傅依順，沈 毅 ，姜曦灼，廖連芳

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣選材論證分析

傅依順，沈 毅 ，姜曦灼，廖連芳

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪機(jī)匣選材為例，對(duì)溫度、強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了計(jì)算分析，并結(jié)合生產(chǎn)成本、材料供應(yīng)狀況和工藝成熟度，提供了渦輪機(jī)匣材料選擇的方法。分析結(jié)果表明:GH4169合金比較適合作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣材料。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪機(jī)匣；選材；GH4169合金

0 引言

高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣要承受較高的溫度、內(nèi)外壁壓差，并且要傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力、扭矩和機(jī)動(dòng)載荷等，同時(shí)又要具有較輕的質(zhì)量，所以其設(shè)計(jì)具有一定難度，要充分考慮下列基本要求：合理地選擇耐高溫材料，保證零件在高溫下安全可靠地工作；既要保證機(jī)匣具有足夠的剛性，又要使得機(jī)匣質(zhì)量輕，并便于與轉(zhuǎn)子的裝配；要使機(jī)匣相互之間有很好的熱定心功能，轉(zhuǎn)、靜子之間能保持良好的同心度；具有良好的加工性能和較高的性價(jià)比。在某型發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪機(jī)匣的方案設(shè)計(jì)中，對(duì)照中國(guó)高溫合金基礎(chǔ)，初步?jīng)Q定從GH761、GH4169和GH901合金中選用1種機(jī)匣材料。

本文主要對(duì)溫度、強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)生產(chǎn)成本、材料供應(yīng)狀況和工藝成熟度進(jìn)行了比較分析，最后給出某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣選材的建議。

1 3種材料渦輪機(jī)匣強(qiáng)度、壽命計(jì)算分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，針對(duì)GH761、GH4169和GH901合金3種材料，分別對(duì)高、低壓渦輪機(jī)匣在設(shè)計(jì)（1A）、最大氣動(dòng)（2A）和最大熱負(fù)荷狀態(tài)（5A）下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力和位移進(jìn)行計(jì)算分析。

1.1 高壓渦輪機(jī)匣溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形

1.1.1 高壓渦輪機(jī)匣溫度場(chǎng)

對(duì)由GH761、GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機(jī)匣，在設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下分別進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，在此僅給出在設(shè)計(jì)狀態(tài)下3種材料對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)，如圖1所示（溫度單位：K）。在其它狀態(tài)下與在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的情況相似，故略去，3種材料對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下的溫度范圍見表1。

表1 3種材料對(duì)應(yīng)各狀態(tài)下的溫度范圍 K

1.1.2 高壓渦輪機(jī)匣應(yīng)力和變形

對(duì)由GH761、GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機(jī)匣，在設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下分別進(jìn)行了應(yīng)力和位移計(jì)算，現(xiàn)僅給出GH4169材料在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的徑向（半徑）和軸向位移，如圖2所示；在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的徑向、軸向和周向的應(yīng)力如圖3所示。在其它狀態(tài)下的位移和應(yīng)力變化與在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的相似，故略去。3種材料對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)、最大氣動(dòng)和最大熱負(fù)荷狀態(tài)下的位移和應(yīng)力范圍見表 2、3。

1.1.3 3 種材料高壓渦輪機(jī)匣計(jì)算結(jié)果分析和壽命估算

（1）3種材料徑向位移最大值比較見表4。從表中可見，GH4169和GH761合金的徑向位移計(jì)算結(jié)果比較接近，GH901比GH761合金的徑向位移稍大。

表2 各狀態(tài)位移最大值 mm

表3 各狀態(tài)應(yīng)力范圍 MPa

表4 徑向位移最大值比較 mm

（2）由3種材料加工的高壓渦輪機(jī)匣均可以滿足強(qiáng)度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循環(huán)估算高壓渦輪機(jī)匣低循環(huán)疲勞壽命。利用S-N曲線，分別計(jì)算出由GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機(jī)匣的疲勞壽命分別為8×104和2.5×104周；由于GH761合金的數(shù)據(jù)不全，無(wú)法給出由其加工的機(jī)匣的疲勞壽命，但其疲勞性能要好于GH901合金的。由3種材料加工的高壓渦輪機(jī)匣均可滿足3×103h設(shè)計(jì)壽命要求。

1.2 低壓渦輪機(jī)匣溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形

1.2.1 低壓渦輪機(jī)匣溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)由GH761、GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機(jī)匣，在設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下分別進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，由于其溫度場(chǎng)與高壓渦輪機(jī)匣的情況相似，故略去，現(xiàn)給出3種材料對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷狀態(tài)下的溫度范圍，見表5。

表5 3種材料對(duì)應(yīng)各種狀態(tài)的溫度范圍 K

1.2.2 低壓渦輪機(jī)匣應(yīng)力和變形

對(duì)由GH761、GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機(jī)匣，在設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下分別進(jìn)行了應(yīng)力和位移計(jì)算，由于其位移與高壓渦輪機(jī)匣的情況相似，故略去，現(xiàn)給出3種材料對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)和最大氣動(dòng)以及最大熱負(fù)荷狀態(tài)下的位移和應(yīng)力范圍見表6、7。

