陳歡歡 朱海燕 余嘉偉

摘 要：榫頭/榫槽是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子重要結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子部件的強(qiáng)度和壽命，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。本文基于TRIZ（發(fā)明問題解決理論）方法，通過因果分析確定了主要技術(shù)矛盾，通過查找矛盾矩陣得到推薦的發(fā)明原理，完成了兩型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪榫頭/榫槽連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，有效降低零件應(yīng)力水平，延長疲勞壽命，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：TRIZ;榫結(jié)構(gòu);強(qiáng)度;優(yōu)化

中圖分類號：V231.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0096-02

榫頭/榫槽連接結(jié)構(gòu)通常用來連接渦輪轉(zhuǎn)子葉片與渦輪盤，該結(jié)構(gòu)具有承受拉伸載荷大、周向尺寸較小、材料利用充分和拆裝更換方便等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛。

由于渦輪葉片根部承受的離心力高，且榫頭通常在高溫下工作，材料的力學(xué)性能急劇降低。同時(shí)由于榫齒間過渡圓弧半徑小，榫接部位應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。榫連接結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，包括離心拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等，這些因素使榫頭/榫槽連接結(jié)構(gòu)很容易在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中發(fā)生故障。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子部件的強(qiáng)度和壽命，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

因此，開展渦輪轉(zhuǎn)子榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化改進(jìn)研究，探索適用的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)榫接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度壽命類故障，具有重要意義。

1 問題描述

（1）某渦輪盤榫槽齒根部位應(yīng)力水平較高，安全壽命不足，需對榫槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。如何在保證渦輪葉片榫頭結(jié)構(gòu)不作調(diào)整，降低渦輪盤榫槽應(yīng)力水平，提高輪盤榫槽壽命？

（2）某渦輪盤配重葉片出現(xiàn)裂紋，疲勞壽命不足，需對配重葉片榫頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。如何在保證渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)不作調(diào)整，降低配重葉片榫頭應(yīng)力水平，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行？

2 解題過程

采用TRIZ理論解決此類問題，解題過程見圖1。通過因果分析等手段，查找薄弱組件、技術(shù)矛盾，再應(yīng)用矛盾矩陣法進(jìn)行發(fā)明原理的查找，根據(jù)發(fā)明原理進(jìn)行解題[1]。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

榫頭/榫槽連接葉片和輪盤，帶動(dòng)葉片隨輪盤旋轉(zhuǎn)，榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)圖見圖2。榫頭承受整個(gè)葉片的離心力/離心彎矩、氣動(dòng)力/氣動(dòng)彎矩、榫齒擠壓應(yīng)力和摩擦力。榫槽承受葉片榫頭榫齒作用的擠壓應(yīng)力和摩擦力，以及榫槽凸臺本身的離心力。

2.2 因果分析

渦輪盤榫槽齒形中存在平面，有利于榫頭/榫槽之間的裝配連接，但會(huì)導(dǎo)致榫齒應(yīng)力增加。將此處齒形中平直面優(yōu)化為曲面，應(yīng)力降低，但同時(shí)會(huì)降低裝配可靠性。該問題的主要技術(shù)矛盾是榫齒形狀與榫齒應(yīng)力，因果分析圖見圖3（a）。

配重葉片榫頭通過3對榫齒與輪盤榫槽連接，由于第1榫齒處應(yīng)力較大，導(dǎo)致疲勞壽命不足，試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)疲勞裂紋。調(diào)整增大榫齒間隙，可改變3對榫齒所分擔(dān)的葉片離心載荷的比例，第1榫齒處應(yīng)力降低，但會(huì)導(dǎo)致葉片實(shí)際加工精度要求增大。該問題的主要技術(shù)矛盾是榫齒應(yīng)力與制造精度，因果分析圖見圖3（b）。

2.3 矛盾矩陣

針對輪盤榫槽問題的技術(shù)矛盾，查找經(jīng)典矛盾矩陣，得到推薦發(fā)明原理見表1。經(jīng)分析，原理14（曲面化原理）適用。

針對配重葉片問題的技術(shù)矛盾，查找經(jīng)典矛盾矩陣，得到推薦發(fā)明原理見表2。經(jīng)分析，原理3（局部質(zhì)量原理）適用。

2.4 改進(jìn)方案

根據(jù)上述推薦發(fā)明原理，確定改進(jìn)方案見表3。

3 優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)及效果

3.1 渦輪盤榫槽改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過提取渦輪盤榫槽典型結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行參數(shù)化建模和有限元分析。保證榫齒工作面不變，將榫齒齒形中單段圓弧改為多段圓弧并增加榫齒圓角半徑。榫槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖4。

經(jīng)有限元分析，輪盤榫槽處應(yīng)力和壽命計(jì)算結(jié)果見表4和表5[2]。榫槽根部當(dāng)量應(yīng)力降低20.4%，通過輪盤榫槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，榫槽疲勞壽命提高了近1倍，說明改進(jìn)措施有效。

3.2 配重葉片榫頭改進(jìn)設(shè)計(jì)

渦輪盤配重葉片作為陪試件隨渦輪盤進(jìn)行試驗(yàn)，輪盤已加工出實(shí)物，其幾何模型不能改進(jìn)設(shè)計(jì)，只能優(yōu)化葉片榫頭齒形。

通過微調(diào)榫頭榫齒齒距，改變榫頭和榫槽工作面之間榫齒間隙，調(diào)整3對榫齒承受的葉片離心力載荷比例，降低葉片第1榫齒承擔(dān)的離心力比例，從而降低第1榫齒處的應(yīng)力，提高葉片安全壽命。配重葉片榫齒齒距優(yōu)化方案見圖5。

調(diào)整榫齒間隙后，建立配重葉片與低壓渦輪盤聯(lián)合有限元模型，計(jì)算得到配重葉片應(yīng)力和壽命見由表6和表7[3]。榫頭第1榫齒承擔(dān)的離心載荷比例降低至23.5%，最大當(dāng)量應(yīng)力減低15.4%，疲勞壽命提高約4倍，說明改進(jìn)措施有效。

4 結(jié)語

本文采用基于TRIZ的創(chuàng)新方法分別對兩型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤榫槽和配重葉片榫頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化改進(jìn)，有效降低了榫連接處的應(yīng)力水平，提高了零件疲勞壽命，滿足優(yōu)化改進(jìn)的要求。

該方法可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)中壓氣機(jī)葉片盤、渦輪葉片盤榫連接結(jié)構(gòu)榫齒應(yīng)力調(diào)整。在榫接結(jié)構(gòu)中一方不改變的前提下，對另一方結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化改進(jìn)，提高安全壽命，降低零件在實(shí)際工作或試驗(yàn)中發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 周蘇，張麗娜，陳敏玲.創(chuàng)新思維與TRIZ創(chuàng)新方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

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[3] 某發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪配重葉片改進(jìn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、壽命計(jì)算[R].科研報(bào)告，2018.