低压涡轮后轴及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种低压涡轮后轴及其设计方法，用于解决现有低压涡轮后轴前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处密封作用差的技术问题。技术方案是前延伸段配合面为锥面，对应于等效简化的轴对称二维平面结构中，前延伸段配合面的截面为一条由前延伸段配合面截面左端点和前延伸段配合面截面右端点连接形成的沿轴向方向左高右低的线段，前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处的过盈量沿轴向方向从左至右依次增大。由于前延伸段配合面采用锥面，均衡了前延伸段配合面的径向位移和封严跑道配合面的径向位移的分布情况，前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处在工作时不产生间隙，提高了封严跑道的密封作用。
【专利说明】低压涡轮后轴及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低压涡轮后轴，还涉及这种低压涡轮后轴的设计方法。
【背景技术】
[0002]参照图1?3，文献“陈光，洪杰，马艳红.航空燃气涡轮发动机结构[M].北京:北京航空航天大学出版社，2010.”公开了一种低压涡轮后轴，该低压涡轮后轴由低压涡轮后轴颈2、倾斜过渡段3、后延伸封严跑道5、竖直过渡段7、封严篦齿9和前延伸段10构成的轴线为回转中心I的空心盘式零件，倾斜过渡段3的上方开有沿周向均布的通油孔4，竖直过渡段7的根部开有沿周向均布的通气孔6，竖直过渡段7的上方开有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的竖直段开有沿周向均布的铆接销钉孔14。低压涡轮后轴与封严跑道12之间的径向连接方式是前延伸段配合面15与封严跑道配合面18之间的径向过盈配合13，轴向连接方式是沿周向均布的铆接销钉11的铆接。前延伸段配合面15为圆柱面，对应于等效简化的轴对称二维平面结构中，前延伸段配合面15的截面为一条由前延伸段配合面截面左端点19和前延伸段配合面截面右端点20连接形成的平行于轴向方向的线段。径向过盈配合13的过盈量沿轴向方向处处相等,均为Δ = 0.1_。在商用有限元软件ANSYS中建立低压涡轮后轴与封严跑道装配体的等效简化模型，假设铆接销钉11的连接强度满足工程要求，将铆接销钉连接处固连起来，忽略通油孔4、通气孔6、螺栓孔8和封严篦齿9的齿状结构，把装配体简化为轴对称的二维平面模型，使用轴对称的平面实体单元PLANE82对装配体划分网格，使用接触单元TARGE169和C0NTA172模拟径向过盈配合13，施加位移边界条件、转速和温度载荷，进行考虑接触的有限元分析。有限元分析结果显示，装配体的质量为Mtl = 6.1kg,径向过盈配合13处在工作时出现了间隙，并且封严跑道过渡圆角16处的应力集中程度很大，此处的von Mises等效应力为1169MPa,也是装配体的全局最大vonMises等效应力，超过了封严跑道所用材料的屈服极限700MPa。
[0003]文献中公开的低压涡轮后轴的主要技术缺点是，前延伸段配合面15与封严跑道配合面18之间的径向过盈配合13处在工作时会出现间隙，影响了封严跑道对低压涡轮转子间轴承前滑油腔滑油的密封作用，会导致滑油渗漏而着火而引起涡轮失效，由此导致发动机的包容性失效而损坏飞机。
【发明内容】
[0004]为了克服现有低压涡轮后轴前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处密封作用差的不足，本发明提供一种低压涡轮后轴。该低压涡轮后轴的前延伸段配合面为锥面，对应于等效简化的轴对称二维平面结构中，前延伸段配合面的截面为一条由前延伸段配合面截面左端点和前延伸段配合面截面右端点连接形成的沿轴向方向左高右低的线段，前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处的过盈量沿轴向方向从左至右依次增大。
