輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，包括步驟：計算得到燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子所受的最大重力彎矩Mb及相應(yīng)接觸界面位置，并確定燃?xì)廨啓C(jī)運行時傳遞的扭矩Mt；得到受重力彎矩最大的接觸界面其截面對直徑的軸慣性矩Id和截面面積A；計算轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大接觸界面處重力產(chǎn)生的最大脫開應(yīng)力σ和拉桿預(yù)緊力F產(chǎn)生的名義壓應(yīng)力Pa，定義彎曲剛度無量綱系數(shù)為γb＝σ/Pa，設(shè)置拉桿預(yù)緊力，使彎曲剛度無量綱系數(shù)小于1.0；計算端面齒接觸界面上扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力Fva，定義扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)為γt＝Fva/F，校核扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)的數(shù)值，當(dāng)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)均小于1.0時，燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力能夠確保輪盤之間接觸面不脫開。
【專利說明】輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]重型燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子是一種典型的組合式轉(zhuǎn)子，由一根中心拉桿或者多根周向拉桿穿過各級輪盤，通過對拉桿施加預(yù)緊力并把緊兩端軸頭的拉桿螺栓，將輪盤壓緊以將組合轉(zhuǎn)子結(jié)合為一體。由于這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子重量輕、易于裝配且具有良好的冷卻效果，在燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)和航空發(fā)動機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。此時轉(zhuǎn)子不再是連續(xù)的整體，在多種工作載荷作用下，拉桿預(yù)緊力太小時轉(zhuǎn)子將不能正常連接和運轉(zhuǎn)；預(yù)緊力太大時拉桿螺栓和其他部件的強(qiáng)度安全儲備將降低。拉桿預(yù)緊力大小的確定一直是拉桿轉(zhuǎn)子設(shè)計中極為重要的問題。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]本發(fā)明的目的是提供一種輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其通過控制定義的關(guān)鍵參數(shù):彎曲剛度無量綱系數(shù)的數(shù)值來設(shè)置合適的拉桿預(yù)緊力，同時校核扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)，保證燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)轉(zhuǎn)子的安全運行。
[0004]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0005]輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，包括以下步驟:
[0006]I)計算燃?xì)廨啓C(jī)在靜態(tài)軸承支承時其重力彎矩沿軸向的分布，得到燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子所受的最大重力彎矩Mb及其位置，同時確定燃?xì)廨啓C(jī)運行時傳遞的扭矩Mt ；
[0007]2)計算轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大處接觸界面的截面參數(shù)，計算截面參數(shù)時將端面齒接觸面近似為平面圓環(huán)，該截面參數(shù)包括截面對直徑的軸慣性矩Id和截面面積A ;
[0008]3)計算轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大接觸界面處重力產(chǎn)生的最大脫開應(yīng)力σ和拉桿預(yù)緊力F產(chǎn)生的壓應(yīng)力Pa，其公式如下:
[0009]σ =MbUId(I)
[0010]式中Aut為接觸面外半徑；
[0011]Pa = F/A (2)
[0012]定義彎曲剛度無量綱系數(shù)為Yb，其公式如下:
[0013]Yb= σ /Pa(3)
[0014]確定彎曲剛度無量綱系數(shù)的數(shù)值，對于實際的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子，設(shè)置拉桿預(yù)緊力F，使彎曲剛度無量綱系數(shù)小于1.0 ；
[0015]4)計算端面齒接觸面上扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力Fva，公式如下:
[0016]Fva = 4Mt X tan ( a /2) / (Rin+Rout)(4)
[0017]式中:α為齒形角，Rin為截面內(nèi)半徑；[0018]定義扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)為Yt:
[0019]Y t = Fva/F(5)
[0020]校核扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Yt的數(shù)值，調(diào)整拉桿預(yù)緊力F，確保彎曲剛度無量綱系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)均小于1.0 ；
[0021]當(dāng)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)均小于1.0時，燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力能夠確保輪盤之間接觸面不脫開。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟I)中，采用有限元方法計算重力彎矩，燃?xì)廨啓C(jī)運行時傳遞的扭矩Mt為燃?xì)廨啓C(jī)的額定扭矩。
[0023]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟2)中，計算截面為轉(zhuǎn)子輪盤之間的接觸面，即受重力彎矩最大的輪盤接觸面。
