和整流葉柵一體化連接的渦輪后承力機匣的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化的連接結構，屬于航空推進技術領域。
【背景技術】
[0002]在目前先進的航空燃氣渦輪發(fā)動機上，通常在渦輪和尾噴管之間安裝加力燃燒室，進行復燃加力，在發(fā)動機到達推力最大狀態(tài)后繼續(xù)增加推力。而低壓渦輪出口氣流通常不能滿足加力燃燒室對于低壓渦輪出口氣流角的要求，所以在低壓渦輪轉子和加力燃燒室之間需要加裝整流葉片，對氣流進行整流。
[0003]上述這種設計將導致后承力機匣必須向后移動來安裝額外的出口整流葉片，從而使轉子軸向長度增加，軸承支承跨度加大。相應的會增加渦輪部件數量，導致發(fā)動機重量增加，不利于提高發(fā)動機推重比。
[0004]美國普惠公司在設計PW4000型發(fā)動機時,將后承力機匣(如圖1所示)中的承力支板截面設計成葉型，承力支板可直接穿過燃氣流，即利用承力支板進行整流。但這種支板做成葉型的形式有較多缺陷，比如后承力機匣的支承剛度要求限制了承力支板的數目，但是在氣動方面又需要有足夠多的葉片數來達到良好的整流效果。
【發(fā)明內容】
[0005]為了克服現(xiàn)有技術的上述問題，本發(fā)明提供了一種渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化連接結構，該結構在不明顯改變渦輪后承力機匣應力、變形和支承剛度的情況下，能夠將整流葉柵結構與后承力機匣進行連接定位。
[0006]在根據本發(fā)明的后承力機匣和整流葉柵一體化方案中，將渦輪后承力機匣和渦輪末級整流導葉設計成一體化的結構，這樣不僅能滿足加力燃燒室對于低壓渦輪出口氣流角的要求，還可以達到縮短低壓轉子的軸向長度、減輕重量和減少零件數量的目的，從而提高發(fā)動機推重比。
[0007]與傳統(tǒng)整流葉柵結構不同地，根據本發(fā)明的一個方面，針對一體化結構中葉片需要周向離散地分布于后承力機匣各個支板之間，以及避免整流葉柵結構對后承力機匣強度和徑向剛度產生過大影響的要求，采用了葉片上緣固定，下緣只沿軸向和周向固定的“懸臂式”葉片固定結構。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0009](1)添加了整流葉柵結構，而不對原后承力機匣強度和支承剛度有明顯影響；
[0010](2)添加了整流葉柵結構，而不影響原始后承力機匣的變形協(xié)調；
[0011](3)添加了整流葉柵結構，而不需要大幅修改原始后承力機匣結構；
[0012](4)降低了渦輪部件的重量，縮短了渦輪轉子的軸向長度，提高了推重比，改善了整臺航空發(fā)動機的性能。
[0013]根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有和整流葉柵的一體化連接結構的渦輪后承力機匣，其特征在于包括:后承力機匣外環(huán)；后承力機匣內環(huán)；承力支板；沿周向離散地安裝在各個承力支板之間以及外環(huán)和內環(huán)之間的整流葉片結構。
【附圖說明】
[0014]圖1為普惠公司PW4000發(fā)動機后承力機匣；
[0015]圖2為根據本發(fā)明的一個實施例的一體化結構沿葉片剖面圖；
[0016]圖3為根據本發(fā)明的一個實施例的一體化結構三維示意圖(1/N模型，N為承力支板數)；
[0017]圖4A和圖4B為根據本發(fā)明的一個實施例的徑向螺栓結構及裝配示意圖。
[0018]圖中標號說明:
[0019]1 一徑向螺釘；2—后承力機匣外環(huán)；3—葉片上緣板；
[0020]4一葉片；5—葉片流道板； 6—葉片下緣板；
[0021]7—徑向螺栓；8—后承力機匣內環(huán)后端凸緣；
[0022]9 一后承力機匣內環(huán)；10—葉片下緣板前擋板；
[0023]11 一后承力機匣承力支板；
[0024]12一自鎖螺母；13—徑向螺檢圓柱部；
