專(zhuān)利名稱(chēng)：渦輪導(dǎo)向器及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)向器，特別是渦輪導(dǎo)向器。還涉及這種渦輪導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
渦輪導(dǎo)向器處于惡劣的工作環(huán)境下，既要承受高溫燃?xì)饬骱透髁慵軣岵痪鸬妮^大 的熱應(yīng)力，又要承受燃?xì)馔ㄟ^(guò)導(dǎo)向葉片時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)力以及由氣流脈動(dòng)所引起的振動(dòng)載荷。
參照附圖3。文獻(xiàn)"航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)渦輪(第10冊(cè))[Z].黃慶南，劉澤秋，朱銘 福等.北京航空工業(yè)出版社，2000."公開(kāi)了一種渦輪導(dǎo)向器，其導(dǎo)向葉片采用螺釘端面固 定的結(jié)構(gòu)形式。
文獻(xiàn)中公丌的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器是由內(nèi)環(huán)1，導(dǎo)向葉片2組成的環(huán)型結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)1 與導(dǎo)向葉片2的一端通過(guò)螺栓連接，導(dǎo)向葉片2的另一端通過(guò)螺釘固定在端面3上。
現(xiàn)有渦輪導(dǎo)向器導(dǎo)向葉片固定結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)是，限制了渦輪導(dǎo)向器的熱變形，結(jié)構(gòu)中 會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)向葉片固定結(jié)構(gòu)形式應(yīng)力集中的不足，本發(fā)明提供一種渦輪導(dǎo)向 器，將導(dǎo)向葉片通過(guò)彈性支撐固定在端面上，可以協(xié)調(diào)渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng) 力的矛盾，降低渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。
本發(fā)明還提供這種渦輪導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案 一種渦輪導(dǎo)向器，包括內(nèi)環(huán)、導(dǎo)向葉片和 端面，其特點(diǎn)是所述導(dǎo)向葉片的一端通過(guò)螺栓與內(nèi)環(huán)連接，另一端通過(guò)卡槽與彈性支撐連接， 彈性支撐與端面通過(guò)螺釘固定連接。
一種上述渦輪導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括下述步驟
(a) 建立帶有彈性支撐的渦輪導(dǎo)向器等效簡(jiǎn)化模型；
(b) 沿徑向M+7等分彈性支撐母線，.選用兩端點(diǎn)與M個(gè)等分點(diǎn)作為控制頂點(diǎn)，選用M 個(gè)等分點(diǎn)形成的控制頂點(diǎn)的第一軸向坐標(biāo)Farl，第二軸向坐標(biāo)Far2，……，第M軸向坐標(biāo) ferM作為設(shè)計(jì)變量，采用三次樣條函數(shù)對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行擬合，獲得彈性支撐的幾何母線，控 制彈性支撐的幾何構(gòu)形為倒U型結(jié)構(gòu)或S型結(jié)構(gòu)；
(c) 將渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的單元最大等效應(yīng)力設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，建立彈性支撐幾何構(gòu)形的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
find: Var 二[r。H,J^2，…，P(3nV/]
min : F(Var) = o"隨=max(o"pO"2,…，a艦M)
s.t. F勿^ —'蘭C/ = 1,2,…，M)
式中，Var是設(shè)計(jì)變量向量；M是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)；EWM是截錐環(huán)的單元總數(shù)；a,是第/ 個(gè)單元的等效應(yīng)力值；Ffl/J和^^分別是第/個(gè)設(shè)計(jì)變量的上、下限；
(d)在通用優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Boss-Quattro中，采用GCMMA進(jìn)行優(yōu)化求解。
本發(fā)明的有益效果是由于采用剛度較小而柔度較好的S型結(jié)構(gòu)或倒U型結(jié)構(gòu)作為彈 性支撐連接渦輪導(dǎo)向葉片與渦輪機(jī)匣，增加了結(jié)構(gòu)的柔度，既能保證機(jī)械載荷在固定端的 有效分配，又有利于結(jié)構(gòu)熱膨脹，降低了結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，達(dá)到了"剛?cè)嵯酀?jì)"的效果。渦輪導(dǎo) 向葉片上的機(jī)械載荷直接取決于發(fā)動(dòng)機(jī)推力，計(jì)算結(jié)果表明彈性支撐的適用范圍和結(jié)構(gòu)形 式與發(fā)動(dòng)機(jī)推力相關(guān)，揭示了渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)內(nèi)在機(jī)理，對(duì)實(shí)際的導(dǎo)向器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價(jià)值。
