集成式锁片、涡轮转子及其装配方法与流程

1.本发明涉及涡轮转子装配技术领域，特别地，涉及一种集成式锁片，另外，还特别涉及一种采用上述集成式锁片的涡轮转子，还涉及一种上述涡轮转子的装配方法。


背景技术：

2.涡轮转子的结构设计需要考虑各方面需求，在设计无导流盘且非整体叶盘的涡轮转子时，通常需要在转子中设计锁片，使叶片轴向定位，而当叶片在共振频率下的激振幅值较大时，则需要在叶片和涡轮盘之间设计阻尼器，通过阻尼和叶片之间的摩擦耗散叶片激振的能量，而当叶片与涡轮盘之间的间隙较大时，如果空气系统需要控制该间隙，还需要设计封严片或类似零件来控制空气流通量。目前的涡轮转子设计结构通常是将锁片、减振阻尼、封严片等零件分别设计，并分别装配至涡轮转子中，为了减轻涡轮转子的重量，所以此类零件一般设计为小巧轻薄的钣金件，其数量较多，装配工艺繁琐，很容易因为装配不到位而导致发动机可靠性降低。并且，此类零件很容易损坏，全部都被归为发动机必换件，在发动机检修期间，如果要检查涡轮转子各个叶片的状况则需要分解涡轮转子，则锁片、阻尼、封严片每次都必须全部换用新件，换件的经济成本较大。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种集成式锁片、涡轮转子及其装配方法，以解决现有的涡轮转子结构采用锁片、减振阻尼和封严片分别设计并分别装配的方式所存在的装配工艺繁琐、换件成本高的技术问题。
4.根据本发明的一个方面，提供一种集成式锁片，包括呈一体式结构并依次设置的第一轴向挡边部、过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部，在进行叶片与涡轮盘的装配时，先将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，同时将过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并对整圈的集成式锁片和叶片进行定位，再沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内，然后弯折第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用。
5.进一步地，所述减振部沿发动机轴向的长度l0与叶片缘板沿发动机轴向的长度l需满足以下条件：-0.05mm≤l
0-l≤0mm，所述过渡部的上表面和径向挡边部的下表面之间沿发动机径向的高度差h0与叶片缘板内侧加强筋和涡轮盘之间的径向间隙h需满足以下条件：-0.05mm≤h
0-h≤0mm，所述第一轴向挡边部和第二轴向挡边部的宽度a0与涡轮盘相邻榫槽边缘之间的间距a需满足以下条件：-0.05mm≤a
0-a≤0mm。
6.进一步地，所述减振部与径向挡边部之间的夹角α0与叶片缘板和涡轮盘边缘轮廓之间的夹角α需满足以下条件：α0＝α。
7.进一步地，在对集成式锁片的质量进行优化设计时，通过将叶片-锁片阻尼模型简化为单自由度模型并构建单自由度宏观滑动系统的动力学方程，对动力学方程进行求解后得到集成式锁片的最优设计质量以获得最佳的减振效果。
8.进一步地，所述动力学方程的表达式为：
[0009][0010]
其中，m表示叶片模态质量，x表示叶片振幅，和分别表示叶片振幅的二阶导数和一阶导数，c表示叶片阻尼系数，c
eq
表示阻尼器等效阻尼系数，k表示叶片刚度，k
eq
表示阻尼器等效刚度，f0表示激振载荷，ω表示激振载荷角速度，t表示激振载荷的加载时间，f表示阻尼器摩擦力，通过对动力学方程求解得到接触面的叶片振幅x与阻尼器摩擦力f之间的关系曲线，进而换算得到接触面的叶片振幅x与锁片质量之间的关系曲线，从关系曲线中选取叶片振幅x最小点所对应的锁片质量作为集成式锁片的最优设计质量。
[0011]
进一步地，整圈均布的若干个集成式锁片的第一轴向挡边部相互连接为环形挡边，使得若干个集成式锁片形成整体的环形锁片，在进行叶片与涡轮盘的装配时，将环形挡边与整圈均布的叶片榫头端面贴紧。
[0012]
进一步地，完成叶片与涡轮盘的装配后，环形锁片的每个减振部与叶片缘板的内侧面贴合。
[0013]
进一步地，完成叶片与涡轮盘的装配后，叶片榫头与集成式锁片之间的轴向间隙为0mm～0.15mm。
[0014]