[0025]14一徑向螺栓圓柱部底面；
[0026]15—徑向螺栓螺紋部。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提供了一種渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化連接結構，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
[0028]如圖2和圖3所示，在根據本發(fā)明的一個實施例的渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化連接結構中，除了現(xiàn)有的渦輪后承力機匣結構所包括的后承力機匣外環(huán)2、后承力機匣內環(huán)9和承力支板11之外，將葉片4沿周向離散地安裝在各個承力支板11之間，葉柵結構包括葉片上緣板3、葉片4、葉片流道5和葉片下緣板6。
[0029]分別在葉片上緣板3處開螺紋孔、后承力機匣外環(huán)2對應位置處開通孔，使用徑向螺釘1將葉片上緣板3完全連接固定于后承力機匣外環(huán)2上；在葉片下緣板6前段設置擋板結構10，并做成整體，限制葉片4的下端在氣動力作用下的軸向位移；在后承力機匣內環(huán)9的后端設置凸緣8，使用一種特殊的徑向螺栓結構將葉片下緣板6后端和凸緣8進行連接。
[0030]如圖4A和圖4B所示的，是上述徑向螺栓結構及其裝配示意圖；其中，分別在葉片下緣板6后端和后承力機匣內環(huán)后端凸緣8的對應位置開通孔，其中下緣板6上的通孔孔徑R1大于凸緣8上的通孔孔徑R2。徑向螺栓7按照如下方法進行加工制作:與普通螺栓不同地，螺栓7 (見圖4B)包括上端的圓柱部13和下端的螺紋部15，且圓柱部13的直徑D1大于螺紋部15的大徑D2，直徑關系滿足R1>D1>R2>D2。裝配安裝時，將葉片下緣板6的通孔和后承力機匣9的內環(huán)后端凸緣8上的通孔對齊后，把該螺栓7沿徑向由上至下穿過，根據直徑關系R1>D1>R2>D2，螺栓圓柱部13將不能穿過凸緣8上的通孔。使用自鎖螺母12進行裝配，利用螺栓圓柱部底面14和自鎖螺母12將螺栓7固定在承力機匣凸緣8上。這種螺栓結構只約束了葉片下緣板6的軸向和周向位移，但葉片下緣板6可沿螺栓7的中心線，即渦輪后承力機匣的某徑向線自由活動。
[0031]本發(fā)明人進行了后承力機匣的強度計算，計算了后承力機匣在渦輪后高溫燃氣熱負荷下的強度和變形。其中，利用了 ANSYS有限元分析軟件，采用1/N(N為承力支板數)的周期循環(huán)對稱模型，首先通過添加后承力機匣和葉片表面沿徑向不同區(qū)域的對流換熱系數計算模擬其工作溫度場，之后采用熱固耦合的方式，以該溫度場作為模型的溫度邊界條件，并在后承力機匣外環(huán)前端面上添加軸向約束作為位移邊界條件。其中葉片與后承力機匣間的相對約束根據發(fā)明中所介紹的方式添加，葉片上緣板相對后承力機匣外環(huán)添加全約束，下緣板后端相對后承力機匣添加軸向和周向約束，以此來模擬徑向螺釘和徑向螺栓的固定作用。對后承力機匣進行強度計算分析。對原始的后承力機匣強度計算表明，由于承力支板處的溫度明顯高于內外環(huán)，熱膨脹量不同導致熱變形不協(xié)調是主要的應力產生原因。在本本發(fā)明的結構中，對整流葉柵采用懸臂的設計，可最大限度地減小由于葉柵材料的熱膨脹系數不同于同溫度下后承力機匣材料的熱膨脹系數而導致進一步的熱變形不協(xié)調問題，故而不會引起應力進一步增大。本發(fā)明進行的強度計算表明，采用本發(fā)明的一體化連接定位方式，一體化結構的最大徑向應力相對于后承力機匣幾乎沒有改變，最大徑向應力增加7 4.25%0
