低壓渦輪后軸及其設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種低壓渦輪后軸及其設(shè)計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有低壓渦輪后軸前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處密封作用差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是前延伸段配合面為錐面，對(duì)應(yīng)于等效簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)二維平面結(jié)構(gòu)中，前延伸段配合面的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(diǎn)和前延伸段配合面截面右端點(diǎn)連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處的過(guò)盈量沿軸向方向從左至右依次增大。由于前延伸段配合面采用錐面，均衡了前延伸段配合面的徑向位移和封嚴(yán)跑道配合面的徑向位移的分布情況，前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處在工作時(shí)不產(chǎn)生間隙，提高了封嚴(yán)跑道的密封作用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】低壓渦輪后軸及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低壓渦輪后軸，還涉及這種低壓渦輪后軸的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]參照?qǐng)D1?3，文獻(xiàn)“陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.”公開(kāi)了一種低壓渦輪后軸，該低壓渦輪后軸由低壓渦輪后軸頸2、傾斜過(guò)渡段3、后延伸封嚴(yán)跑道5、豎直過(guò)渡段7、封嚴(yán)篦齒9和前延伸段10構(gòu)成的軸線為回轉(zhuǎn)中心I的空心盤(pán)式零件，傾斜過(guò)渡段3的上方開(kāi)有沿周向均布的通油孔4，豎直過(guò)渡段7的根部開(kāi)有沿周向均布的通氣孔6，豎直過(guò)渡段7的上方開(kāi)有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的豎直段開(kāi)有沿周向均布的鉚接銷(xiāo)釘孔14。低壓渦輪后軸與封嚴(yán)跑道12之間的徑向連接方式是前延伸段配合面15與封嚴(yán)跑道配合面18之間的徑向過(guò)盈配合13，軸向連接方式是沿周向均布的鉚接銷(xiāo)釘11的鉚接。前延伸段配合面15為圓柱面，對(duì)應(yīng)于等效簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)二維平面結(jié)構(gòu)中，前延伸段配合面15的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(diǎn)19和前延伸段配合面截面右端點(diǎn)20連接形成的平行于軸向方向的線段。徑向過(guò)盈配合13的過(guò)盈量沿軸向方向處處相等,均為Δ = 0.1_。在商用有限元軟件ANSYS中建立低壓渦輪后軸與封嚴(yán)跑道裝配體的等效簡(jiǎn)化模型，假設(shè)鉚接銷(xiāo)釘11的連接強(qiáng)度滿(mǎn)足工程要求，將鉚接銷(xiāo)釘連接處固連起來(lái)，忽略通油孔4、通氣孔6、螺栓孔8和封嚴(yán)篦齒9的齒狀結(jié)構(gòu)，把裝配體簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的二維平面模型，使用軸對(duì)稱(chēng)的平面實(shí)體單元PLANE82對(duì)裝配體劃分網(wǎng)格，使用接觸單元TARGE169和C0NTA172模擬徑向過(guò)盈配合13，施加位移邊界條件、轉(zhuǎn)速和溫度載荷，進(jìn)行考慮接觸的有限元分析。有限元分析結(jié)果顯示，裝配體的質(zhì)量為Mtl = 6.1kg,徑向過(guò)盈配合13處在工作時(shí)出現(xiàn)了間隙，并且封嚴(yán)跑道過(guò)渡圓角16處的應(yīng)力集中程度很大，此處的von Mises等效應(yīng)力為1169MPa,也是裝配體的全局最大vonMises等效應(yīng)力，超過(guò)了封嚴(yán)跑道所用材料的屈服極限700MPa。
