欒永先

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

0 引言

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷增大，渦輪盤的工作溫度和轉(zhuǎn)速也不斷提高，從而使其設(shè)計(jì)向著耐高溫和高強(qiáng)度、低質(zhì)量的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)很難滿足未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，因此，亟需開發(fā)1種先進(jìn)的渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。美國(guó)PW公司在IHPTET計(jì)劃ATEGG分計(jì)劃第III階段的XTC67/1驗(yàn)證機(jī)上，對(duì)雙輻板渦輪盤進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)渦輪盤相比，雙輻板渦輪盤質(zhì)量減輕了17%，轉(zhuǎn)速提高了9%。

本文對(duì)雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)傳統(tǒng)渦輪盤和雙輻板渦輪盤的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)分析

雙輻板渦輪盤是由2個(gè)對(duì)稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結(jié)構(gòu)，具有減輕質(zhì)量和提高AN2值等優(yōu)勢(shì)。在內(nèi)孔進(jìn)氣冷卻葉片方案中，具有滑出的小舌，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)小舌固定到位，以收集冷卻空氣，并將其引到盤緣對(duì)葉片進(jìn)行冷卻。美國(guó)PW公司對(duì)雙輻板渦輪盤進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，所采用的渦輪盤結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

從圖1中可見，雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤有很大差異，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有2大優(yōu)點(diǎn)。

（1）在渦輪部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以利用雙輻板渦輪盤中的空腔形成冷卻氣體通道，一方面利用高壓氣對(duì)渦輪工作葉片進(jìn)行冷卻，另一方面可以讓高壓氣充分冷卻盤體，使渦輪盤在相對(duì)較低的溫度下工作，有利于提高盤的強(qiáng)度和壽命或利于減重設(shè)計(jì)。

（2）在傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)中，高壓渦輪盤和盤前封嚴(yán)盤之間形成冷氣通道，高壓氣流經(jīng)此通道來冷卻葉片和渦輪盤，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。而在雙輻板渦輪結(jié)構(gòu)中，高壓氣可以從盤心流經(jīng)盤體并冷卻工作葉片，從而可以根據(jù)渦輪工作狀態(tài)和葉片氣動(dòng)力狀態(tài)，采用無螺栓擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將渦輪盤前、后封嚴(yán)盤設(shè)計(jì)成無螺栓擋板結(jié)構(gòu)形式，不僅可以減輕質(zhì)量，而且能提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)高壓渦輪結(jié)構(gòu)

圖3 雙輻板渦輪結(jié)構(gòu)

在加工過程中，首先加工出2個(gè)對(duì)稱的半盤結(jié)構(gòu)，然后通過熱等靜壓或者摩擦焊等方式將2個(gè)半盤粘合在一起，利用機(jī)械加工等方式完成盤的最后成形。在加工過程中需要解決以下關(guān)鍵問題：

（1）保證2個(gè)半盤之間具有足夠的連接強(qiáng)度，避免雙輻板渦輪盤在工作中分開；

（2）保證2個(gè)半盤之間的同心度，避免不同心帶來附加應(yīng)力，影響渦輪正常工作；

（3）處理好輪盤焊接后結(jié)合部位產(chǎn)生的飛邊，尤其是冷氣通道內(nèi)部的飛邊。

2 雙輻板渦輪盤強(qiáng)度分析

與傳統(tǒng)渦輪盤相比,雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都具有很大優(yōu)勢(shì)，下文分別對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦輪盤和雙輻板渦輪盤進(jìn)行了有限元分析，對(duì)比說明雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。

2.1 邊界條件計(jì)算

為使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦輪盤和雙輻板渦輪盤的計(jì)算結(jié)果具有可對(duì)比性，在分析過程中采用相同的材料數(shù)據(jù)、邊界條件和間接熱固耦合計(jì)算方法，有限元模型具有相同的盤緣和盤心直徑。計(jì)算中考慮了工作葉片離心拉力、熱應(yīng)力和自轉(zhuǎn)離心力的影響，工作葉片離心拉力以載荷形式施加在輪盤相應(yīng)位置，具體數(shù)值為

式中：F為葉片離心拉力；n為葉片數(shù)；m為單個(gè)葉片質(zhì)量；r為葉片質(zhì)心半徑；w為輪盤工作角速度。

經(jīng)計(jì)算得出F=15249046 N。

計(jì)算中的渦輪盤均采用較成熟的FGH96粉末合金，采用非線性計(jì)算方法，考慮了材料性能隨溫度的變化。參照某渦輪盤的溫度分布，計(jì)算中渦輪盤的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

