基于TRIZ的發動機榫連接結構強度設計優化

陳歡歡 朱海燕 余嘉偉

摘 要：榫頭/榫槽是航空發動機渦輪轉子重要結構，該結構的設計合理性直接關系到轉子部件的強度和壽命，并影響發動機性能。本文基于TRIZ（發明問題解決理論）方法，通過因果分析確定了主要技術矛盾，通過查找矛盾矩陣得到推薦的發明原理，完成了兩型發動機渦輪榫頭/榫槽連接結構的優化改進，有效降低零件應力水平，延長疲勞壽命，達到預期目標。

關鍵詞：TRIZ;榫結構;強度;優化

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

榫頭/榫槽連接結構通常用來連接渦輪轉子葉片與渦輪盤，該結構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點，在航空發動機中應用廣泛。

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，材料的力學性能急劇降低。同時由于榫齒間過渡圓弧半徑小，榫接部位應力集中現象嚴重。榫連接結構承受的應力狀態非常復雜，包括離心拉應力、彎曲應力、熱應力和振動應力等，這些因素使榫頭/榫槽連接結構很容易在發動機工作中發生故障。該結構的設計合理性直接關系到轉子部件的強度和壽命，并影響發動機性能。

因此，開展渦輪轉子榫頭/榫槽結構強度優化改進研究，探索適用的改進設計方法，以減少發動機榫接結構強度壽命類故障，具有重要意義。

1 問題描述

（1）某渦輪盤榫槽齒根部位應力水平較高，安全壽命不足，需對榫槽結構進行改進設計。如何在保證渦輪葉片榫頭結構不作調整，降低渦輪盤榫槽應力水平，提高輪盤榫槽壽命？

（2）某渦輪盤配重葉片出現裂紋，疲勞壽命不足，需對配重葉片榫頭結構進行改進設計。如何在保證渦輪盤榫槽結構不作調整，降低配重葉片榫頭應力水平，保證試驗順利進行？

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、技術矛盾，再應用矛盾矩陣法進行發明原理的查找，根據發明原理進行解題[1]。

2.1 結構分析

榫頭/榫槽連接葉片和輪盤，帶動葉片隨輪盤旋轉，榫頭/榫槽結構圖見圖2。榫頭承受整個葉片的離心力/離心彎矩、氣動力/氣動彎矩、榫齒擠壓應力和摩擦力。榫槽承受葉片榫頭榫齒作用的擠壓應力和摩擦力，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，但會導致榫齒應力增加。將此處齒形中平直面優化為曲面，應力降低，但同時會降低裝配可靠性。該問題的主要技術矛盾是榫齒形狀與榫齒應力，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榫齒處應力較大，導致疲勞壽命不足，試驗時出現疲勞裂紋。調整增大榫齒間隙，可改變3對榫齒所分擔的葉片離心載荷的比例，第1榫齒處應力降低，但會導致葉片實際加工精度要求增大。該問題的主要技術矛盾是榫齒應力與制造精度，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矛盾，查找經典矛盾矩陣，得到推薦發明原理見表1。經分析，原理14（曲面化原理）適用。

針對配重葉片問題的技術矛盾，查找經典矛盾矩陣，得到推薦發明原理見表2。經分析，原理3（局部質量原理）適用。

2.4 改進方案

根據上述推薦發明原理，確定改進方案見表3。

3 優化改進設計及效果

3.1 渦輪盤榫槽改進設計

通過提取渦輪盤榫槽典型結構參數，確定優化設計變量，進行參數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。榫槽結構優化方案見圖4。

經有限元分析，輪盤榫槽處應力和壽命計算結果見表4和表5[2]。榫槽根部當量應力降低20.4%，通過輪盤榫槽結構優化改進，榫槽疲勞壽命提高了近1倍，說明改進措施有效。

3.2 配重葉片榫頭改進設計

渦輪盤配重葉片作為陪試件隨渦輪盤進行試驗，輪盤已加工出實物，其幾何模型不能改進設計，只能優化葉片榫頭齒形。

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

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

4 結語

本文采用基于TRIZ的創新方法分別對兩型發動機渦輪盤榫槽和配重葉片榫頭進行了結構強度優化改進，有效降低了榫連接處的應力水平，提高了零件疲勞壽命，滿足優化改進的要求。

該方法可應用于航空發動機及燃氣輪機中壓氣機葉片盤、渦輪葉片盤榫連接結構榫齒應力調整。在榫接結構中一方不改變的前提下，對另一方結構進行局部優化改進，提高安全壽命，降低零件在實際工作或試驗中發生故障的風險。

參考文獻

[1] 周蘇，張麗娜，陳敏玲.創新思維與TRIZ創新方法[M].北京：清華大學出版社，2018.

[2] 某發動機燃氣渦輪盤榫槽改進設計強度壽命計算[R].科研報告，2015.

[3] 某發動機低壓渦輪配重葉片改進設計強度、壽命計算[R].科研報告，2018.