阅读说明：本技术 一种低压涡轮叶片锯齿冠结构设计方法 (A kind of low-pressure turbine blade sawtooth hat construction design method ) 是由 石伟 朱培模 娄春娟 褚云会 蒋竞升 吴锦华 梁湘华 林垲 李义平 栗尼娜 靳福 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明属叶轮机械技术领域,涉及一种低压涡轮叶片锯齿冠结构设计方法,主要针对高负荷低压涡轮转子叶片。确定锯齿冠结构特征的步骤如下：建立全局坐标系XYZ和叶冠坐标系X<Sub>1</Sub>Y<Sub>1</Sub>Z<Sub>1</Sub>；根据气动设计的要求给定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面所在直径高度D,以满足发动机性能要求；确定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面与Y轴的夹角α；确定低压涡轮叶片预扭角△β；根据夹角α、预扭角△β和直径高度D,确定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面弦宽b。本设计方法实现了低压涡轮叶片啮合面上的扭矩和因旋转后低压涡轮叶片叶身的恢复力矩平衡；与此同时,通过低压涡轮叶片锯齿冠啮合面之间相互约束,达到减少叶片振幅的目的。(The invention belongs to impeller machinery technical fields, are related to a kind of low-pressure turbine blade sawtooth hat construction design method, mainly for high load capacity Low Pressure Turbine Rotor blade.It determines that the step of sawtooth is preced with structure feature is as follows: establishing global coordinate system XYZ and integral shroud coordinate system X 1 Y 1 Z 1 ；Diameter height D where giving the low-pressure turbine blade sawtooth hat field of conjugate action according to the requirement of pneumatic design, to meet engine performance requirement；Determine the angle α of low-pressure turbine blade sawtooth the hat field of conjugate action and Y-axis；Determine the pre- torsional angle △ β of low-pressure turbine blade；According to angle α, pre- torsional angle △ β and diameter height D, determine that low-pressure turbine blade sawtooth is preced with field of conjugate action chord width b.The design method realizes the torque on the low-pressure turbine blade field of conjugate action and the righting moment balance because of low-pressure turbine blade blade after rotation；At the same time, it is preced between the field of conjugate action by low-pressure turbine blade sawtooth and is mutually constrained, achieve the purpose that reduce blade amplitude.)

一种低压涡轮叶片锯齿冠结构设计方法

技术领域

本发明属叶轮机械技术领域，涉及一种涡轮叶片锯齿冠设计方法，主要针对高负荷低压涡轮转子叶片。

背景技术

低压涡轮叶片作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其稳定、可靠的工作影响着航空燃气涡轮风扇发动机的使用安全。

随着航空推进系统向高推重比的方向发展，对压气机压比、涡轮前温度和效率要求越来越高，在相同的迎风面积下，对低压涡轮叶片使用温度、转速和效率提出了更高的要求。从性能方面考虑，在低压涡轮叶片叶尖位置布置叶冠，可以有效的减少叶片叶尖位置处的绕流，可以有效提高低压涡轮效率；从结构方面考虑，由于低压涡轮叶片细长的特点，低压涡轮叶片需要布置叶冠来限制叶片振幅，从而达到降低叶根振动应力的目的，保证低压涡轮叶片工作的安全性、可靠性。现有的叶冠设计通常常用仿制或根据设计员的经验去设计，设计得到的叶冠均一性很差。

发明内容

本发明的目的：提出一种低压涡轮叶片锯齿冠的设计方法，在高温高转速的工作状态下，在低压涡轮叶片叶尖位置布置锯齿冠，达到提高涡轮叶片工作效率、工作安全性和可靠性的目的。

本发明的技术解决方案：一种低压涡轮叶片锯齿冠结构设计方法，主要针对高负荷低压涡轮转子叶片。确定锯齿冠结构特征的步骤如下：建立全局坐标系XYZ和叶冠坐标系X₁Y₁Z₁；根据气动设计的要求给定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面所在直径高度D，以满足发动机性能要求；确定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面与Y轴的夹角α；确定低压涡轮叶片预扭角△β；根据夹角α、预扭角△β和直径高度D，确定低压涡轮叶片锯齿冠啮合面弦宽b；确定非啮合面；非啮合面在叶冠坐标系Y₁方向上的弦宽按照低压涡轮叶片预扭后的理论值来设计，最终值为理论值减去预留的间隙；确定锯齿冠重心位置：完成上述内容后，分析叶尖截面惯性，检查锯齿冠重心在叶尖处的相对位置，保证上述弦宽的条件下，通过整体平动调整来确保工作时锯齿冠不会附加较大的弯矩。

有益技术效果：设计低压涡轮叶片锯齿冠时，将两个啮合面之间在Y方向上的实际弦宽设计为大于理论弦宽的值，在装配低压涡轮叶片时，由于弦宽过盈，锯齿冠会逆时针旋转以消除过盈形成整环，从而实现低压涡轮叶片啮合面上的扭矩和因旋转后低压涡轮叶片叶身的恢复力矩平衡。上述设计通过低压涡轮叶片锯齿冠啮合面之间相互约束，达到减少叶片振幅的目的。