[0005]本发明还提供这种低压涡轮后轴的设计方法。该方法将低压涡轮后轴和封严跑道的装配体等效简化为轴对称的二维平面结构，在商用有限元软件ANSYS中使用接触单元模拟前延伸段和封严跑道之间的径向过盈配合，进行考虑接触的有限元分析。选取前延伸段配合面截面左端点和右端点的坐标为设计变量，将前延伸段配合面上的节点的最大径向位移作为目标函数，引入接触单元的接触压力不小于一个较小的正压力的约束条件，将结构的质量、接触单元的最大接触压力和低压涡轮后轴与封严跑道各部分的最大von Mises等效应力也作为约束条件，建立形状优化模型，设定遗传算法的参数，使用遗传算法进行迭代求解，最终得到优化设计结果。本发明可以保证前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合处在工作时不产生间隙，密封作用好。同时在结构不超重和应力不超限的情况下降低封严跑道的过渡圆角处的应力集中。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种低压涡轮后轴，由低压涡轮后轴颈2、倾斜过渡段3、后延伸封严跑道5、竖直过渡段7、封严篦齿9和前延伸段10构成轴线为回转中心I的空心盘式零件，倾斜过渡段3的上方开有沿周向均布的通油孔4，竖直过渡段7的根部开有沿周向均布的通气孔6，竖直过渡段7的上方开有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的竖直段开有沿周向均布的铆接销钉孔14，其特点是前延伸段配合面15为锥面，对应于等效简化的轴对称二维平面结构中，前延伸段配合面15的截面为一条由前延伸段配合面截面左端点19和前延伸段配合面截面右端点20连接形成的沿轴向方向左高右低的线段，前延伸段配合面15与封严跑道配合面18之间径向过盈配合13处的过盈量沿着轴向方向从左至右依次增大。
[0007]所述前延伸段配合面15的锥度为
【权利要求】
1.一种低压涡轮后轴，由低压涡轮后轴颈(2)、倾斜过渡段(3)、后延伸封严跑道(5)、竖直过渡段(7)、封严篦齿(9)和前延伸段(10)构成轴线为回转中心(I)的空心盘式零件，倾斜过渡段(3)的上方开有沿周向均布的通油孔(4)，竖直过渡段(7)的根部开有沿周向均布的通气孔(6)，竖直过渡段(7)的上方开有沿周向均布的螺栓孔(8)，前延伸段(10)的竖直段开有沿周向均布的铆接销钉孔(14)，其特征在于:前延伸段配合面(15)为锥面，对应于等效简化的轴对称二维平面结构中，前延伸段配合面(15)的截面为一条由前延伸段配合面截面左端点(19)和前延伸段配合面截面右端点(20)连接形成的沿轴向方向左高右低的线段，前延伸段配合面(15)与封严跑道配合面(18)之间径向过盈配合(13)处的过盈量沿着轴向方向从左至右依次增大。
2.根据权利要求1所述的低压涡轮后轴，其特征在于:所述前延伸段配合面(15)的锥度为1Uf /21|;式中，X1为前延伸段配合面截面左端点的径向坐标，Y1为前延伸段配合面 ^Fl 一 X2 丨截面左端点的轴向坐标，X2为前延伸段配合面截面右端点的径向坐标，72为前延伸段配合面截面右端点的轴向坐标。
3.—种权利要求1所述低压涡轮后轴的设计方法，其特征在于采用以下步骤: 步骤一、在商用有限元软件ANSYS中建立低压涡轮后轴与封严跑道装配体的等效简化模型，假设铆接销钉处的连接强度满足工程要求，将铆接销钉连接处固连起来，忽略通油孔、通气孔、螺栓孔、铆接销钉孔和封严篦齿的齿状结构，把装配体简化为轴对称的二维平面模型，在建模时使 前延伸段配合面各处的径向坐标比封严跑道配合面的径向坐标小Λ=0.1_，来模拟前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合的过盈量，将其作为形状优化问题的初始设计；设定Xl、yi和X2为可变参数；其中，X1为前延伸段配合面截面左端点的径向坐标，Y1为前延伸段配合面截面左端点的轴向坐标，X2为前延伸段配合面截面右端点的径向坐标； 步骤二、对低压涡轮后轴和封严跑道分别赋以各自的材料属性； 步骤三、设定网格边长，对装配体使用平面实体单元划分结构网格；在前延伸段配合面的实体单元上生成一层目标单元作为目标面，在封严跑道配合面的实体单元上生成一层接触单元作为接触面，对目标单元和接触单元赋以相同的实常数编号来将目标面和接触面识别为接触对，用以模拟前延伸段配合面与封严跑道配合面之间的径向过盈配合； 步骤四、对结构的有限元模型施加位移边界条件和转速、温度载荷条件； 步骤五、选取步骤一中的三个可变参数中的全部或者部分作为设计变量，以前延伸段配合面上的节点的最大径向位移为目标函数，将接触单元的接触压力不小于一个较小的正压力作为第一个约束条件，将接触单元的接触压力不超过许用接触压力作为第二个约束条件，将低压涡轮后轴单元的最大von Mises等效应力和封严跑道单元的最大von Mises等效应力不超过各自材料的许用应力分别作为第三和第四个约束条件，将装配体的质量不超过上限作为第五个约束条件，最后根据需要增加其他约束条件，建立形状优化的数学模型:
【文档编号】F16B4/00GK104019091SQ201410257707
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】张卫红, 牛草, 罗雅文, 张治东, 王冰旭 申请人:西北工业大学