一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明针对涡轮叶片的叶冠部位，为涡轮叶片的阻尼减振结构，属于机械阻尼减振结构的技术领域，特别涉及一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠。
【背景技术】
[0002]航空发动机涡轮叶片工作环境严苛，不仅要承受高温高压高速燃气的冲刷，还要在转动情况下承受燃气喷嘴周期变化的冲击力。涡轮转子叶片因整体刚度、强度、振动等原因断裂的情况在国内外的飞行事故中多次出现。为了增强涡轮叶片整体刚度和抗振性能，降低涡轮转子叶片的最大振动应力，延长其使用寿命，技术中逐渐采用了叶冠结构。
[0003]目前有两种形状的涡轮工作叶片叶冠:平行四边形叶冠和锯齿形叶冠。
[0004]平行四边形叶冠结构简单，叶片加工、安装和拆装方便，安装时各叶片周向有间隙。工作时利用叶片的反扭变形和热膨胀使叶冠间相互压紧形成一整环。当一对叶片共用一个榫槽时，往往配对的叶冠是相互接触的，而另一相邻叶片叶冠有可能有间隙。在理想情况下，工作时由于热膨胀等原因，此间隙应该消失，相邻叶冠相互靠上。但在实际情况下，由于制造误差及叶片、轮盘变形等多种因素，相邻叶冠的间隙难于控制，所以这种叶冠常有磨损不均的问题。
[0005]锯齿形叶冠在装配时接触面靠预扭压紧，工作时由于叶片的扭曲变形，接触面紧度加大。相邻叶片的叶冠抵紧后可以减小叶片扭转变形和弯曲变形。当叶片产生振动时，相邻叶冠间产生摩擦可以吸收振动能量，因而减振效果较好。锯齿形叶冠结构可以提高发动机涡轮部件的效率，提高涡轮工作叶片的抗振性，是一种较为先进的结构设计技术。但是锯齿形叶冠不能单片地装、拆，只能整环装上轮盘或由轮盘上卸下。锯齿形叶冠叶片必须整圈叶片同时拆装，装配及平衡比较复杂。另外，锯齿形呈“Z”字形的形式加工起来也相对困难。
[0006]由于平行四边形叶冠的间隙难于控制，而锯齿形叶冠采取紧度设计，因此目前的发动机多采用锯齿形叶冠，例如美国的F100、F110、GE90，俄罗斯的AL-31F、RD-33。但是锯齿形叶冠的设计、安装、加工仍然存在较大难度，尤其是锯齿形叶冠的安装，整环的安装与拆卸在实际使用、维修中带来很多麻烦。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的传统叶冠形式难以同时平衡设计紧度和便于安装的问题，本发明提出一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，是一种便捷安装和紧度适中的多对矩形齿叶冠。
[0008]—种成对矩形齿配合涡轮叶片叶冠，每一个叶片顶部安装一个叶冠；叶冠一侧边为矩形齿，相对侧边为平面结构。
[0009]涡轮叶片的个数分为奇数和偶数两种情况，对于偶数个数的涡轮叶片，将每两个叶片分为一组，每组叶片中的两个叶冠相对放置安装，相对侧边为相互啮合的矩形齿，且矩形齿的齿数相差I ;
[0010]具体为:一个叶冠的矩形齿位于所在叶片的叶盆侧，另一个叶冠的矩形齿位于所在叶片的叶背侧；矩形齿的厚度和叶冠的厚度相同。
[0011]矩形齿的齿宽度值由阻尼所需产生摩擦的面积和叶片整体刚度而定，具体计算由矩形齿所在叶冠侧边的长度除以整数η，η按照需求选取通常为3-8 ;
[0012]矩形齿的齿深依据整数η选取，η值越小，深度越大，以不触及叶尖部的叶片外形线为极限值，以保证接触面积。
[0013]矩形齿的数量由减振效果的数值模拟结果确定。
[0014]每组配对叶冠的另一侧边是与平行四边形叶冠相同的平面结构，每组叶冠的平面结构与相邻组叶冠的平面结构相配合，形成平面接触。
[0015]对于奇数个数的涡轮叶片，将其中两两叶冠配对后，剩余的一个叶冠选用与其余叶冠相同尺寸的平面结构，直接与相邻两个成对的叶冠平面结构相配合，形成平面接触，最终使整个涡轮叶片的叶冠间压紧成整环结构。
[0016]本发明的优点在于:
[0017](I)本发明一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，增强了涡轮叶片整体刚度和抗振性能，降低了涡轮转子叶片的最大振动应力，延长了其使用寿命。
[0018](2)本发明一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，综合了平行四边形叶冠和锯齿形叶冠的优点，能够在解决控制叶冠间隙的基础上，方便地安装和拆卸。
[0019](3)本发明一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，综合了平行四边形叶冠和锯齿形叶冠两种形式的特征，既安装方便，又使得叶片之间相互靠紧，增大了接触面积，改善了阻尼减振效果。
[0020](4)本发明一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，啮合矩形齿和叶冠的厚度始终保持相同，因此便于加工，而且相对于锯齿形叶冠，两个叶片可方便地成对安装、拆卸。
【附图说明】
[0021]图1为本发明成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠的矩形齿在叶盆方向示意图；
[0022]图2为本发明成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠的配合示意图；
