CN113153445B - 涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构和涡轮发动机，包括涡轮盘和叶片，涡轮盘包括涡轮盘主体和榫头结构，榫头结构包括第一榫头和位于第一榫头中间端部的第二榫头，第一榫头的两侧对称分布有凸齿，相邻两个榫头结构之间形成凹槽结构；叶片包括叶片主体，用于与榫头结构榫接配合的榫槽结构，榫槽结构包括与第一榫头榫接配合的第一榫槽，与第二榫头榫接配合并处于第一榫槽内部的第二榫槽；第一榫槽包括第三榫槽和第四榫槽；第一榫槽靠近凹槽结构的一端与凹槽结构之间设有用于叶片轴向限位的限位件。本发明的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，避免单级涡轮转子叶片数目减小，典型榫接结构叶片缘板悬臂过大，造成应力过大的问题。

Description

涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别地，涉及一种涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构。此外，本发明还涉及一种包括上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构的燃气涡轮发动机。

背景技术

目前涡轮工作叶片与涡轮盘采用榫接方式进行连接，如图1和图2所示，叶片榫头呈现楔形，两侧做有对称分布的梯形或半圆形齿，涡轮盘盘缘上相应地做有同样型面的榫槽。工作时叶片的离心力迫使榫头的所有齿的支撑表面压在轮盘的榫齿上。在叶片的离心力和弯曲力矩的作用下，榫齿承受着剪切和弯曲，榫头的所有齿的工作表面承受挤压，榫头各截面承受拉伸。目前航空发动机快速发展，其功率/重量比率在不断上升，涡轮工作叶片的每级叶片数量呈现下降的趋势。但是随着每级叶片数目的减少，涡轮工作叶片缘板的悬臂长度(如图1中L1和L2所示)会增大，缘板与伸根相接的位置应力将增大，叶片强度将难以满足设计要求。

发明内容

本发明提供了一种涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，以解决随着每级转子叶片数目的减少，涡轮工作叶片缘板的悬臂长度增大，导致缘板与伸根相接位置应力增大，使得叶片强度将难以满足设计要求的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，包括涡轮盘和若干均布于涡轮盘周边的叶片，涡轮盘包括涡轮盘主体，处于涡轮盘主体外周均匀布设有的榫头结构，榫头结构包括第一榫头和位于第一榫头中间端部的第二榫头，第一榫头的两侧对称分布有凸齿，相邻两个榫头结构之间形成凹槽结构；叶片包括叶片主体，处于叶片主体的缘板处设有用于与榫头结构榫接配合的榫槽结构，榫槽结构包括与第一榫头榫接配合的第一榫槽，与第二榫头榫接配合并处于第一榫槽内部的第二榫槽；第一榫槽包括与第一榫头一侧凸齿的型面配合的第三榫槽，与第一榫头另一侧凸齿的型面配合的第四榫槽；第一榫槽靠近凹槽结构的一端与凹槽结构之间设有用于叶片轴向限位的限位件。