一種渦輪導(dǎo)向器，導(dǎo)向葉片的溫度為900《，其它部分溫度為700A:，導(dǎo)向葉片上承受的 彎矩為20tA^，扭矩為4/W，w。保持導(dǎo)向器各部分溫度分布不變，機(jī)械載荷在彎矩為， 扭矩為的基礎(chǔ)上從1倍增加到40倍的過(guò)程中，采用本發(fā)明后導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng) 力始終比采用背景技術(shù)的結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力至少降低了 10%，降幅甚至能夠達(dá)到80%以上。 機(jī)械載荷的倍數(shù)在卩,10]中變化時(shí)，彈性支撐的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式為S型;機(jī)械載荷的倍數(shù)在[20,40] 中變化時(shí)，彈性支撐的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式為倒U型；機(jī)械載荷的倍數(shù)在(10，20)范圍變化時(shí)，彈性 支撐的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，但采用S型和倒U型彈性支撐均能使結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力較小。
導(dǎo)向葉片上的彎矩為20^V7n，扭矩為4^V.附時(shí)，即機(jī)械載荷為原有載荷時(shí)，采用背景技 術(shù)的渦輪導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力為1610.5MPa，采用本發(fā)明S型彈性支撐后，結(jié)構(gòu)最大 等效應(yīng)力降為1070.5MPa;機(jī)械載荷增加到原有載荷的IO倍時(shí)，采用S型彈性支撐使導(dǎo)向器 模型的最大等效應(yīng)力由背景技術(shù)中的1908.1MPa降低到1035.1MPa;機(jī)械載荷增加到原有載 荷的15倍時(shí)，采用S型彈性支撐使導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力由背景技術(shù)中的2195.8MPa 降低到1417.6MPa，采用倒U型彈性支撐使導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力降低到1422.3MPa; 機(jī)械載荷增加到原有載荷的20倍時(shí)，采用倒U型彈性支撐使導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力由 背景技術(shù)中的2511.6MPa降低到1810.0MPa ;機(jī)械載荷增加到原有載荷的30倍時(shí)，采用倒 U型彈性支撐使導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力由背景技術(shù)中的3169.6MPa降低到2601.5MPa; 機(jī)械載荷增加到原有載荷的40倍時(shí)，采用加入優(yōu)化形狀的彈性支撐使結(jié)內(nèi)環(huán)最大應(yīng)力由 3847.7MPa降低到3402.0MPa;
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是渦輪導(dǎo)向器渦輪導(dǎo)向葉片倒U型彈性支撐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是渦輪導(dǎo)向器渦輪導(dǎo)向葉片S型彈性支撐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是現(xiàn)有技術(shù)渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l-內(nèi)環(huán)，2-導(dǎo)向葉片，3-端面，4-彈性支撐。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例參照?qǐng)D1、圖2。
實(shí)施例1:采用S型彈性支撐的渦輪導(dǎo)向葉片固定結(jié)構(gòu)形式。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器是由內(nèi)環(huán)1，導(dǎo)向葉片2和S型彈性支撐4組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。導(dǎo) 向葉片2的一端通過(guò)螺栓與內(nèi)環(huán)1連接，導(dǎo)向葉片2的另一端通過(guò)卡槽與S型彈性支撐4連 接，S彈性支撐4與端面3通過(guò)螺釘固定連接。
實(shí)施例2:采用倒f/型彈性支撐的渦輪導(dǎo)向葉片固定結(jié)構(gòu)形式。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器是由內(nèi)環(huán)1，導(dǎo)向葉片2和倒f/型彈性支撐4組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。 導(dǎo)向葉片2的一端通過(guò)螺栓與內(nèi)環(huán)1連接，導(dǎo)向葉片2的另一端通過(guò)卡槽與倒t/型彈性支撐 4連接，倒f/彈性支撐4與端面3通過(guò)螺釘固定連接。
實(shí)施例3:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
一種渦輪導(dǎo)向器，內(nèi)環(huán)高度為100mm，導(dǎo)向葉片的溫度為900K，其它部分溫度為700X， 導(dǎo)向葉片上承受的彎矩為20柳鄰，扭矩為4柳m。采用下述步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)
化設(shè)計(jì)
1) 建立等效簡(jiǎn)化模型。
將渦輪導(dǎo)向器等效簡(jiǎn)化為循環(huán)對(duì)稱(chēng)截錐環(huán)結(jié)構(gòu)。在通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS中選用 幼6//63單元建立帶有彈性支撐的渦輪導(dǎo)向器的等效簡(jiǎn)化模型。
2) 設(shè)定設(shè)計(jì)變量。
渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)為回旋體，只需確定母線形狀即可確定其整體構(gòu)形。在該實(shí)施例的優(yōu)化 設(shè)計(jì)中，沿徑向五等分彈性支撐母線，選用兩端點(diǎn)與四個(gè)等分點(diǎn)作為控制頂點(diǎn)，選用四個(gè)等 分點(diǎn)形成的控制頂點(diǎn)的軸向坐標(biāo)&rl、 Kw2、 Fa/"3、 K"M作為設(shè)計(jì)變量，且這四個(gè)設(shè)計(jì)變 量分別被稱(chēng)為第一、第二、第三、第四軸向坐標(biāo)。采用三次樣條函數(shù)對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行擬合， 獲得彈性支撐的幾何母線。母線的初始形狀選為直線。
3) 建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
選用截錐環(huán)上各單元的最大等效應(yīng)力CTmax作為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。 最終得到的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下find: Var = ，1,2，…，F(xiàn)"朝 'min : F(Var) = cr隨=max(cj',cr2,…,o"柳固} (1) s.t. 《Ka"' S Ka,7 (J = 1,2，" M)
其中，Var為設(shè)計(jì)變量向量，M為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，本例中似=4; 0V[/M為截錐環(huán)的 單元總數(shù)，o",為第z'個(gè)單元的等效應(yīng)力值；ra/7和K。2分別為第y個(gè)設(shè)計(jì)變量的上下限，本 例中四個(gè)設(shè)計(jì)變量均取上限為125，下限為75，單位為ww。
4)優(yōu)化求解。
對(duì)上述優(yōu)化模型，在通用優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Boss-Quattro中，采用GCMMA優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu) 化求解。
優(yōu)化后，彈性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為S型，此 時(shí)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為1070.5MPa。
實(shí)施例4:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
采用實(shí)施例3中的渦輪導(dǎo)向器。導(dǎo)向器上各部分的溫度分布不變，機(jī)械載荷為實(shí)施例3 中機(jī)械載荷的10倍。采用和實(shí)施例3相同的步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，彈 性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為S型，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大等 效應(yīng)力為1035.14MPa。
實(shí)施例5:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
采用實(shí)施例3中的渦輪導(dǎo)向器。導(dǎo)向器上各部分的溫度分布不變，機(jī)械載荷為實(shí)施例3 中機(jī)械載荷的15倍。采用和實(shí)施例3相同的步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，彈 性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為雙S型，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大 等效應(yīng)力為1401.7MPa。
取前兩個(gè)設(shè)計(jì)變量的上限，后兩個(gè)設(shè)計(jì)變量的下限得到典型的S型彈性支撐，此時(shí)導(dǎo)向 器模型的最大等效應(yīng)力為1417.6MPa。取這四個(gè)設(shè)計(jì)變量的下限，得到典型的倒U型彈性支 撐，此時(shí)導(dǎo)向器模型的最大等效應(yīng)力為1422.3MPa。
實(shí)施例6:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
采用實(shí)施例3中的渦輪導(dǎo)向器。導(dǎo)向器上各部分的溫度分布不變，機(jī)械載荷為實(shí)施例3 中機(jī)械載荷的20倍。采用和實(shí)施例3相同的步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，彈 性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為倒 7型，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大 等效應(yīng)力為1810.0MPa。
實(shí)施例7:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
采用實(shí)施例3中的渦輪導(dǎo)向器。導(dǎo)向器上各部分的溫度分布不變，機(jī)械載荷為實(shí)施例3中機(jī)械載荷的30倍。采用和實(shí)施例3相同的步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，彈
性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為倒f/型，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大
等效應(yīng)力為2601.5MPa。
實(shí)施例8:渦輪導(dǎo)向葉片的固定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