另外，本发明还提供一种涡轮转子，采用如上所述的集成式锁片进行叶片与涡轮盘的装配。
[0015]
另外，本发明还提供一种涡轮转子的装配方法，用于对如上所述的涡轮转子进行装配，包括以下内容：
[0016]
将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，同时将过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并对整圈的集成式锁片和叶片进行定位；
[0017]
沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内；
[0018]
弯折每个集成式锁片的第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用。
[0019]
本发明具有以下效果：
[0020]
本发明的集成式锁片，在对叶片和涡轮盘进行装配后，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置，并且两侧宽大的挡边部还可以封严气体，起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，同时起到了锁片和封严片的作用，并使径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下可以在离心力作用下与叶片缘板的内侧面相贴合，从而在叶片缘板内侧面和涡轮盘之间形成摩擦阻尼，通过减振部与叶片缘板内侧面之间的摩擦耗散叶片激振能量，进而起到摩擦
减振的效果。所述集成式锁片集成了现有锁片、阻尼器和封严片的功能，利用一个零件实现了三个零件的功能，大大减少了涡轮转子上的零件数量和总重量，大大简化了涡轮转子的装配工艺，避免了因零件装配不到位而导致发动机可靠性降低的问题，并且在发动机检修期间分解复装涡轮转子时，大大减少了必换件的替换数量，节省了换件成本。
[0021]
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。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0022]
构成本技术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：
[0023]
图1是本发明优选实施例的集成式锁片的结构示意图。
[0024]
图2是本发明优选实施例中利用集成式锁片对叶片和涡轮盘进行装配的结构示意图。
[0025]
图3是本发明优选实施例中利用集成式锁片对叶片和涡轮盘进行装配时将第二轴向挡边部弯折并卡入涡轮盘的锁片凹槽内的局部结构示意图。
[0026]
图4是本发明优选实施例中装配完成后涡轮转子的子午截面示意图。
[0027]
图5是涡轮转子的一部分结构参数示意图。
[0028]
图6是涡轮转子的另一部分结构参数示意图。
[0029]
图7是本发明优选实施例的集成式锁片的一部分结构参数示意图。
[0030]
图8是本发明优选实施例的集成式锁片的另一部分结构参数示意图。
[0031]
图9是本发明优选实施例的单自由度模型的系统示意图。
[0032]
图10是本发明另一实施例的环形锁片的结构示意图。
[0033]
图11是本发明另一实施例中采用环形锁片对叶片和涡轮盘进行装配的结构示意图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0035]
可以理解，如图1所示，本发明的优选实施例提供一种集成式锁片，包括呈一体式结构并依次设置的第一轴向挡边部、过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部，具体地，所述第一轴向挡边部通过过渡部与减振部连接，所述减振部通过径向挡边部与第二轴向挡边部连接，所述第一轴向挡边部和第二轴向挡边部用于锁定叶片的轴向位置并起到封严挡气的作用，而所述减振部则用于在工作状态下与叶片缘板的内侧面相贴合以起到摩擦减振效果。其中，所述集成式锁片可以采取一体成型制成，也可以采用分体成型后焊接为整体，为了保证锁片的结构强度，优选采用一体成型方式。另外，在初始状态下，所述集成式锁片整体形状呈7字形，即所述过渡部、减振部、径向挡边部、第二轴向挡边部整体处于平行状态，而所述第一轴向挡边部处于竖直状态，以便于进行装配。可以理解，如图2所示，在进行叶片与涡轮盘的装配时，先将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，即每个集成式锁片对应贴合一个叶片榫头端面，同时将过渡部、减振部、径
