改进压气机盘的拉刀设计

我厂研制的发动机,其压气机转子共有十级轮盘,轮盘榫槽为燕尾形式,有三种共458个榫槽,其中1～2级有56个,3～9级有341个,10级有61个,技术要求见图1。     

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

某压气机轮盘低循环疲劳寿命研究

本文以某发动机压气机轮盘榫槽低循环疲劳(LCF)为研究对象.针对其疲劳载荷非对称、危险部位数目较多等特点,对其进行寿命预测和试验研究.轮盘低循环疲劳寿命预测采用工程中常用的通用斜率以及Manson-Coffin公式进行,并考虑平均应力修正方法、危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响以及多轴疲劳寿命预测方法.通过轮盘低循环疲劳试验,再现了在役发动机轮盘榫槽槽底裂纹,验证了轮盘低循环疲劳寿命预测模型和方法的有效性.     

涡轮盘榫槽自动拉削夹具

我厂生产的某型发动机共有三级涡轮盘,其榫槽分别为41、43、53个,三个盘中最大的直径D=445.2毫米,最大的厚度H=29毫米,榫槽中心线与轮盘中心线的最大偏角α=26°30′,最深的榫槽h=24毫米,位移度均要求不大于0.08毫米,材料为GH135(见图3中所附零件简图),在7520卧式拉床上加工。由于榫槽多、深、偏角大、精度要求高、材料加工性能差,质量长期不能保证,曾一度成为我厂生产关键。针对这一生产薄弱环节,我们自行设计和制造了自动拉削夹具。实践证明夹具结构可靠,精度较高,保证了加工质量,提高     

桨毂三维有限元应力分析

某型螺旋桨毂坐标系的确定,此桨毂为整体形结构,沿径向均匀装置四个桨叶,如图1所示,以飞机飞行方向定位,桨毂旋转平面定为XOY平面,沿桨叶轴线方向为X轴坐标,在旋转平面内与X轴垂直方向为Y坐标,Z轴坐标则为通过旋转轴心而与飞行方向相反的轴线。在旋转平面的后端面,用端齿与发动机主轴连接,以传递扭矩及轴向位伸;其前端面安装螺旋桨整流罩,罩内装置液压调节活塞,整体结构内为空心,桨叶变距机构由此空间操纵四个桨叶。桨叶的离心力和气动力通过桨轴传递至桨毂。      

轻、重腐蚀涡轮盘榫齿高温复合疲劳试验研究

针对某型发动机二级涡轮盘榫齿裂纹故障,设计了一套新型试验加载方案,对涡轮盘枞树型榫槽进行了高温复合疲劳试验研究,得出了多通道传力结构的复合疲劳裂纹扩展规律,进而对比了轻、重两种腐蚀状态的涡轮盘榫齿高温复合疲劳寿命,给出了重腐蚀盘较轻腐蚀盘的寿命明显降低,且分散性大的结论,为制订轮盘腐蚀判废标准提供了依据。     

榫齿拉刀的成型磨削

新机工装生产中,我车间承担了高精度榫齿拉刀的制造任务。这种拉刀用于拉削涡轴发动机涡轮盘叶片榫槽,涡轮盘材料为GH33A。拉刀材料为M42,型面部分见图1,拉刀除具有     

配合间隙对涡轮叶片榫头/榫槽接触的影响

采用率相关晶体塑性滑移理论模型,考虑镍基单晶的晶体取向和涡轮盘/片配合间隙的影响,针对涡轮叶片榫头/榫槽的复杂接触状况,研究了温度梯度载荷和离心载荷作用下三种取向的接触应力和低周疲劳损伤。结果表明:当榫头/榫槽的配合间隙小于3.7μm时,榫头/榫槽的接触应力随间隙值突变比较明显;而间隙值大于5.4μm时影响较小。接触应力和低周疲劳寿命对第一齿间隙值比较敏感,随间隙值的波动变化范围较大;第二齿的间隙对接触应力影响也较大,但对疲劳寿命的影响只在较小间隙值下较为明显。晶体取向对榫头/榫槽接触低周疲劳寿命有比较显著的影响,表现出明显的疲劳性能各向异性。     

某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析

针对某型航空发动机发生的涡轮转子叶片和轮盘榫齿裂纹故障,应用大型结构分析程序Ansys对该叶片和轮盘进行了接触应力、振动特性及低循环疲劳寿命的计算分析,并针对各种可能的公差组合对榫头和榫齿喉部应力的影响进行了分析;根据计算结果找出并分析了故障发生的原因。     

轮盘模拟件破裂试验及其有限元描述

建立了与材料延伸率相关的轮盘破裂准则。以某型发动机低压压气机第1级轮盘为研究对象,模拟轮盘工作时榫槽底的应力分布,设计制造了模拟试件,并在材料试验机上对2个模拟试件进行了试验;借助MSC.MARC商用有限元软件,应用弹塑性、大应变、大变形的非线性有限元方法,描述了轮盘模拟件破裂试验的过程。经验证,计算结果和试验结果相一致。     

轮盘端面齿连接的周向拉杆转子刚度研究

针对轮盘端面齿连接的周向拉杆转子模型,理论分析得到转子各组成部分刚度计算方法.应用商业有限元软件ANSYS,基于三维有限元非线性接触算法计算预紧力下轮盘端面齿连接段的弯曲刚度和扭转刚度,得到刚度修正系数和刚度无量纲系数.分析周向拉杆刚度和轮盘刚度的关系,提出拉杆刚度比例系数.计算结果表明:刚度系数无量纲系数小于1时,刚度修正系数保持不变;刚度无量纲系数大于1时,此时预紧力不足,齿面发生滑移,刚度修正系数会突然降低,拉杆弯曲刚度比例系数会增加.刚度无量纲系数具有明确的物理意义,可为带端面齿的燃气轮机转子设计和故障诊断提供参考.      

