圆弧端齿结构设计和加工工艺研究进展与展望

圆弧端齿广泛应用于航空发动机轴系连接,研究其结构设计方法和加工工艺对分析航空发动机转子动力学特性具有重要意义。首先,分析了圆弧端齿结构设计理论,建立了圆弧端齿基本结构参数表述图表,对比了参数化设计方法的异同。其次,介绍了齿面应力仿真分析和试验验证情况,列举了新型结构设计实例,揭示了结构设计技术存在的问题并提出了解决途径。然后,采用弹性平均法解释了圆弧端齿的定心原理,介绍了定心精度分析、装配累积误差分析研究现状和应用情况。最后,评述了圆弧端齿加工工艺方法、加工设备、检测设备、检测方法,指出了当前存在的问题和可能的研究方向。研究结果表明:针对转子设计需求,应系统考虑圆弧端齿结构对转子动力学特性的影响;如果能够解决铣加工精度问题,采用通用设备加工圆弧端齿更具有成本优势;针对精细化检测的迫切需求,需要加快对新型检测方法的研究和探索。     

航空圆弧端齿的齿根双圆弧结构设计及优化

针对航空发动机圆弧端齿结构齿根单圆弧连接区域存在比较严重的应力集中问题,提出一种圆弧端齿结构齿根双圆弧设计方法,以改善齿根附近的应力集中现象。文中推导建立了双圆弧设计的基本公式,算例对比分析表明双圆弧设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了5.5%。在此基础上,根据EGD-3应力标准和格里森圆弧端齿设计准则,建立圆弧端齿结构的优化模型,采用精英保留遗传算法的优化方法对圆弧端齿进行了优化设计分析,优化结果表明双圆弧优化设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了12.3%,同时改善了齿根附近的应力分布状态。     

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

基于圆弧端齿连接结构的风扇转子装配技术研究与应用

航空发动机圆弧端齿连接结构不同于止口形式的连接,可以用现有的成熟装配技术控制转子同轴度,目前圆弧端齿连接转子的同轴度和初始不平衡量缺少有效的控制手段。本文分析了圆弧端齿连接结构对风扇转子装配的影响规律,创建了圆弧端齿连接结构转子的装配控制算法,突破了国内该结构转子在装配优化控制上的空白,降低了人工成本,提高了装配效率,并制定了风扇转子装配优化控制新方案,降低了转子初始不平衡量及进气机匣振动水平。综上,本文从装配角度解决了某小涵道比发动机进气机匣振动问题,取得了巨大的装配优化效果,具有较高的实用价值。     

某航空发动机热端部件涂层技术

为提高航空发动机热端部件抗腐蚀、抗高温氧化、抗磨损等能力,延长机件使用寿命,通常采取在发动机热端部件喷涂具有耐蚀、高温抗氧化、耐磨损等功能的防护涂层[1].由于设计原因,某航空发动机在工作过程中,一级涡轮导向器隔热屏封严篦齿的外篦齿暴露在高温燃烧区,术得到有效的冷却,产生极大的热应力,引起篦齿根部背面涂层裂纹甚至掉块,如图1所示.统计分析表明:某航空发动机工作到大寿命时,一级涡轮导向器隔热屏NiCr-Cr3C2涂层裂纹故障率高达80％,因此研究热端部件NiCr-Cr3C2涂层修复技术成为目前一项急待解决的问题.要解决涂层裂纹甚至掉块的故障,就需要提高涂层的结合强度,保证涂层获得相当的耐蚀、高温抗氧化、耐磨损等能力,为此必须适当调整涂层材料的成分配比[1-2].     

圆弧端齿联轴器定位机理研究

为了获得圆弧端齿联轴器定位精度设计和评估方法,对圆弧端齿联轴器定位机理进行了理论研究。阐述了圆弧端齿联轴器采用的弹性平均定位法及其定位原理,分析了常见的弹性平均结构设计误区,指出了影响弹性平均定位效果的关键因素。通过对圆弧端齿齿面受力分析,揭示了齿面结构参数对定心效果的影响机理,提出了齿面结构参数满足定心要求的必要条件,并根据圆弧端齿联轴器结构特点,构建了定位结构超静定系统力学模型。利用超静定系统平衡方程,结合变形协调条件,推导了圆弧端齿联轴器轴向偏差和同心偏差计算方法,并给出了定位偏差计算算例。结果表明,装配力和弹性补偿是弹性平均定位的关键要素,定位结构应保证接触面在装配力的作用下可以产生有效弹性补偿;联轴器轴向偏差和同心偏差受单齿刚度影响,随着刚度弱化的相邻齿数增加,轴向偏差变化率有逐渐增大趋势。     

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

圆弧端齿联轴器定位机理研究

为了获得圆弧端齿联轴器定位精度设计和评估方法,对圆弧端齿联轴器定位机理进行了理论研究。阐述了圆弧端齿联轴器采用的弹性平均定位法及其定位原理,分析了常见的弹性平均结构设计误区,指出了影响弹性平均定位效果的关键因素。通过对圆弧端齿齿面受力分析,揭示了齿面结构参数对定心效果的影响机理,提出了齿面结构参数满足定心要求的必要条件,并根据圆弧端齿联轴器结构特点,构建了定位结构超静定系统力学模型。利用超静定系统平衡方程,结合变形协调条件,推导了圆弧端齿联轴器轴向偏差和同心偏差计算方法,并给出了定位偏差计算算例。结果表明,装配力和弹性补偿是弹性平均定位的关键要素,定位结构应保证接触面在装配力的作用下可以产生有效弹性补偿;联轴器轴向偏差和同心偏差受单齿刚度影响,随着刚度弱化的相邻齿数增加,轴向偏差变化率有逐渐增大趋势。     

航空鼓形花键设计及其不对中接触特性

针对鼓形花键设计方法不完善、修形量范围无法确定的问题,提出利用花键齿面许用应力与内外花键配合干涉确定鼓形花键鼓形量的范围。以某航空发动机中央传动杆花键为例,开展鼓形花键设计;进而对比研究对中与不对中状态下普通花键和鼓形花键的接触特性。结果表明:对中状态下,普通花键接触应力集中于齿向加载端,而鼓形花键则集中于齿向中部且接触应力增大;不对中状态下,普通花键接触齿对数目显著减小且接触应力显著提高,而鼓形花键的均载性显著且接触应力降低;随着不对中的增大,普通花键因干涉而存在断齿风险,而鼓形花键仍能够啮合但脱开齿对数目增加,接触应力也急剧提高。所确定的鼓形花键修形量范围合理,能够将齿侧间隙、不对中补偿能力、与修形量定量耦合起来,为航空鼓形花键设计、不对中控制、承载能力与寿命提升提供了重要理论参考。      

某航空发动机一次试车燃油喷嘴掉齿故障的分析与控制研究

针对某型航空发动机频繁出现一次试车后燃油喷嘴副喷口雾化齿断裂故障,利用理化分析的方法找出引起齿部断裂的关键因素,对零件的机械加工与组件调试全过程进行分析、改进、对比、验证,通过故障复现找到了造成燃油喷嘴副喷口雾化齿顶部损伤的主要原因,采取针对性解决措施,保证了该型发动机的正常交付。