向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并利用工装对整圈的集成式锁片和叶片进行定位，再沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内。然后，弯折第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，具体如图3所示。此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用，具体如图4所示。
[0036]
可以理解，本实施例的集成式锁片，在对叶片和涡轮盘进行装配后，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置，并且两侧宽大的挡边部还可以封严气体，起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，同时起到了锁片和封严片的作用，并使径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下可以在离心力作用下与叶片缘板的内侧面相贴合，从而在叶片缘板内侧面和涡轮盘之间形成摩擦阻尼，通过减振部与叶片缘板内侧面之间的摩擦耗散叶片激振能量，进而起到摩擦减振的效果。本发明的集成式锁片集成了现有锁片、阻尼器和封严片的功能，利用一个零件实现了三个零件的功能，大大减少了涡轮转子上的零件数量和总重量，大大简化了涡轮转子的装配工艺，避免了因零件装配不到位而导致发动机可靠性降低的问题，并且在发动机检修期间分解复装涡轮转子时，大大减少了必换件的替换数量，节省了换件成本。
[0037]
可以理解，完成叶片与涡轮盘的装配后，为了保证涡轮叶片具有一定的活动量，叶片榫头与集成式锁片之间的轴向间隙为0mm～0.15mm。
[0038]
可以理解，为了保证集成式锁片的封严效果和减振效果，需要对集成式锁片的部分结构参数进行优化设计。具体地，如图5至图8所示，所述减振部沿发动机轴向的长度l0与叶片缘板沿发动机轴向的长度l需满足以下条件：-0.05mm≤l
0-l≤0mm，所述过渡部的上表面和径向挡边部的下表面之间沿发动机径向的高度差h0与叶片缘板内侧加强筋和涡轮盘之间的径向间隙h需满足以下条件：-0.05mm≤h
0-h≤0mm，所述第一轴向挡边部和第二轴向挡边部的宽度a0与涡轮盘相邻榫槽边缘之间的间距a需满足以下条件：-0.05mm≤a
0-a≤0mm，以保证集成式锁片的封严效果，同时保证可装配性。另外，所述减振部与径向挡边部之间的夹角α0与叶片缘板和涡轮盘边缘轮廓之间的夹角α需满足以下条件：α0＝α，即使得减振部与叶片缘板内侧面相平行，以保证在离心力作用下，减振部与叶片缘板贴合的面积最大，取得的摩擦减振效果最好。
[0039]
可以理解，在工作状态下，集成式锁片会在离心力作用下通过减振部贴紧叶片缘板内侧面，由此产生摩擦力消耗叶片在特定工作条件下的激振载荷，集成式锁片的离心力大小对于叶片的减振效果在特定工况下具有最优解，具体可以通过对转子的模态计算分析得出。因此，集成式锁片的设计质量是关系减振效果的关键设计要素。而在本发明中，锁片阻尼的工作位置在叶片缘板内侧，其质量远远小于叶片质量，所以锁片阻尼对叶片固有振动特性几乎毫无影响。因此，本发明在对集成式锁片的质量进行优化设计时，通过将叶片-锁片阻尼模型简化为单自由度模型，具体如图9所示，并构建单自由度宏观滑动系统的动力学方程，对动力学方程进行求解后即可得到集成式锁片的最优设计质量以获得最佳的减振效果。其中，所述动力学方程的表达式为：
[0040][0041]
其中，m表示叶片模态质量，x表示接触面相对位移，即叶片振幅，和分别表示叶片振幅的二阶导数和一阶导数，c表示叶片阻尼系数，一般来说刚性结构阻尼非常小，因此可以近似为0，c
eq
表示阻尼器等效阻尼系数，k表示叶片刚度，k
