CN102588003B - 一种低应力双圆弧面直榫连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低应力双圆弧面直榫连接结构，属于机械结构连接的通用设计方法技术领域，所述的双圆弧面直榫连接结构包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，其中轮盘榫槽相对于同传统结构的轮盘榫槽相比区别在于轮盘榫槽的内壁为向内凹的圆弧形状，该内凹圆弧的弧度为π/72～π/2，叶片榫头两侧壁为向外凸起呈圆弧状，该凸起圆弧的弧度为π/72～π/2，同时榫头圆弧半径R1同榫槽圆弧半径R2的比值范围为0.5～0.99。本发明的一种双圆弧面直榫连接结构，改善了接触应力的分布形式，消除了传统平面/平面接触区边缘的峰值应力，提高了结构强度，且提高了结构抵抗微动疲劳失效的能力。

Description

一种低应力双圆弧面直榫连接结构

技术领域

本发明针对叶轮机械叶片、轮盘连接结构，属于机械结构连接的通用设计方法技术领域，特别涉及一种低应力双圆弧面直榫连接结构。

背景技术

目前，在包括航空发动机、内燃机等在内的叶轮机械叶片/轮盘连接结构中，榫连结构的应用较为广泛，其作用是用来连接工作叶片和轮盘。虽然随着工程技术的进步，出现了通过焊接形成的整体叶盘结构，但由于造价、技术成熟度等多方面的原因，使得榫连结构仍将在很长一段时间内作为叶轮机械中叶片/轮盘之间的主要连接形式。

早期的叶片/轮盘采用销钉式连接，通过销钉承担剪切载荷并传力，工作叶片依靠凸耳由销钉同轮缘的环槽相连。这种连接具有减震和消除连接处附加应力的作用，但其承载能力有限，尺寸和重量大，因而随着对叶轮机械工作条件的要求日益提高，这种连接方式逐渐被淘汰，其原因在于螺栓孔边有显著的应力集中，随着载荷的增加，孔边将出现较大区域的塑性区，使结构强度及寿命显著降低。而榫连结构则使工作叶片通过榫头安装在轮缘处相应的榫槽内，通过榫槽侧面的接触面进行定位和传力。二者之间通常采用间隙配合，叶片安装方便，同时避免了在榫槽内出现装配应力。比较而言，其接触承载面积较大，应力水平较低且分布较为均匀，是目前叶轮机械中叶片/轮盘之间的主要连接方式。对于风扇/压气机通常采用燕尾型榫连结构，对于涡轮则通常采用枞树型榫连结构。一般的榫连结构其接触面沿叶轮机械旋转轴的轴线方向为平面，称其为直榫，本发明即是一种新型的直榫连接；此外，在一些先进的高推重比航空发动机的风扇榫连结构中，出现了圆弧榫(例如CFM56-7型发动机)，即叶片榫头及轮盘榫槽沿叶轮机械旋转轴的轴线方向均为圆弧形，这样可以保证在叶片数目相同的条件下，增大轮毂比，使风扇的气动性能得到提高。

叶轮机械的叶片承受的载荷较为复杂，通常包括叶片离心力、叶片气动载荷以及由气流冲击导致的振动，对于涡轮叶片及轮盘还将承受较高的热负荷。因此，榫连结构在这些载荷直接或间接的作用下，将在接触面之间产生较大的接触应力，在循环载荷的作用下，导致榫连结构发生疲劳失效。微动疲劳是榫连结构一种主要的失效模式，也是榫连结构工程设计及优化的关注点。

大量研究表明，传统的采用平面接触的榫连结构接触区边缘存在显著的应力集中，这种高梯度接触应力是导致榫连结构发生微动疲劳失效的重要原因。通过对榫连结构关键几何参数(例如接触角、接触区边缘圆角半径、接触区长度等等)进行优化，可使接触区边缘的峰值应力减低，提高结构强度及寿命。但只要采用直线/直线(二维条件下)的接触方式，就无法消除接触区边缘的高梯度应力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低应力双圆弧面直榫连接结构，目的在于改善传统榫连结构接触区边缘存在高梯度应力的状况，进而增强榫连结构抗微动磨损及疲劳的能力，并由此提供一种由圆弧面/圆弧面作为接触面的直榫连接结构。

