基于TRIZ的发动机榫连接结构强度设计优化

陈欢欢 朱海燕 余嘉伟

摘 要：榫头/榫槽是航空发动机涡轮转子重要结构，该结构的设计合理性直接关系到转子部件的强度和寿命，并影响发动机性能。本文基于TRIZ（发明问题解决理论）方法，通过因果分析确定了主要技术矛盾，通过查找矛盾矩阵得到推荐的发明原理，完成了两型发动机涡轮榫头/榫槽连接结构的优化改进，有效降低零件应力水平，延长疲劳寿命，达到预期目标。

关键词：TRIZ;榫结构;强度;优化

中图分类号：V231.91 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0096-02

榫头/榫槽连接结构通常用来连接涡轮转子叶片与涡轮盘，该结构具有承受拉伸载荷大、周向尺寸较小、材料利用充分和拆装更换方便等优点，在航空发动机中应用广泛。

由于涡轮叶片根部承受的离心力高，且榫头通常在高温下工作，材料的力学性能急剧降低。同时由于榫齿间过渡圆弧半径小，榫接部位应力集中现象严重。榫连接结构承受的应力状态非常复杂，包括离心拉应力、弯曲应力、热应力和振动应力等，这些因素使榫头/榫槽连接结构很容易在发动机工作中发生故障。该结构的设计合理性直接关系到转子部件的强度和寿命，并影响发动机性能。

因此，开展涡轮转子榫头/榫槽结构强度优化改进研究，探索适用的改进设计方法，以减少发动机榫接结构强度寿命类故障，具有重要意义。

1 问题描述

（1）某涡轮盘榫槽齿根部位应力水平较高，安全寿命不足，需对榫槽结构进行改进设计。如何在保证涡轮叶片榫头结构不作调整，降低涡轮盘榫槽应力水平，提高轮盘榫槽寿命？

（2）某涡轮盘配重叶片出现裂纹，疲劳寿命不足，需对配重叶片榫头结构进行改进设计。如何在保证涡轮盘榫槽结构不作调整，降低配重叶片榫头应力水平，保证试验顺利进行？

2 解题过程

采用TRIZ理论解决此类问题，解题过程见图1。通过因果分析等手段，查找薄弱组件、技术矛盾，再应用矛盾矩阵法进行发明原理的查找，根据发明原理进行解题[1]。

2.1 结构分析

榫头/榫槽连接叶片和轮盘，带动叶片随轮盘旋转，榫头/榫槽结构图见图2。榫头承受整个叶片的离心力/离心弯矩、气动力/气动弯矩、榫齿挤压应力和摩擦力。榫槽承受叶片榫头榫齿作用的挤压应力和摩擦力，以及榫槽凸台本身的离心力。

2.2 因果分析

涡轮盘榫槽齿形中存在平面，有利于榫头/榫槽之间的装配连接，但会导致榫齿应力增加。将此处齿形中平直面优化为曲面，应力降低，但同时会降低装配可靠性。该问题的主要技术矛盾是榫齿形状与榫齿应力，因果分析图见图3（a）。

配重叶片榫头通过3对榫齿与轮盘榫槽连接，由于第1榫齿处应力较大，导致疲劳寿命不足，试验时出现疲劳裂纹。调整增大榫齿间隙，可改变3对榫齿所分担的叶片离心载荷的比例，第1榫齿处应力降低，但会导致叶片实际加工精度要求增大。该问题的主要技术矛盾是榫齿应力与制造精度，因果分析图见图3（b）。

2.3 矛盾矩阵

针对轮盘榫槽问题的技术矛盾，查找经典矛盾矩阵，得到推荐发明原理见表1。经分析，原理14（曲面化原理）适用。

针对配重叶片问题的技术矛盾，查找经典矛盾矩阵，得到推荐发明原理见表2。经分析，原理3（局部质量原理）适用。

2.4 改进方案

根据上述推荐发明原理，确定改进方案见表3。

3 优化改进设计及效果

3.1 涡轮盘榫槽改进设计

通过提取涡轮盘榫槽典型结构参数，确定优化设计变量，进行参数化建模和有限元分析。保证榫齿工作面不变，将榫齿齿形中单段圆弧改为多段圆弧并增加榫齿圆角半径。榫槽结构优化方案见图4。

经有限元分析，轮盘榫槽处应力和寿命计算结果见表4和表5[2]。榫槽根部当量应力降低20.4%，通过轮盘榫槽结构优化改进，榫槽疲劳寿命提高了近1倍，说明改进措施有效。

3.2 配重叶片榫头改进设计

涡轮盘配重叶片作为陪試件随涡轮盘进行试验，轮盘已加工出实物，其几何模型不能改进设计，只能优化叶片榫头齿形。

通过微调榫头榫齿齿距，改变榫头和榫槽工作面之间榫齿间隙，调整3对榫齿承受的叶片离心力载荷比例，降低叶片第1榫齿承担的离心力比例，从而降低第1榫齿处的应力，提高叶片安全寿命。配重叶片榫齿齿距优化方案见图5。

调整榫齿间隙后，建立配重叶片与低压涡轮盘联合有限元模型，计算得到配重叶片应力和寿命见由表6和表7[3]。榫头第1榫齿承担的离心载荷比例降低至23.5%，最大当量应力减低15.4%，疲劳寿命提高约4倍，说明改进措施有效。

4 结语

本文采用基于TRIZ的创新方法分别对两型发动机涡轮盘榫槽和配重叶片榫头进行了结构强度优化改进，有效降低了榫连接处的应力水平，提高了零件疲劳寿命，满足优化改进的要求。

该方法可应用于航空发动机及燃气轮机中压气机叶片盘、涡轮叶片盘榫连接结构榫齿应力调整。在榫接结构中一方不改变的前提下，对另一方结构进行局部优化改进，提高安全寿命，降低零件在实际工作或试验中发生故障的风险。

参考文献

[1] 周苏，张丽娜，陈敏玲.创新思维与TRIZ创新方法[M].北京：清华大学出版社，2018.

[2] 某发动机燃气涡轮盘榫槽改进设计强度寿命计算[R].科研报告，2015.

[3] 某发动机低压涡轮配重叶片改进设计强度、寿命计算[R].科研报告，2018.