[0023]图3为本发明成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠和缘板示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0025]本发明一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，是在平行四边形叶冠和锯齿形叶冠的基础上发展而来的，如图1和图2所示，具体包括:叶片和叶冠；叶片的数量和叶冠的数量相同；每一个叶冠浇铸在一个叶片顶部；叶冠为一侧边为矩形齿，相对侧边为平面结构；其余侧边可以为波纹形，直线形，锯齿形等常规形状。
[0026]涡轮叶片的个数分为奇数和偶数两种情况，对于偶数个数的涡轮叶片，将每两个涡轮叶片分为一组相对放置成对安装；两个叶冠的相对侧为相互啮合的矩形齿，其中啮合截面为矩形直齿结构，一组内的两个叶冠啮合齿数相差I ;两个叶冠的另一侧边非啮合面为平面，与平行四边形叶冠的平面结构相同；且与相邻组矩形齿的涡轮叶片叶冠的平面结构直接接触靠紧相配合，形成平面接触，最终使整个涡轮叶片的叶冠间压紧成整环结构。
[0027]两个叶冠相对放置，一个叶冠的啮合矩形齿位于一个叶片的叶盆侧，另一个叶冠的啮合矩形齿位于另一个叶片的叶背侧；啮合矩形齿和叶冠的厚度始终保持相同。
[0028]啮合矩形齿的齿宽是矩形齿凸出的最前沿，宽度由阻尼所需产生摩擦的面积和多个叶片整体刚度而定，宽度计算由矩形齿所在叶冠侧边的长度除以整数η，η按照需求选取通常为3_8 ；
[0029]啮合矩形齿的齿深与矩形齿的宽相垂直，深度依据整数η选取，η值小，深度较大，以不触及叶尖部的叶片外形线为极限值，以保证接触面积。
[0030]啮合矩形齿的数量由减振效果的数值模拟结果确定。
[0031]对于奇数个数的涡轮叶片，将其中两两叶冠配对后，剩余的一个叶冠选用与其余叶冠相同尺寸的平面结构，直接与相邻两个成对的叶冠平面结构相配合，形成平面接触，最终使整个涡轮叶片的叶冠间压紧成整环结构。
[0032]如图3所示，本发明成对矩形齿配合的方案不仅应用在涡轮叶片的叶冠，同样可以相同的方式应用于涡轮叶片的缘板，或者涡轮叶片的叶冠和缘板均采用矩形齿配合；且在涡轮叶片的叶冠和缘板均采用矩形齿配合时，还可使矩形齿配合部分交错布置。
[0033]—种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其中一组啮合矩形齿叶冠相互啮合可以减小叶片的扭转变形和弯曲变形，增加叶片刚性，提高叶片的自振频率；不同组叶冠的平面接触在叶片振动时，可以通过相互之间的摩擦吸收振动能量，起到减振作用。此结构可应用于民机/军机各种大小推力/功率的发动机涡轮叶片当中。
[0034]本发明能够解决当前涡轮叶片叶冠出现的间隙控制、拆装复杂的缺点，可提高叶片刚度和抗振性能，延长叶片的使用寿命。
【主权项】
1.一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:每一个叶片顶部安装一个叶冠；叶冠为一侧边设计有矩形齿，相对侧边为平面结构； 将每两个叶片分为一组，每组叶片中的两个叶冠的矩形齿相对设置，且相互啮合；相邻两组叶片中相邻叶冠的平面结构配合接触。2.如权利要求1所述的一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:所述的叶片为奇数个时，剩余的一个叶冠相对侧边均采用平面结构，分别与相邻两组叶片中叶冠的平面结构配合接触。3.如权利要求1所述的一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:所述的叶冠具体安装为:每组叶片中一个叶冠的矩形齿位于所在叶片的叶盆侧，另一个叶冠的矩形齿位于所在叶片的叶背侧；且两个叶冠的矩形齿的齿数相差I。4.如权利要求1所述的一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:所述的矩形齿的齿宽为矩形齿所在叶冠侧边的长度除以整数η，η为3?8。5.如权利要求1所述的一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:矩形齿的齿深需不触及叶尖部的叶片外形线。6.如权利要求1所述的一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，其特征在于:所述矩形齿的厚度和叶冠的厚度相同。
【专利摘要】本发明公开了一种成对矩形齿配合的涡轮叶片叶冠，包括叶片和叶冠；每一个叶片顶部安装一个叶冠；叶冠为一侧是矩形齿的长方形。将每两个涡轮叶片分为一组，每组叶片中的两个叶冠相对放置安装，相对侧为相互啮合的矩形齿，两个叶冠的另一侧为平面结构；每组成对叶冠的平面结构与相邻组叶冠的平面结构相配合，形成平面接触。优点在于，通过矩形齿叶冠之间相互啮合，减小叶片的扭转变形和弯曲变形，增加叶片刚性，提高叶片的自振频率；不同组叶冠的平面接触在叶片振动时，通过相互之间的摩擦吸收振动能量，起到减振作用。
【IPC分类】F01D5/16
【公开号】CN105201561
【申请号】CN201510587132
【发明人】魏大盛, 王延荣, 李昆, 张凯
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月15日