本发明中所述双圆弧面直榫连接结构是在传统平面接触直榫连接结构的基础上发展而来的，该结构包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，发明的创新处在于叶片及榫槽的接触面设计。叶片榫头的侧接触面向外凸起呈圆弧状，轮盘榫槽接触面内凹呈圆弧状，若以垂直于叶轮机械轴线的平面作为切面，形成的接触线呈现为圆弧/圆弧内切接触的形式。这使得工作载荷下叶片/轮盘的接触应力分布形式发生了较大的改变。

本发明提出的一种低应力双圆弧面直榫连接结构，包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，同时榫头圆弧半径R1同榫槽圆弧半径R2的比值范围为0.5～0.99。

所述的叶片榫头为直线形榫头，叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向分为上下榫头两部分，上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，下部榫头的两侧侧壁为向外侧均匀凸起的圆弧形侧壁，形成为一种双方向圆弧形的空间曲面；

所述的轮盘榫槽沿水平平面方向也为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽为两侧内壁向上张开的水平壁面结构，下部榫槽为两侧内壁向下张开，并向内凹形成圆弧形内壁结构，叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头的两侧凸起的圆弧形侧壁面与下部榫槽两侧向内凹的圆弧形内壁之间的接触为圆弧面/圆弧面接触。

本发明的优点在于：

(1)本发明的一种双圆弧面直榫连接结构，改善了接触应力的分布形式，消除了传统平面/平面接触区边缘的峰值应力，提高了结构强度。

(2)传统平面/平面接触区边缘的峰值应力是导致榫连结构发生微动疲劳失效的重要原因，由于本发明中的双圆弧面直榫连接结构使接触应力分布形式发生改变，进而提高了结构抵抗微动疲劳失效的能力。

附图说明

图1为几种典型的接触形式及其应力分布特征曲线图；

图2为本发明提出的双圆弧面直榫连接结构的整体结构示意图；

图3为本发明提出的双圆弧面直榫连接结构的截面结构示意图；

图4为本发明双圆弧面直榫连接结构叶片榫头结构示意图；

图5为本发明双圆弧面直榫连接结构叶片榫头局部放大结构示意图；

图6为本发明双圆弧面直榫连接结构轮盘榫槽结构示意图；

图7为本发明双圆弧面直榫连接结构轮盘榫槽局部放大结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种低应力双圆弧面直榫连接结构，包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，其中轮盘榫槽相对于同传统结构的轮盘榫槽相比区别在于轮盘榫槽的内壁为向内凹的圆弧形状，该内凹圆弧的弧度为π/72～π/2，叶片榫头两侧壁为向外凸起呈圆弧状，该凸起圆弧的弧度为π/72～π/2，同时榫头圆弧半径R1同榫槽圆弧半径R2的比值范围为0.5～0.99。

圆弧面/圆弧面之间的接触同典型的赫兹接触十分接近，其产生的压力曲线形式接近椭圆形，不存在较大的峰值应力。因此，将内切的圆弧接触体应用于榫连结构当中，就可以有效地降低接触区的峰值应力，提高榫连结构的强度和疲劳性能。如图1所示的几种典型的接触形式及其应力分布特征，可以看出：传统的直线/直线接触导致了较高的峰值应力；圆弧/直线接触为赫兹接触，其接触应力的分布形式为椭圆形；圆弧面内切或外切时的应力分布则接近椭圆形，在比较上述几种情况，圆弧面内切的接触状态下，接触峰值应力是最小的。

如图2和图3所示，所述的叶片榫头为直线形榫头，即叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向为凸形结构，分为上下榫头两部分，上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，如图4和图5所示，下部榫头的两侧侧壁为向外侧均匀凸起的圆弧形侧壁，该圆弧形侧壁的弧度为π/72～π/2(即弦长h1同半径R1之间的比值约在0.087～1.414之间)，形成为一种双方向圆弧形的空间曲面，且下部榫头的两侧侧壁与下部榫头底边之间的连接为导角结构，导角角度为35°～75°(此角度也即榫头/榫槽工作时的接触角)，上部榫头的两侧侧壁与下部榫头的两侧侧壁之间的连接也为导角连接，导角角度为125°～165°，上部榫头和下部榫头的高度比为0.4～1.0，上部榫头顶边的宽度与下部榫头底边宽度的比值范围为0.5～0.9，上下部榫头整体高度与下部榫头底边的宽度的比值范围为1.0～3.0。