附图说明

图1为锯齿状叶冠设计参数示意图，

图2为锯齿状叶冠在叶片中位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

低压涡轮叶片锯齿冠的结构设计方法，涉及的主要相关参数有：定义以下参数；锯齿冠啮合面任意给定点Q所在直径高度D、锯齿冠啮合面与Y方向夹角α、锯齿冠预扭角△β和锯齿冠啮合面弦宽b，具体步骤如下：

1、全局坐标系XYZ：以叶片回转中心线方向为X轴，以通过叶片榫头中心，且法向方向为X轴方向的平面与X轴的交点为坐标原点，指向叶片排气边方向为正方向，以过原点并垂直于X轴的直线为Y轴，正方向指向叶片盆向，Z轴按照右手定则确定；

2、叶冠坐标系X₁Y₁Z₁：以全局坐标系原点为中心，以全局坐标系Z轴负方向为轴线，旋转△β角度得到的坐标系；

3、根据气动设计给定的热态流道高度，确定冷态低压涡轮转子叶片锯齿冠啮合面给定点Q所在的直径D；

4、确定锯齿冠啮合面与Y方向夹角α合适范围：当α大于角度α₂时，紧度小，啮合面间正压力变化剧烈，叶冠工作状态不稳定甚至啮合面出现间隙；同时，叶片制造的公差客观存在，弦宽小幅变化引起的啮合面压力摆动量大，随机因素影响大；当α小于角度α₁时，为保证啮合面的正压力要求，需要较大的预扭△β，错动磨损块，同时因预扭△β引入的附加应力大，叶片排气边容易出现裂纹；

其中，α₂、α₁均为经验值。

5、确定预扭角△β：低压涡轮叶片承受因旋转引入的极大离心力，为保证低压涡轮叶片在工作状态时叶片工作的可靠性，由锯齿冠预扭引入的剪切力不宜太大，防止叶片工作状态时，尺寸较小的排气边尾缘附近因受剪切而出现裂纹。

6、确定锯齿冠啮合面弦宽b：为保证锯齿冠啮合面工作状态与Y轴的夹角为(α+△β)角，需要给定特定的弦宽b，保证锯齿冠啮合面工作时与Y方向夹角处在设计期望值。

7、确定非啮合面1：非啮合面1因完全包络叶尖排气边，相邻低压涡轮叶片两个非啮合面不接触，工作状态时留有小间隙；

8、确定锯齿冠重心位置：锯齿冠重心所处位置不会产生过大的附加弯矩，以免增加低压涡轮叶片叶背侧叶尖中部或者叶盆侧叶尖进、排气边处工作应力。

步骤5中，预扭角△β的确定方法通过以下步骤实现：首先通过ANSYS软件模拟分析计算得到一系列预扭角△β对应的啮合面的正压力和尾缘等效应力，然后根据叶片的持久寿命要求及正压力要求，选取合适的预扭角△β。

所述给定点Q处于啮合面中间区域；所述正压力要求为10－20MPa；所述直径高度D由气动设计给定。所述夹角α、预扭角△β通过Ansys软件分析得到其最优的角度值。

实施例

1、建立全局坐标系XYZ：以叶片回转中心线方向为X轴，以通过叶片榫头中心，且法向方向为X轴方向的平面与X轴的交点为坐标原点，指向叶片排气边方向为正方向，以过原点并垂直于X轴的直线为Y轴，正方向指向叶片盆向，Z轴按照右手定则确定；

2、建立叶冠坐标系X₁Y₁Z₁：以全局坐标系原点为中心，以全局坐标系Z轴负方向为轴线，旋转△β角度得到的坐标系；

3、根据气动设计给定的热态流道高度，计算低压涡轮盘和低压涡轮叶片的直径伸长量，确定冷态时叶片平面M距离发动机轴线高度H。啮合面1与平面A平行，啮合面2与平面A存在夹角，确定点Q到平面的距离H1，根据H和H1计算点Q所在直径高度D；

4、确定锯齿冠啮合面与Y方向夹角α合适范围：啮合面夹角α是独立变量，当α过大时，锯齿冠啮合面正压力变化剧烈，不利于叶冠工作姿态的保持；当α过小时，需要较大的预扭角△β，根据锯齿冠使用经验，α角度合适范围为α₁＜α＜α₂；

5、确定预扭角△β：低压涡轮叶片承受因旋转引入的离心力，为保证低压涡轮叶片在工作状态时叶片工作的可靠性，由锯齿冠预扭引入的剪切力不宜太大，防止叶片工作状态时，尺寸较小的排气边尾缘附近因受剪切而出现裂纹。当叶身尾缘等效应力较大时，夹角α取上述第4条范围中的偏大值；

6、确定锯齿冠啮合面弦宽b：弦宽b由叶片数量、点Q所在直径高度D、啮合面夹角α和预扭角△β综合确定，以保证锯齿冠啮合面工作时与Y方向夹角处在设计期望值。

其中，叶片数量由气动设计给定；

7、确定非啮合面1：非啮合面1在Y1方向上的弦宽按照低压涡轮叶片预扭后的理论值来设计，最终值为理论值减去预留的间隙；

8、确定锯齿冠重心位置：完成上述内容后，分析叶尖截面惯性，检查锯齿冠重心在叶尖处的相对位置，保证上述弦宽的条件下，通过整体平动调整来确保工作时锯齿冠不会附加较大的弯矩。