[0003]文獻(xiàn)中公開(kāi)的低壓渦輪后軸的主要技術(shù)缺點(diǎn)是，前延伸段配合面15與封嚴(yán)跑道配合面18之間的徑向過(guò)盈配合13處在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)間隙，影響了封嚴(yán)跑道對(duì)低壓渦輪轉(zhuǎn)子間軸承前滑油腔滑油的密封作用，會(huì)導(dǎo)致滑油滲漏而著火而引起渦輪失效，由此導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的包容性失效而損壞飛機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有低壓渦輪后軸前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處密封作用差的不足，本發(fā)明提供一種低壓渦輪后軸。該低壓渦輪后軸的前延伸段配合面為錐面，對(duì)應(yīng)于等效簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)二維平面結(jié)構(gòu)中，前延伸段配合面的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(diǎn)和前延伸段配合面截面右端點(diǎn)連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處的過(guò)盈量沿軸向方向從左至右依次增大。
[0005]本發(fā)明還提供這種低壓渦輪后軸的設(shè)計(jì)方法。該方法將低壓渦輪后軸和封嚴(yán)跑道的裝配體等效簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的二維平面結(jié)構(gòu)，在商用有限元軟件ANSYS中使用接觸單元模擬前延伸段和封嚴(yán)跑道之間的徑向過(guò)盈配合，進(jìn)行考慮接觸的有限元分析。選取前延伸段配合面截面左端點(diǎn)和右端點(diǎn)的坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，將前延伸段配合面上的節(jié)點(diǎn)的最大徑向位移作為目標(biāo)函數(shù)，引入接觸單元的接觸壓力不小于一個(gè)較小的正壓力的約束條件，將結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、接觸單元的最大接觸壓力和低壓渦輪后軸與封嚴(yán)跑道各部分的最大von Mises等效應(yīng)力也作為約束條件，建立形狀優(yōu)化模型，設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，使用遺傳算法進(jìn)行迭代求解，最終得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。本發(fā)明可以保證前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合處在工作時(shí)不產(chǎn)生間隙，密封作用好。同時(shí)在結(jié)構(gòu)不超重和應(yīng)力不超限的情況下降低封嚴(yán)跑道的過(guò)渡圓角處的應(yīng)力集中。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種低壓渦輪后軸，由低壓渦輪后軸頸2、傾斜過(guò)渡段3、后延伸封嚴(yán)跑道5、豎直過(guò)渡段7、封嚴(yán)篦齒9和前延伸段10構(gòu)成軸線為回轉(zhuǎn)中心I的空心盤(pán)式零件，傾斜過(guò)渡段3的上方開(kāi)有沿周向均布的通油孔4，豎直過(guò)渡段7的根部開(kāi)有沿周向均布的通氣孔6，豎直過(guò)渡段7的上方開(kāi)有沿周向均布的螺栓孔8，前延伸段10的豎直段開(kāi)有沿周向均布的鉚接銷(xiāo)釘孔14，其特點(diǎn)是前延伸段配合面15為錐面，對(duì)應(yīng)于等效簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)二維平面結(jié)構(gòu)中，前延伸段配合面15的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(diǎn)19和前延伸段配合面截面右端點(diǎn)20連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面15與封嚴(yán)跑道配合面18之間徑向過(guò)盈配合13處的過(guò)盈量沿著軸向方向從左至右依次增大。
[0007]所述前延伸段配合面15的錐度為
【權(quán)利要求】