如图6和图7所示，所述的轮盘榫槽沿水平平面方向也为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽为两侧内壁向上(向榫槽开口方向)微微张开的水平壁面结构，两侧内壁面与竖直方向的夹角为5°～10°，下部榫槽为两侧内壁向下(向榫槽槽底方向)张开，并向内凹的圆弧形内壁结构，弧度为π/72～π/2(即弦长h2同半径R2之间的比值约在0.044～1.414之间，同时其圆弧半径R2应略大于榫头圆弧面半径R1，R1/R2的范围为0.5～0.99)，两侧内壁与竖直方向的夹角为15°～55°(此角度同榫头/榫槽工作时的接触角形成互余关系)。上部榫槽的两侧内壁和下部榫槽的两侧内壁之间的连接部分为导角连接，导角角度为115°～160°，下部榫槽的两侧内壁与下部榫槽的槽底之间的连接部分为导角连接，导角角度为35°～75°。叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头的两侧凸起的圆弧形侧壁面与下部榫槽两侧向内凹的圆弧形内壁之间的接触为圆弧面/圆弧面接触，这使得工作载荷下叶片/轮盘的接触应力分布形式发生了较大的改变。上部榫槽的深度大于等于上部榫头的高度，下部榫槽的深度大于下部榫头的高度。

本发明提出的一种低应力双圆弧面直榫连接结构，其接触面内凹成为圆弧形的接触曲面，榫槽的作用是将叶片榫头包住，将其同轮盘相连，工作时由轮盘带动叶片旋转，对气体进行做功。此结构可应用于各种大小推力/功率叶轮机械风扇/压气机的叶片/轮盘的连接当中。

从上述对本发明的描述可以看出，本发明的技术方案能够缓解传统榫连结构接触区边缘峰值应力高、抗微动疲劳性能差的缺点，可提高结构的强度及寿命。

Claims (4)

1.一种低应力双圆弧面直榫连接结构，其特征在于：包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分；

所述的叶片榫头为直线形榫头，叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向分为上下榫头两部分，所述的下部榫头的两侧侧壁与下部榫头底边之间的连接为导角结构，导角角度为35°～75°；上部榫头的两侧侧壁与下部榫头的两侧侧壁之间的连接也为导角连接，导角角度为125°～165°；上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，下部榫头的两侧侧壁为向外侧均匀凸起的圆弧形侧壁，圆弧形侧壁的弧度为π/72～π/2；形成为一种双方向圆弧形的空间曲面；

所述的轮盘榫槽沿水平平面方向也为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽的两侧内壁和下部榫槽的两侧内壁之间的连接部分为导角连接，导角角度为115°～160°，下部榫槽的两侧内壁与下部榫槽的槽底之间的连接部分为导角连接，导角角度为35°～75°；上部榫槽为两侧内壁向上张开的水平壁面结构，下部榫槽为两侧内壁向下张开，并向内凹形成圆弧形内壁结构，圆弧形内壁的弧度为π/72～π/2，叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头的两侧凸起的圆弧形侧壁面与下部榫槽两侧向内凹的圆弧形内壁之间的接触为圆弧面/圆弧面接触；所述的下部榫头的圆弧形侧壁弧度与下部榫槽的圆弧形内壁的弧度的比值为0.5～0.99。

2.根据权利要求1所述的一种低应力双圆弧面直榫连接结构，其特征在于：所述的上部榫头和下部榫头的高度比为0.4～1.0；上部榫头顶边的宽度与下部榫头底边宽度的比值范围为0.5～0.9，上下部榫头整体高度与下部榫头底边的宽度的比值范围为1.0～3.0。

3.根据权利要求1所述的一种低应力双圆弧面直榫连接结构，其特征在于：所述的上部榫槽的两侧内壁面与竖直方向的夹角为5°～10°，所述的下部榫槽的两侧内壁面与竖直方向的夹角的夹角为15°～55°。

4.根据权利要求1所述的一种低应力双圆弧面直榫连接结构，其特征在于：所述的上部榫槽的深度大于等于上部榫头的高度，下部榫槽的深度大于下部榫头的高度。