进一步地，叶片主体的缘板的周向宽度与榫槽结构的周向宽度相等。

进一步地，第一榫槽周向宽度小于凹槽结构周向宽度的一半；第二榫槽周向宽度小于凹槽结构周向宽度的一半。

进一步地，第一榫槽采用纵树形榫槽；第一榫头采用与第一榫槽相配合的纵树形榫头。

进一步地，第二榫槽和第二榫头的横截面为相互配合的凸字形结构。

进一步地，限位件采用锁片、导流盘、挡板、涨圈中的一种。

进一步地，锁片采用长方体结构；锁片包括基体和折叠段，折叠段布设在基体的两端可自由弯折用于与涡轮盘贴合并锁紧连接。

进一步地，叶片主体的缘板上包括1个叶型、2个叶型或3个叶型。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机，包括上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，包括涡轮盘和叶片，通过在叶片缘板处设计有榫槽结构，涡轮盘设有与榫槽结构匹配的榫头结构，实现叶片与涡轮盘的锁紧连接，改变了传统的涡轮盘与叶片的固定方式中，即涡轮叶片通过榫头与涡轮盘上的榫槽结构相配合，叶片缘板处的榫槽结构，避免了单级涡轮转子叶片数目减小，而典型榫接结构叶片缘板悬臂过大，而造成应力过大的问题。叶片的榫槽结构可以自由地装入涡轮盘的榫头结构上，再通过限位件对叶片进行轴向限位，限制叶片轴向移动。工作时叶片的离心力迫使叶片的榫槽结构上的榫头压在涡轮盘的凸齿上，离心力和弯曲力矩的传递路线分别由榫槽结构的两端向中间位置的涡轮盘的榫头结构传递，再传递至涡轮盘主体上，从而分散了叶片工作表面承受挤压应力。上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，设计新颖，装配简单、方便，实用性强，且性能稳定。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的涡轮工作叶片与涡轮盘的榫接连接示意图；

图2是现有的涡轮工作叶片作用力传递路线；

图3是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构图；

图4是本发明优选的叶片结构图；

图5是本发明优选的涡轮盘结构图；

图6是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构装配图；以及

图7是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构中的叶片作用力传递路线图。

附图标号说明：

1、涡轮盘；2、叶片；3、限位件；

11、涡轮盘主体；12、榫头结构；121、第一榫头；122、第二榫头；13、凹槽结构；

21、叶片主体；22、榫槽结构；221、第一榫槽；2211、第三榫槽；2212、第四榫槽；222、第二榫槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是现有的涡轮工作叶片与涡轮盘的榫接连接示意图；图2是现有的涡轮工作叶片作用力传递路线；图3是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构图；图4是本发明优选的叶片结构图；图5是本发明优选的涡轮盘结构图；图6是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构装配图；图7是本发明优选的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构中的叶片作用力传递路线图。

如图3、图4、图5和图7所示，本实施例的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，包括涡轮盘1和若干均布于涡轮盘1周边的叶片2，涡轮盘1包括涡轮盘主体11，处于涡轮盘主体11外周均匀布设有的榫头结构12，榫头结构12包括第一榫头121和位于第一榫头121中间端部的第二榫头122，第一榫头121的两侧对称分布有凸齿，相邻两个榫头结构12之间形成凹槽结构13；叶片2包括叶片主体21，处于叶片主体21的缘板处设有用于与榫头结构12榫接配合的榫槽结构22，榫槽结构22包括与第一榫头121榫接配合的第一榫槽221，与第二榫头122榫接配合并处于第一榫槽221内部的第二榫槽222；第一榫槽221包括与第一榫头121一侧凸齿的型面配合的第三榫槽2211，与第一榫头121另一侧凸齿的型面配合的第四榫槽2212；第一榫槽221近凹槽结构13的一端与凹槽结构13之间设有用于叶片2轴向限位的限位件3。本发明的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，包括涡轮盘1和叶片2，通过在叶片2缘板处设计有榫槽结构22，涡轮盘1设有与榫槽结构22匹配的榫头结构12，实现叶片2与涡轮盘1的锁紧连接，改变了传统的涡轮盘1与叶片2的固定方式中，即涡轮转子叶片2通过榫头与涡轮盘1上的榫槽结构22相配合，叶片2缘板处的榫槽结构22，避免了单级涡轮转子叶片2数目减小，而典型榫接结构叶片2缘板悬臂过大，而造成应力过大的问题。叶片2的榫槽结构22可以自由地装入涡轮盘1的榫头结构12上，再通过限位件3对叶片2进行轴向限位，限制叶片2轴向移动。上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，设计新颖，装配简单、方便，实用性强，且性能稳定。

如图2和图4所示，采用典型榫接结构的燃气涡轮转子结构，当叶片2数目减小后，叶片2缘板悬臂段L1增长，而缘板与伸根的转接导圆处的应力将增大，强度难以接受，因此，采用上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构L1缩短，使得转接导圆处的应力可以控制在许用范围内。