[0024]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟3)中，當(dāng)彎曲剛度無量綱系數(shù)小于1.0時，輪盤之間接觸面接觸良好；當(dāng)彎曲剛度無量綱系數(shù)大于等于1.0時，輪盤之間接觸面開始發(fā)生脫離。
[0025]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，彎曲剛度無量綱系數(shù)取0.1。
[0026]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟4中)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)小于1.0時，輪盤之間接觸面接觸良好；當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)大于等于1.0時，輪盤之間接觸面開始發(fā)生滑移。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0028]本發(fā)明定義了物理意義明確的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)，確定了輪盤之間通過端面齒連接的重型燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子拉桿預(yù)緊力的設(shè)計方法和校核準(zhǔn)則，為燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)拉桿轉(zhuǎn)子拉桿預(yù)緊力的設(shè)置提供了依據(jù)，為以后燃?xì)廨啓C(jī)的自主設(shè)計打下了基礎(chǔ)，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0029]圖1是某燃機(jī)典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中:1、2為軸承支承位置；3、轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大位置；
[0031]圖2是輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法的流程圖；
[0032]圖3是燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子輪盤之間接觸面在受彎矩作用下的應(yīng)力分布示意圖；
[0033]圖4是燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子輪盤之間端面齒接觸面受扭矩載荷時端面齒的受力分析示意圖；
[0034]圖5是不考慮微觀接觸效應(yīng)的情況下，拉桿轉(zhuǎn)子接觸面的彎曲剛度隨彎曲剛度無量綱系數(shù)的變化關(guān)系示意圖；
[0035]圖6是不考慮微觀接觸效應(yīng)的情況下，拉桿轉(zhuǎn)子接觸面的扭轉(zhuǎn)剛度隨扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)的變化關(guān)系示意圖；
[0036]圖7是端面齒的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)明了內(nèi)外徑。
【【具體實施方式】】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0038]圖1為某燃機(jī)典型結(jié)構(gòu)示意圖，軸承一般在軸承支承位置I和軸承支承位置2，在軸承支承時轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大的接觸面一般出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大位置3處。
[0039]參見圖2至圖7，本發(fā)明輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，包括以下步驟:
[0040]I)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子所受重力彎矩的計算和作用在轉(zhuǎn)子上扭矩的確定。
[0041]為得到較為精確的轉(zhuǎn)子重力彎矩沿軸線變化的數(shù)據(jù)，一般用材料力學(xué)或有限元方法對重力彎矩進(jìn)行計算。在兩端軸承處剛支，添加重力載荷，提取輪盤之間接觸面上的支反彎矩，作出重力彎矩沿轉(zhuǎn)子軸線的變化曲線，找出受到重力彎矩最大的接觸面。作用在轉(zhuǎn)子上的扭矩一般為轉(zhuǎn)子運行時的額定扭矩。
[0042]2)接觸面截面參數(shù)的計算。
[0043]采用常規(guī)方法計算步驟I)得到受到重力彎矩最大接觸界面的截面面積A，截面對直徑的軸慣性矩Id，計算截面參數(shù)時將端面齒接觸面近似為平面圓環(huán)。
[0044]3)重力產(chǎn)生的最大脫開應(yīng)力和拉桿預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力計算。
[0045]燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子通過拉桿螺栓將輪盤和軸頭預(yù)緊組合在一起，輪盤之間的通過鼓環(huán)狀結(jié)構(gòu)連接，接觸平面一般為圓環(huán)面。對于圓環(huán)，受彎矩Mb作用時的應(yīng)力分布如附圖3所示。此時彎矩在接觸平面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力σ =MbRtjutAd,其中Rwt為圓環(huán)接觸面外半徑。拉桿預(yù)緊力F產(chǎn)生的壓應(yīng)力Pa = F/A。
[0046]4)扭矩在端面齒接觸面上產(chǎn)生的軸向脫開力計算。 [0047]燃?xì)廨啓C(jī)輪盤之間的端面齒齒面受力情況如附圖4所示。此時扭矩在接觸平面上產(chǎn)生的軸向脫開力 Fva = 4Mt X tan ( α /2) / (Rin+Rout)。
[0048]5)計算彎曲剛度無量綱系數(shù)Yb=O /Pa0
[0049]其物理意義為重力產(chǎn)生的最大脫開應(yīng)力與拉桿預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力的比值。若Yb〈1.0表示接觸面所受的脫開力小于壓緊力，接觸面接觸良好；若YbS 1.0表示接觸面所受的脫開力大于壓緊力，接觸面開始發(fā)生脫離，這種情況在實際運行過程中是不允許出現(xiàn)的。圖5為某輪盤之間接觸面為端面齒的燃?xì)廨啓C(jī)，其接觸界面的彎曲剛度隨彎曲剛度無量綱系數(shù)的變化情況。接觸界面剛度可以直觀地表征接觸段的接觸狀態(tài)?？梢钥闯?，在彎曲剛度無量綱系數(shù)Yb〈l.0時，接觸面接觸良好，接觸段的剛度基本不變；在彎曲剛度無量綱系數(shù)YbS 1.0時，接觸段的接觸剛度急劇下降，表明接觸段已經(jīng)開始發(fā)生脫離。