eq
表示阻尼器等效刚度，f0表示激振载荷，ω表示激振载荷角速度，即激振频率与2π的乘积，t表示激振载荷的加载时间，f表示阻尼器摩擦力。利用ansys仿真软件通过对上述动力学方程求解得到接触面的叶片振幅x与阻尼器摩擦力f之间的关系曲线，进而换算得到接触面的叶片振幅x与锁片质量之间的关系曲线，从关系曲线中选取叶片振幅x最小点所对应的锁片质量作为集成式锁片的最优设计质量，从而可以取得最佳的摩擦减振效果。
[0042]
可选地，如图10所示，在本发明的另一实施例中，为了进一步简化装配工艺，将整圈均布的若干个集成式锁片的第一轴向挡边部相互连接为环形挡边，使得若干个集成式锁片形成整体的环形锁片，相比于原设计的多个集成式锁片对应多个榫槽进行装配，将若干个集成式锁片简化为单一的环形锁片，进一步大大简化了装配工艺，并且环形挡边还可以进一步提高封严挡气效果。在进行叶片与涡轮盘的装配时，将环形挡边与整圈均布的叶片榫头端面贴紧，将环形锁片的另一侧(即过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部)置于涡轮叶片的伸根之间、缘板之下，并利用工装进行定位后，将涡轮叶片的榫头平推入涡轮盘的榫槽内，此时的转子装配状态如图11所示。最后，再将环形锁片的每个第二轴向挡边部弯折并卡入涡轮盘侧面的锁片凹槽内即可。
[0043]
另外，完成叶片与涡轮盘的装配后，环形锁片的每个减振部需与叶片缘板的内侧面贴合。
[0044]
可以理解，由于环形锁片为整体式结构，在进行装配时，可能会由于装配误差而导致装配完成后多个减振部与叶片缘板内侧面之间的间隙不均匀，进而导致在工作状态下有些减振部并未与叶片缘板内侧面紧密贴合，部分位置的减振效果不佳。因此，为了保证环形锁片的阻尼减振效果，在装配完成后，环形锁片的每个减振部在非工作状态下必须与叶片缘板内侧面贴合，当在工作状态下时，离心力使环形锁片压紧叶片缘板内侧面，保证了良好的摩擦减振效果。另外，此时环形锁片压紧叶片缘板的正压力由环形锁片的离心力和弯折产生的弹性力复合而成，在基于上述过程设计环形锁片的质量时，需要将弯折产生的弹性力考虑进去。
[0045]
另外，本发明的另一实施例还提供一种涡轮转子，优选采用如上所述的集成式锁片进行叶片与涡轮盘的装配。
[0046]
另外，本发明的另一实施例还提供一种涡轮转子的装配方法，用于对如上所述的涡轮转子进行装配，包括以下内容：
[0047]
步骤s1：将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，同时将过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并对整圈的集成式锁片和叶片进行定位；
[0048]
步骤s2：沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内；
[0049]
步骤s3：弯折每个集成式锁片的第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制
叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用。
[0050]
可以理解，当采用整体式的环形锁片进行装配时，只需将环形锁片的环形挡边与整圈均布的叶片的榫头端面贴合，而无需将每个单体式锁片与每个榫头贴合，大大简化了装配工艺，其余步骤与单体式锁片的装配工艺相同。
[0051]
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。

技术特征：
1.一种集成式锁片，其特征在于，包括呈一体式结构并依次设置的第一轴向挡边部、过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部，在进行叶片与涡轮盘的装配时，先将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，同时将过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并对整圈的集成式锁片和叶片进行定位，再沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内，然后弯折第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用。2.如权利要求1所述的集成式锁片，其特征在于，所述减振部沿发动机轴向的长度l0与叶片缘板沿发动机轴向的长度l需满足以下条件：-0.05mm≤l