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性,提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略,进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据,对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析,并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台,利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下,将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求;经寿命可靠性优化后,轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%,满足寿命可靠性设计要求;且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上,再减轻3.43%;该方法在保证优化精度的条件下,可大幅提高优化效率,且易于工程设计中应用.      

整体叶盘在航空发动机上的应用和发展

通常,压气机转子叶片均以叶身下的榫头(多为燕尾形)装于轮缘的榫槽中,再用锁紧装置将叶片锁定在轮盘上。80年代中期,在发动机结构设计中,出现了一种称之为“整体叶盘”(BliSk)的结构,它是将转子叶片和轮盘作成一体,省去了联接用的榫头、榫槽,使结构大为简化。整体转子和整体叶盘叶片与轮盘作为一体并不是近期的设计,在60和70年代发展的一些小型发动机的轴流-离心式     

涡轮盘榫齿载荷分配的一种计算方法

通常在有限元计算中,力和位移的边界条件要精确地给出。但是对于力和位移边界条件不能充分给出的一类问题,如接触问题,目前解题尚有一定的困难。对于涡轮盘和叶片的榫齿连接,求解这种含多面接触的工程计算,往往是假定一种边界条件,即首先预估榫齿上的载荷,然后进行轮盘或叶片的有限元分析。本文试图以完整的榫齿连接区域作为有限元模型,利用弹性位移叠加原理求载荷在榫齿上的分配,并根据这一分配进行了应力计算和断裂分析。      

涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

多轴应力状态下的局部应力应变近似计算方法及其应用

根据弹塑性力学基本原理 ,建立了单轴与多轴应力应变之间的关系 ,应用多轴Neuber法和Glinka法 ,计算了圆棒结构件应力集中处的应力应变 ,并与弹塑性有限元结果进行了比较 ,分析表明 :多轴应力状态下直接采用单轴近似算法会产生较大误差 ,采用多轴Neuber法及Glinka法计算得到的局部应力应变结果与弹塑性有限元结果比较接近。在此基础上 ,对航空发动机轮盘榫槽部位进行了局部应力应变计算分析     

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

盘的高速拉削的尝试

航空发动机轮盘榫槽拉削,长期存在着效率低、拉削质量不稳定,刀具磨损快的问题。为此,几年来人们都把注意力集中在如何提高刀具材料的切削性能,研制了很多新品种刀具,耗费了很多材料和资金,但是收效甚微。摆在我们面前的任务是寻找别的途径来解决盘榫槽的拉削问题。随着高速切削理论的发展,我们想到了在拉削中能否应用。大家知道,拉削工艺参数走刀量s和切削深度t改变都不能很大,而唯一拉削速度这一参数可较大的改变。为此,我们在轮盘榫槽拉削中进行了高速拉削的尝试。一、实现高速拉削的可能性     

整体盘轴零件优质高效加工技术

整体盘轴零件结构及 加工工艺性分析 整体盘轴零件是典型的盘轴一体结构的零件,具有结构复杂、尺寸精度高、薄壁刚性差、材料难加工等特性.其主要结构:大端是轮盘结构,具有轮缘、辐板、轮毂、盘心孔,在轮缘上具有安装叶片的燕尾型榫槽,辐板处有48个精密螺栓联接孔,位置度要求0.05mm,零件轴颈端外型面为薄壁斜锥壁结构,壁厚仅为2.7～3.1mm,轴身上带有螺纹、蓖齿、外花键、径向斜孔等,轴身内型面有球头凹槽、锁片槽等.零件φA、φB、φC等直径配合表面尺寸公差为0.013～0.05mm,跳动、平行度、垂直度等形位公差为0.01～0.013mm,整体盘轴零件最突出的特点是轴颈锥壁与轮盘的辐板形成半封闭深型腔结构,轴向开口宽度小,径向深度大,敞开性差,而且为多圆弧转接,加工过程中刀具进退困难,容易与零件产生碰撞、干涉,加工难度极大(图1).特别是深型腔粗加工时,零件完全是实心结构,加工余量更大,这对加工非常不利.按传统的加工工艺整体盘轴零件加工不仅需要在数控车床、坐标镗床、五坐标加工中心等多种设备上完成,加工周期长、效率低,而且采用普通的机夹刀具进行深腔加工,易造成切屑缠绕、难以断屑、打刀等问题,加工质量不稳定.     

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。