[0050]6)計算扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Y t = Fva/F。
[0051]其物理意義為扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力與拉桿預(yù)緊力的比值。若Yt〈1.0表示端面齒接觸面所受的扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力小于預(yù)緊力，接觸面接觸良好D ?.ο表示端面齒接觸面所受的扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力大于預(yù)緊力，接觸面開始發(fā)生滑移，這種情況在實際運行過程中是不允許出現(xiàn)的。圖6為某輪盤之間接觸面為端面齒的燃?xì)廨啓C(jī)，其接觸界面的扭轉(zhuǎn)剛度隨扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)的變化情況。在扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Yt〈1.0時，接觸面接觸良好，接觸段的扭轉(zhuǎn)剛度基本不變；在扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Yt>1.0時，接觸段的扭轉(zhuǎn)接觸剛度急劇下降，表明接觸面已經(jīng)開始發(fā)生滑移。
[0052]7)根據(jù)彎曲剛度無量綱系數(shù)Yb和最大脫開應(yīng)力σ，得出所需的設(shè)計拉桿預(yù)緊力值:F = Ao ;
[0053]彎曲剛度無量綱系數(shù)Yb必須小于1.0，為保證足夠的安全裕量使接觸面不致脫開同時兼顧轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度儲備，彎曲剛度無量綱系數(shù)Yb—般取0.1。
[0054]8)校核扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)的數(shù)值，至少需要保證扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Y t小于1.0。為保證安全需要留有一定的安全裕量。
【權(quán)利要求】
1.輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)計算燃?xì)廨啓C(jī)在靜態(tài)軸承支承時其重力彎矩沿軸向的分布，得到燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子所受的最大重力彎矩Mb及其位置，同時確定燃?xì)廨啓C(jī)運行時傳遞的扭矩Mt ； 2)計算轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大處接觸界面的截面參數(shù)，計算截面參數(shù)時將端面齒接觸面近似為平面圓環(huán)，該截面參數(shù)包括截面對直徑的軸慣性矩Id和截面面積A ; 3)計算轉(zhuǎn)子受重力彎矩最大接觸界面處重力產(chǎn)生的最大脫開應(yīng)力σ和拉桿預(yù)緊力F產(chǎn)生的壓應(yīng)力Pa，其公式如下: ο = MbR0Ut/Id (I) 式中:R?t為接觸面外半徑； Pa = F/A(2) 定義彎曲剛度無量綱系數(shù)為Yb，其公式如下: Y b = 0 /Pa⑶ 確定彎曲剛度無量綱系數(shù)的數(shù)值，對于實際的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子，設(shè)置拉桿預(yù)緊力F，使彎曲剛度無量綱系數(shù)小于1.0 ； 4)計算端面齒接觸面上扭矩產(chǎn)生的軸向脫開力Fva，公式如下:
Fva = 4MtXtan(a/2)/(Rin+R0Ut) (4) 式中:a為齒形角，Rin為截面內(nèi)半徑； 定義扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)為Yt: Yt = Fva/F(5) 校核扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)Yt的數(shù)值，調(diào)整拉桿預(yù)緊力F，確保彎曲剛度無量綱系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)均小于1.0 ； 當(dāng)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)均小于1.0時，燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力能夠確保輪盤之間接觸面不脫開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，步驟I)中，采用有限元方法計算重力彎矩，燃?xì)廨啓C(jī)運行時傳遞的扭矩Mt為燃?xì)廨啓C(jī)的額定扭矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，步驟2)中，計算截面為轉(zhuǎn)子輪盤之間的接觸面，即受重力彎矩最大的輪盤接觸面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，步驟3)中，當(dāng)彎曲剛度無量綱系數(shù)小于1.0時，輪盤之間接觸面接觸良好；當(dāng)彎曲剛度無量綱系數(shù)大于等于1.0時，輪盤之間接觸面開始發(fā)生脫離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，彎曲剛度無量綱系數(shù)取0.1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪盤間端面齒接觸的燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子預(yù)緊力設(shè)計校核方法，其特征在于，步驟4中)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)小于1.0時，輪盤之間接觸面接觸良好；當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度無量綱系數(shù)大于等于1.0時，輪盤之間接觸面開始發(fā)生滑移。
【文檔編號】F01D5/02GK104018887SQ201410234823
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】袁奇, 劉昕, 劉洋 申請人:西安交通大學(xué)