[0032]在本發(fā)明人對后承力機匣的支承剛度計算中，主要考察后承力機匣處于軸承載荷作用下的變形，通過計算后承力機匣內外環(huán)徑向對應位置的徑向位移差來計算其支承剛度。其中，采用全模型，葉片和后承力機匣之間的相對約束同強度計算。在后承力機匣外環(huán)前端面添加軸向約束，外環(huán)前端面正上方一點添加軸向約束，并在后承力機匣內環(huán)下半圓環(huán)添加正弦分布的單位力以模擬軸承載荷。結果顯示，采用本發(fā)明的一體化連接結構，支承剛度在周向各個位置平均增加了 1.545%。由于只在承力機匣外環(huán)和葉片上緣板處采用徑向固連，而在承力機匣內環(huán)和葉片下緣板處只限制軸向和周向位移，所以在加入整流葉柵后，整體結構的支承徑向剛度基本不變。
[0033]以上所述，僅為本發(fā)明部分【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有和整流葉柵的一體化連接結構的渦輪后承力機匣，其特征在于包括: 后承力機匣外環(huán)⑵； 后承力機匣內環(huán)(9)； 承力支板(11); 沿周向離散地安裝在各個承力支板(11)之間以及外環(huán)(2)和內環(huán)(9)之間的整流葉片結構。2.根據權利要求1所述的渦輪后承力機匣，其特征在于: 所述整流葉片結構包括葉片上緣板(3)、葉片(4)、葉片流道板(5)、葉片下緣板(6)和葉片下緣板前端擋板(10)； 所述渦輪后承力機匣具有葉柵結構，該葉柵結構包括葉片上緣板(3)、葉片(4)、葉片流道(5)和葉片下緣板(6)。3.根據權利要求2所述的渦輪后承力機匣，其特征在于: 葉片下緣板(6)的后端通過徑向螺栓(7)沿著渦輪后承力機匣的軸向和周向定位于承力機匣內環(huán)(9)的后端凸緣⑶上； 葉片流道板(5)、葉片(4)、葉片上緣板(3)和承力支板(11)之間形成氣流通道。4.根據權利要求3所述的渦輪后承力機匣，其特征在于: 葉片上緣板(3)通過徑向螺釘(1)固定于承力機匣外環(huán)(2)上， 且 徑向螺栓(7)只進行軸向和周向的定位。5.根據權利要求3所述的渦輪后承力機匣，其特征在于: 葉片上緣板(3)通過徑向螺釘(1)固定于承力機匣外環(huán)(2)上， 在葉片下緣板￠)的后端和后承力機匣內環(huán)(9)的后端凸緣(8)的對應位置上分別開有通孔，其中葉片下緣板(6)上的通孔孔徑R1大于后端凸緣(8)上的通孔孔徑R2， 在將葉片下緣板(6)的通孔和后端凸緣⑶上的通孔對齊的狀態(tài)下，把徑向螺栓(7)沿渦輪后承力機匣的的徑向由外至內穿過， 徑向螺栓(7)包括上端的圓柱部(12)和下端的螺紋部(14)，圓柱部(12)的直徑D1大于螺紋部(14)的大徑D2，直徑關系滿足R1>D1>R2>D2, 因為此關系，裝配安裝時圓柱部(12)不能穿過后端凸緣(8)上的通孔。6.根據權利要求5所述的渦輪后承力機匣，其特征在于: 使用自鎖螺母(11)進行裝配，利用圓柱部(12)的底面(13)和自鎖螺母(11)使螺栓(7)固定在后端凸緣⑶上， 從而只禁止了葉片下緣板(6)的軸向和周向位移，但葉片下緣板(6)可沿螺栓(7)的中心線即渦輪后承力機匣的徑向線移動。
【專利摘要】渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化的連接結構，它的渦輪后承力機匣部分外形與常規(guī)渦輪后承力機匣相同。其差異和特征在于：它是在常規(guī)渦輪后承力機匣的外環(huán)、內環(huán)和支板之間添加了整流葉片結構，其中葉片結構包括；葉片上緣板、葉片、葉片流道板、葉片下緣板和葉片下緣板前端擋板。葉片上緣板通過徑向螺釘固定于承力機匣外環(huán)上，葉片下緣板后端通過特殊的徑向螺栓軸向和周向定位于承力機匣內環(huán)后端凸緣上；葉片流道板、葉片、葉片上緣板和承力支板之間形成氣流通道。本發(fā)明在不大幅改變渦輪后承力機匣結構、不影響后承力機匣強度、變形協(xié)調和支撐剛度的前提下，實現(xiàn)渦輪后承力機匣和整流葉柵一體化。
【IPC分類】F02C7/20
【公開號】CN105317559
【申請?zhí)枴緾N201410234579
【發(fā)明人】胡文通, 申秀麗
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2014年5月29日