上述涡轮盘1既可以依据叶片2的结构重新设计成榫头结构12，也可以采用现有的涡轮盘1，以将现有的涡轮盘的两个榫槽之间的凸体当作榫头结构12，榫槽的榫齿当作榫头结构12的凸齿，榫槽当作凹槽结构13，从而不改变原涡轮盘的结构，仅需要制造新的叶片2，降低制造成本，增加工作效率。

本实施例中，叶片主体21的缘板的周向宽度与榫槽结构22的周向宽度相等。上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构为解决典型榫接结构缘板出现大悬臂结构，将榫槽结构22的周向宽度设计成与叶片主体21的缘板的周向宽度相同，即榫槽结构22与缘板的周向方向的两端对齐，减小转动时对周围气流的扰动，进一步保证了发动机涡轮结构的稳定性。而且，由于榫槽结构22包括第一榫槽221和第二榫槽222，第一榫槽221和第二榫槽222分别位于榫头结构12的左右两侧，也即落入到前一凹槽结构13内和后一凹槽结构13内，因此采用榫槽结构22与缘板的周向方向的两端对齐，便于进入凹槽结构13内。

本实施例中，第一榫槽221周向宽度小于凹槽结构13周向宽度的一半。第二榫槽222周向宽度小于凹槽结构13周向宽度的一半。上述相邻两个榫头结构12之间形成凹槽结构13，榫头结构12与榫槽结构22榫接配合，榫槽结构22的第一榫槽221和第四榫槽2212分别位于榫头结构12的两端，也即分别落入到榫头结构12两端的前一凹槽结构13内和后一凹槽结构13内，从而使得一个凹槽结构13容纳上一个榫槽结构22的第四榫槽2212和下一个榫槽结构22的第三榫槽2211。因此，第一榫槽221周向宽度小于凹槽结构13周向宽度的一半。第二榫槽222周向宽度小于凹槽结构13周向宽度的一半。以使得榫槽结构22可落入凹槽结构13内，以实现第一榫槽221的端部与凹槽结构13之间安装限位件3。并且，第一榫槽221与第二榫槽222总的周向宽度小于凹槽结构13周向宽度，以使得进入凹槽结构13内的第一榫槽221与凹槽结构13间隙配合，并留有间隙，以防止榫槽结构22发生变形挤压涡轮盘1而影响涡轮盘1的结构稳定性。

本实施例中，第一榫槽221采用纵树形榫槽。第一榫头121采用与第一榫槽221相配合的纵树形榫头。上述第一榫槽221采用纵树形榫槽，第一榫头121采用纵树形榫头，通过纵树形榫头和纵树形榫槽的相互配合，保证了第一榫头121与第一榫槽221之间配合的稳定性。

本实施例中，第二榫槽222和第二榫头122的横截面为相互配合的凸字形结构。上述第二榫槽222和第二榫头122的横截面为相互配合的凸字形结构，且该凸字形结构的侧端面均为平面状，第二榫头122的头部和第二榫槽222的内侧面均为平面，而不是异性形状，从而缩短了叶片2的第二榫槽222和涡轮盘1上第二榫头122的加工时间，进一步提高涡轮的制作效率。

本实施例中，限位件3采用锁片、导流盘、挡板、涨圈中的一种。用于叶片2轴向限位

如图3和图6所示，本实施例中，锁片采用长方体结构；锁片包括基体和折叠段，折叠段布设在基体的两端可自由弯折用于与涡轮盘1贴合并锁紧连接。采用的锁片为长方体结构，结构简单，叶片2与涡轮盘1之间通过榫头结构12与榫槽结构22配合，并通过锁片进一步增加榫头结构12与榫槽结构22的锁紧连接。锁片包括基体和处于基体两端的折叠段，基体的轴向长度与凹槽结构13的轴向长度相同。安装过程中，先将涡轮盘1固定，然后将叶片2和锁片装配至涡轮盘1上。其中锁片初始状态为平板，装配到涡轮盘1后，基体安装在凹槽结构13内，折叠段使用工装将其进行弯折，以紧贴涡轮盘1，从而对工作叶片2进行轴向限位，装配操作简单、方便，大大提高了叶片2与涡轮盘1固定的工作效率，而且降低了叶片2的固定难度与成本。