0-l≤0mm，所述过渡部的上表面和径向挡边部的下表面之间沿发动机径向的高度差h0与叶片缘板内侧加强筋和涡轮盘之间的径向间隙h需满足以下条件：-0.05mm≤h
0-h≤0mm，所述第一轴向挡边部和第二轴向挡边部的宽度a0与涡轮盘相邻榫槽边缘之间的间距a需满足以下条件：-0.05mm≤a
0-a≤0mm。3.如权利要求1所述的集成式锁片，其特征在于，所述减振部与径向挡边部之间的夹角α0与叶片缘板和涡轮盘边缘轮廓之间的夹角α需满足以下条件：α0＝α。4.如权利要求1所述的集成式锁片，其特征在于，在对集成式锁片的质量进行优化设计时，通过将叶片-锁片阻尼模型简化为单自由度模型并构建单自由度宏观滑动系统的动力学方程，对动力学方程进行求解后得到集成式锁片的最优设计质量以获得最佳的减振效果。5.如权利要求4所述的集成式锁片，其特征在于，所述动力学方程的表达式为：其中，m表示叶片模态质量，x表示叶片振幅，和分别表示叶片振幅的二阶导数和一阶导数，c表示叶片阻尼系数，c
eq
表示阻尼器等效阻尼系数，k表示叶片刚度，k
eq
表示阻尼器等效刚度，f0表示激振载荷，ω表示激振载荷角速度，t表示激振载荷的加载时间，f表示阻尼器摩擦力，通过对动力学方程求解得到接触面的叶片振幅x与阻尼器摩擦力f之间的关系曲线，进而换算得到接触面的叶片振幅x与锁片质量之间的关系曲线，从关系曲线中选取叶片振幅x最小点所对应的锁片质量作为集成式锁片的最优设计质量。6.如权利要求1所述的集成式锁片，其特征在于，整圈均布的若干个集成式锁片的第一轴向挡边部相互连接为环形挡边，使得若干个集成式锁片形成整体的环形锁片，在进行叶片与涡轮盘的装配时，将环形挡边与整圈均布的叶片榫头端面贴紧。7.如权利要求6所述的集成式锁片，其特征在于，完成叶片与涡轮盘的装配后，环形锁片的每个减振部与叶片缘板的内侧面贴合。8.如权利要求1所述的集成式锁片，其特征在于，完成叶片与涡轮盘的装配后，叶片榫头与集成式锁片之间的轴向间隙为0mm～0.15mm。9.一种涡轮转子，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的集成式锁片进行叶片与涡轮盘的装配。
10.一种涡轮转子的装配方法，用于对如权利要求9所述的涡轮转子进行装配，其特征在于，包括以下内容：将多个集成式锁片的第一轴向挡边部与整圈均布的叶片的榫头端面对应贴合，同时将过渡部、减振部、径向挡边部和第二轴向挡边部从叶片的伸根之间、缘板之下穿过，并对整圈的集成式锁片和叶片进行定位；沿发动机轴向将整圈叶片的榫头推入涡轮盘的榫槽内；弯折每个集成式锁片的第二轴向挡边部并将其卡入涡轮盘的锁片凹槽内，此时，通过第一轴向挡边部和第二轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制叶片和涡轮盘之间空气流通量的作用，径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下因离心力与叶片缘板的内侧面贴合，以起到摩擦减振的作用。

技术总结
本发明公开了一种集成式锁片、涡轮转子及其装配方法，在利用集成式锁片对叶片和涡轮盘进行装配后，通过两个轴向挡边部从两侧锁定叶片的轴向位置并起到控制空气流通量的作用，并使径向挡边部抵住涡轮盘盘缘、减振部与叶片缘板内侧面之间留有间隙，使得减振部在工作状态下可以在离心力作用下与叶片缘板的内侧面相贴合，起到摩擦减振的效果。其集成了现有锁片、阻尼器和封严片的功能，利用一个零件实现了三个零件的功能，大大减少了涡轮转子上的零件数量和总重量，大大简化了涡轮转子的装配工艺，避免了因零件装配不到位而导致发动机可靠性降低的问题，并且在发动机检修期间分解复装涡轮转子时，大大减少了必换件的替换数量，节省了换件成本。了换件成本。了换件成本。


技术研发人员：张若昀 蒋康河 陈竞炜 李维
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/5/24