1.一種低壓渦輪后軸，由低壓渦輪后軸頸(2)、傾斜過(guò)渡段(3)、后延伸封嚴(yán)跑道(5)、豎直過(guò)渡段(7)、封嚴(yán)篦齒(9)和前延伸段(10)構(gòu)成軸線為回轉(zhuǎn)中心(I)的空心盤(pán)式零件，傾斜過(guò)渡段(3)的上方開(kāi)有沿周向均布的通油孔(4)，豎直過(guò)渡段(7)的根部開(kāi)有沿周向均布的通氣孔(6)，豎直過(guò)渡段(7)的上方開(kāi)有沿周向均布的螺栓孔(8)，前延伸段(10)的豎直段開(kāi)有沿周向均布的鉚接銷(xiāo)釘孔(14)，其特征在于:前延伸段配合面(15)為錐面，對(duì)應(yīng)于等效簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)二維平面結(jié)構(gòu)中，前延伸段配合面(15)的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(diǎn)(19)和前延伸段配合面截面右端點(diǎn)(20)連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面(15)與封嚴(yán)跑道配合面(18)之間徑向過(guò)盈配合(13)處的過(guò)盈量沿著軸向方向從左至右依次增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓渦輪后軸，其特征在于:所述前延伸段配合面(15)的錐度為1Uf /21|;式中，X1為前延伸段配合面截面左端點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，Y1為前延伸段配合面 ^Fl 一 X2 丨截面左端點(diǎn)的軸向坐標(biāo)，X2為前延伸段配合面截面右端點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，72為前延伸段配合面截面右端點(diǎn)的軸向坐標(biāo)。
3.—種權(quán)利要求1所述低壓渦輪后軸的設(shè)計(jì)方法，其特征在于采用以下步驟: 步驟一、在商用有限元軟件ANSYS中建立低壓渦輪后軸與封嚴(yán)跑道裝配體的等效簡(jiǎn)化模型，假設(shè)鉚接銷(xiāo)釘處的連接強(qiáng)度滿(mǎn)足工程要求，將鉚接銷(xiāo)釘連接處固連起來(lái)，忽略通油孔、通氣孔、螺栓孔、鉚接銷(xiāo)釘孔和封嚴(yán)篦齒的齒狀結(jié)構(gòu)，把裝配體簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的二維平面模型，在建模時(shí)使 前延伸段配合面各處的徑向坐標(biāo)比封嚴(yán)跑道配合面的徑向坐標(biāo)小Λ=0.1_，來(lái)模擬前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合的過(guò)盈量，將其作為形狀優(yōu)化問(wèn)題的初始設(shè)計(jì)；設(shè)定Xl、yi和X2為可變參數(shù)；其中，X1為前延伸段配合面截面左端點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，Y1為前延伸段配合面截面左端點(diǎn)的軸向坐標(biāo)，X2為前延伸段配合面截面右端點(diǎn)的徑向坐標(biāo)； 步驟二、對(duì)低壓渦輪后軸和封嚴(yán)跑道分別賦以各自的材料屬性； 步驟三、設(shè)定網(wǎng)格邊長(zhǎng)，對(duì)裝配體使用平面實(shí)體單元?jiǎng)澐纸Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格；在前延伸段配合面的實(shí)體單元上生成一層目標(biāo)單元作為目標(biāo)面，在封嚴(yán)跑道配合面的實(shí)體單元上生成一層接觸單元作為接觸面，對(duì)目標(biāo)單元和接觸單元賦以相同的實(shí)常數(shù)編號(hào)來(lái)將目標(biāo)面和接觸面識(shí)別為接觸對(duì)，用以模擬前延伸段配合面與封嚴(yán)跑道配合面之間的徑向過(guò)盈配合； 步驟四、對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元模型施加位移邊界條件和轉(zhuǎn)速、溫度載荷條件； 步驟五、選取步驟一中的三個(gè)可變參數(shù)中的全部或者部分作為設(shè)計(jì)變量，以前延伸段配合面上的節(jié)點(diǎn)的最大徑向位移為目標(biāo)函數(shù)，將接觸單元的接觸壓力不小于一個(gè)較小的正壓力作為第一個(gè)約束條件，將接觸單元的接觸壓力不超過(guò)許用接觸壓力作為第二個(gè)約束條件，將低壓渦輪后軸單元的最大von Mises等效應(yīng)力和封嚴(yán)跑道單元的最大von Mises等效應(yīng)力不超過(guò)各自材料的許用應(yīng)力分別作為第三和第四個(gè)約束條件，將裝配體的質(zhì)量不超過(guò)上限作為第五個(gè)約束條件，最后根據(jù)需要增加其他約束條件，建立形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型:
【文檔編號(hào)】F16B4/00GK104019091SQ201410257707
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】張衛(wèi)紅, 牛草, 羅雅文, 張治東, 王冰旭 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)