表6 各種狀態(tài)位移最大值 mm

表7 各種狀態(tài)應(yīng)力范圍 MPa

1.2.3 低壓渦輪機(jī)匣計(jì)算結(jié)果分析和壽命估算

（1）徑向位移最大值比較見表8。從表中可見，GH4169和GH761合金的徑向位移計(jì)算結(jié)果比較接近，GH901比GH761合金的徑向位移稍大。

表8 徑向位移最大值比較 mm

（2）由3種材料加工的低壓渦輪機(jī)匣均可以滿足強(qiáng)度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循環(huán)估算低壓渦輪機(jī)匣低循環(huán)疲勞壽命。利用S-N曲線，計(jì)算出由GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機(jī)匣的疲勞壽命均為105周以上；由于GH761合金的數(shù)據(jù)不全，無(wú)法給出由其加工的機(jī)匣的疲勞壽命，但其疲勞性能要好于GH901合金的。由3種材料加工的的低壓渦輪機(jī)匣均可滿足3000h的設(shè)計(jì)壽命要求。

2 3種材料機(jī)匣的質(zhì)量和成本

零件質(zhì)量是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程中必須進(jìn)行權(quán)衡。零件的制造成本，關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，同樣決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的生存，在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該考慮。由于計(jì)算零件的成本是1項(xiàng)復(fù)雜的工程，現(xiàn)在還沒有比較好的估算方法，只能暫時(shí)參考材料的價(jià)格。由3種材料加工的機(jī)匣的質(zhì)量和材料價(jià)格見表9。

表9 渦輪機(jī)匣質(zhì)量和材料價(jià)格

從表9中可見，由GH4169、GH901合金加工的機(jī)匣質(zhì)量分別比由GH761合金加工的重0.298kg和0.238kg，機(jī)匣的毛料質(zhì)量約為100kg；3種材料的成本是有差異的，由GH4169、GH761和GH901合金加工的每個(gè)渦輪機(jī)匣價(jià)格分別為7.6、7和6萬(wàn)元。

3 總結(jié)和建議

（1）高、低壓渦輪機(jī)匣可以選用GH761合金。但由于該合金毛料的供應(yīng)和鍛造質(zhì)量穩(wěn)定性存在一定的問題，且缺乏研究經(jīng)費(fèi)，沒有進(jìn)行冶煉和鍛造的深入研究，從而有關(guān)數(shù)據(jù)不全。只要解決鍛造質(zhì)量穩(wěn)定性問題，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上750℃環(huán)境下應(yīng)用GH761合金有一定發(fā)展空間。但要在更高溫度下應(yīng)用，還需進(jìn)行深入研究。

（2）高、低壓渦輪機(jī)匣若選用GH901合金，從上面分析可知，雖然該材料的生產(chǎn)成本較低，但力學(xué)性能比另2種材料的差，應(yīng)力也比另2種材料的高，其變形比GH761合金的大，渦輪葉尖間隙較大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和耐久性，因此不建議采用GH901合金用作機(jī)匣材料。

（3）GH4169合金力學(xué)性能優(yōu)越，持久和蠕變性能優(yōu)于另2種材料；通過計(jì)算可知，采用該材料加工的機(jī)匣變形較小，渦輪葉尖間隙更好控制；該材料應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)制造工藝也很成熟。從有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，選用GH4169合金，雖然其毛料成本最貴，但由于材料的成熟度高、制造工藝成熟，從而可減少生產(chǎn)中其他方面的投入，使其總成本有所降低。

雖然3種材料均能滿足渦輪機(jī)匣設(shè)計(jì)要求，但根據(jù)以上分析，建議采用GH4169合金作為渦輪機(jī)匣材料。

[1]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)：第2卷[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：155-359.

[2]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第10冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：238-243.

[3]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第16冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：97-135.

[4]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第17冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：71-295.

[5]《航空渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（研究報(bào)告）》編輯委員會(huì).航空渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（研究報(bào)告）：第4卷[S].北京:中國(guó)航空工業(yè)總公司發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工程局，1997：17-197.

Demonstration of Material Selection for an Aeroengine Turbine Frame

FU Yi-shun,SHEN Yi,JIANG Xi-zhuo,LIAO Lian-fang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institue,Shenyang 110015,China）

Take material selection of an aeroengine high and low pressure turbine casing as an example,the temperature,strength and life of the frame with different materials were calculated and analyzed.The advice of material selection for the turbine casing were proposed with the manufacture cost,material source and TRL.The results show that GH4169alloy is more suitable for aeroengine turbine casing.

aeroengine;turbine casing;material selection;GH4169alloy

傅依順（1967），男，自然科學(xué)研究員，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。