿豎直方向的平行側壁，下部榫頭的兩側側壁為向外側均勻凸起的圓弧形側壁，形成為一種雙方向圓弧形的空間曲面。

所述的輪盤榫槽沿水平平面方向也為圓弧形形狀，輪盤榫槽分為上下榫槽兩部分，上部榫槽為兩側內壁向上張開的水平壁面結構，下部榫槽為兩側內壁向下張開的壁面結構；葉片榫頭與輪盤榫槽之間的連接為間隙配合，下部榫頭的兩側凸起的圓弧形側壁與下部榫槽兩側直內壁之間的接觸為圓弧面/平面接觸。上部榫槽的深度大于等于上部榫頭的高度，下部榫槽的深度大于下部榫頭的高度。

本發明的優點在于：

(1)本發明的一種圓弧面圓弧榫連接結構，改善了接觸應力的分布形式，消除了傳統平面/平面接觸區邊緣的峰值應力，提高了結構強度。