采用實(shí)施例3中的渦輪導(dǎo)向器。導(dǎo)向器上各部分的溫度分布不變，機(jī)械載荷為實(shí)施例3 中機(jī)械載荷的40倍。采用和實(shí)施例3相同的步驟進(jìn)行彈性支撐結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，彈 性支撐上設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。彈性支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式為倒U型，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大 等效應(yīng)力為3402.0MPa。
表l實(shí)施例3-8中，設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化取值(w—
機(jī)械載荷的倍數(shù)Far2 3Far4結(jié)構(gòu)形式
初始值100〗00100100直線型
實(shí)施例3112512585.6482.81S型
實(shí)施例410125124.6982.6780,87S型
實(shí)施例51512583.2698.1475雙s型
實(shí)施例62075757575倒C/型
實(shí)施例73075757575倒[/型
實(shí)施例84075757575倒t/型
權(quán)利要求
1、一種渦輪導(dǎo)向器，包括內(nèi)環(huán)、導(dǎo)向葉片和端面，其特征在于還包括彈性支撐，所述導(dǎo)向葉片的一端通過(guò)螺栓與內(nèi)環(huán)連接，另一端通過(guò)卡槽與彈性支撐連接，彈性支撐與端面通過(guò)螺釘固定連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪導(dǎo)向器，其特征在于所述彈性支撐是倒U型結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪導(dǎo)向器，其特征在于所述彈性支撐是S型結(jié)構(gòu)。
4、 一種權(quán)利要求l所述的渦輪導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括下述步驟(a) 建立帶有彈性支撐的渦輪導(dǎo)向器等效簡(jiǎn)化模型；(b) 沿徑向M+J等分彈性支撐母線，選用兩端點(diǎn)與M個(gè)等分點(diǎn)作為控制頂點(diǎn)，選用M 個(gè)等分點(diǎn)形成的控制頂點(diǎn)的第一軸向坐標(biāo)"rl，第二軸向坐標(biāo)K『2，……，第M軸向坐標(biāo) r^M作為設(shè)計(jì)變量，采用三次樣條函數(shù)對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行擬合，獲得彈性支撐的幾何母線，控 制彈性支撐的幾何構(gòu)形為倒U型結(jié)構(gòu)或S型結(jié)構(gòu)；(c) 將渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的單元最大等效應(yīng)力設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，建立彈性支撐幾何構(gòu)形的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型<formula>formula see original document page 2</formula>式中，Var是設(shè)計(jì)變量向量；M是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)；五Wt/M是截錐環(huán)的單元總數(shù)；C7,是第/ 個(gè)單元的等效應(yīng)力值；Fa《和r"g分別是第/個(gè)設(shè)計(jì)變量的上、下限；(d)在通用優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Boss-Quattro中，采用GCMMA進(jìn)行優(yōu)化求解。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種渦輪導(dǎo)向器，包括內(nèi)環(huán)、導(dǎo)向葉片和端面，其特點(diǎn)是還包括彈性支撐，所述導(dǎo)向葉片的一端通過(guò)螺栓與內(nèi)環(huán)連接，另一端通過(guò)卡槽與彈性支撐連接，彈性支撐與端面通過(guò)螺釘固定連接。上述渦輪導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)方法，首先建立帶有彈性支撐的等效簡(jiǎn)化模型；選用彈性支撐母線徑向等分點(diǎn)的軸向坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，采用樣條控制彈性支撐的幾何構(gòu)形；將導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的單元最大應(yīng)力設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定設(shè)計(jì)變量的變化范圍，建立彈性支撐幾何構(gòu)形的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；在通用優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Boss-Quattro中，采用GCMMA優(yōu)化算法進(jìn)行求解。由于將導(dǎo)向葉片通過(guò)彈性支撐固定在端面上，協(xié)調(diào)渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的矛盾，降低了渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。
文檔編號(hào)F01D17/00GK101575989SQ20091002296
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者張衛(wèi)紅, 楊軍剛, 丹 王, 王振培 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)