本实施例中，叶片主体21的缘板上包括1个叶型、2个叶型或3个叶型。上述叶片2包括叶片主体21和榫槽结构22，其中叶片主体21的缘板上可设有1个叶型、2个叶型或3个叶型，一个单元的榫槽结构22上不仅可以设有1个叶型，还可设有2个叶型或3个叶型，并且叶片2强度满足要求。通常情况以下一个叶片2仅包括1个叶型，但由于叶片2上的榫槽结构22，改变了叶片2的受力情况，实现了在缘板上可设计多个叶片2的可能。

优选地，在采用叶型较大的叶片2时，一个叶型也可采用多个榫槽结构22单元，从而适用不同的涡轮发动机的需求。也可先将多个叶片2焊接围合成圆形结构，再将整个圆形结构的叶片安装在轮盘1上。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮发动机，包括上述涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构。上述涡轮发动机包括涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，避免了典型榫接结构缘板出现大悬臂结构，且涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，设计新颖，装配简单、方便，实用性强，且性能稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，包括涡轮盘(1)和若干均布于所述涡轮盘(1)周边的叶片(2)，其特征在于，

所述涡轮盘(1)包括涡轮盘主体(11)，处于所述涡轮盘主体(11)外周均匀布设有的榫头结构(12)，

所述榫头结构(12)包括第一榫头(121)和位于所述第一榫头(121)中间端部的第二榫头(122)，所述第一榫头(121)的两侧对称分布有凸齿，相邻两个所述榫头结构(12)之间形成凹槽结构(13)；

所述叶片(2)包括叶片主体(21)，处于所述叶片主体(21)的缘板处设有用于与所述榫头结构(12)榫接配合的榫槽结构(22)，所述榫槽结构(22)包括与所述第一榫头(121)榫接配合的第一榫槽(221)，与所述第二榫头(122)榫接配合并处于所述第一榫槽(221)内部的第二榫槽(222)；

所述第一榫槽(221)包括与所述第一榫头(121)一侧凸齿的型面配合的第三榫槽(2211)，与所述第一榫头(121)另一侧凸齿的型面配合的第四榫槽(2212)；

所述叶片上的离心力和弯曲力矩的传递路线分别由榫槽结构的两端向中间位置的涡轮盘的榫头结构传递，榫头结构受到的力和力矩传递至涡轮盘主体；

所述第一榫槽(221)与所述凹槽结构(13)间隙配合，并留有间隙；

所述第一榫槽(221)靠近所述凹槽结构(13)的一端与所述凹槽结构(13)之间设有用于所述叶片(2)轴向限位的限位件(3)。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述叶片主体(21)的缘板的周向宽度与所述榫槽结构(22)的周向宽度相等。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述第一榫槽(221)周向宽度小于所述凹槽结构(13)周向宽度的一半；

所述第二榫槽(222)周向宽度小于所述凹槽结构(13)周向宽度的一半。

4.根据权利要求1所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述第一榫槽(221)采用纵树形榫槽；

所述第一榫头(121)采用与所述第一榫槽(221)相配合的纵树形榫头。

5.根据权利要求1所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述第二榫槽(222)和所述第二榫头(122)的横截面为相互配合的凸字形结构。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述限位件(3)采用锁片、导流盘、挡板、涨圈中的一种。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述锁片采用长方体结构；

所述锁片包括基体和折叠段，所述折叠段布设在所述基体的两端可自由弯折用于与所述涡轮盘(1)贴合并锁紧连接。

8.根据权利要求1所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构，其特征在于，

所述叶片主体(21)的缘板上包括1个叶型、2个叶型或3个叶型。

9.一种涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的涡轮发动机涡轮工作叶片的榫接结构。

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