在結(jié)果分析中，采用FGH96合金在工作溫度下的拉伸性能數(shù)據(jù)（見表1）來判定輪盤的應(yīng)力水平。以渦輪盤的輻板最大平均徑向應(yīng)力、輻板截面最大平均周向應(yīng)力和盤心平均周向應(yīng)力的安全系數(shù)為考核判定依據(jù)，按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范，安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到要求，見表2。

圖4 渦輪盤溫度場(chǎng)分布

表1 FGH96合金拉伸性能數(shù)據(jù) MPa

表2 強(qiáng)度校核用安全系數(shù)要求 MPa

2.2 傳統(tǒng)渦輪盤強(qiáng)度分析

在對(duì)傳統(tǒng)渦輪盤進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，以某渦輪盤為初始模型，采用軸對(duì)稱8節(jié)點(diǎn)4邊形單元建立渦輪盤的2維軸對(duì)稱模型，榫槽部位采用平面應(yīng)力單元模擬，共建立987個(gè)平面應(yīng)力單元，8996個(gè)軸對(duì)稱單元。渦輪盤采用單點(diǎn)軸向約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，計(jì)算得到傳統(tǒng)渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，分別如圖5、6所示。

通過后處理分析，得到質(zhì)量為85.4 kg的傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力水平，見表3。從表3中可見，傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力水平很高，安全系數(shù)與強(qiáng)度規(guī)范要求數(shù)值相差較大。

圖5 傳統(tǒng)渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖6 傳統(tǒng)渦輪盤周向應(yīng)力分布

表3 傳統(tǒng)渦輪盤計(jì)算結(jié)果 MPa

2.3 雙輻板渦輪盤2維強(qiáng)度分析

計(jì)算中所用雙輻板渦輪盤是根據(jù)傳統(tǒng)渦輪盤特點(diǎn)而自行設(shè)計(jì)的，其盤緣和盤心直徑均與傳統(tǒng)渦輪盤的相同。采用軸對(duì)稱8節(jié)點(diǎn)4邊形單元建立渦輪盤的2維軸對(duì)稱模型，榫槽部位采用平面應(yīng)力單元模擬，共生成987個(gè)平面應(yīng)力單元，11552個(gè)軸對(duì)稱單元。輪盤采用單點(diǎn)軸向約束，2個(gè)對(duì)稱半盤在盤心冷氣入口部位采用軸向位移耦合約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，未考慮盤心冷氣的影響，最終得到渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，分別如圖7、8所示。

圖7 雙輻板渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖8 雙輻板渦輪盤周向應(yīng)力分布

通過后處理分析可以得到質(zhì)量為78.8 kg的雙輻板渦輪盤的應(yīng)力水平，見表4。從表4中可見，雙輻板渦輪盤的應(yīng)力水平比傳統(tǒng)輪盤的有所減小，輻板截面最大平均周向應(yīng)力和盤心平均周向應(yīng)力的安全系數(shù)略低于強(qiáng)度規(guī)范要求。

表4 雙輻板渦輪盤計(jì)算結(jié)果 MPa

2.4 雙輻板渦輪盤3維強(qiáng)度分析

對(duì)雙輻板渦輪盤進(jìn)行的2維分析可知其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足要求。為考察冷氣孔對(duì)強(qiáng)度的影響，對(duì)雙輻板渦輪盤進(jìn)行了3維有限元分析。在3維計(jì)算中所用模型是根據(jù)上節(jié)中2維截面旋轉(zhuǎn)而成的，在榫槽底部沿徑向設(shè)計(jì)冷氣通道，2個(gè)對(duì)稱半盤在盤心處設(shè)計(jì)多個(gè)間斷凸塊，防止在工作中半盤向?qū)ΨQ平面彎曲產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。其盤緣和盤心直徑均與傳統(tǒng)渦輪盤的相同，3維模型扇形段如圖9所示。

采用4節(jié)點(diǎn)4面體3維單元建立雙輻板渦輪盤的循環(huán)對(duì)稱模型，并以循環(huán)對(duì)稱方法進(jìn)行計(jì)算，渦輪盤采用單點(diǎn)軸向約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，最終得到雙輻板渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，冷氣通道所在截面的應(yīng)力分布分別如圖10和圖11所示。

圖9 雙輻板渦輪盤3維模型扇形段

圖10 雙輻板渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖11 雙輻板渦輪盤周向應(yīng)力分布

通過后處理分析，得到質(zhì)量為77.3 kg雙輻板渦輪盤的3維計(jì)算結(jié)果，見表5。從表5中可見，在冷氣通道的影響下，雙輻板渦輪盤的3維應(yīng)力計(jì)算水平較2維計(jì)算值有所減小，比較符合客觀實(shí)際，各考核部位的安全系數(shù)略低于強(qiáng)度規(guī)范要求。

表5 雙輻板渦輪盤3維計(jì)算結(jié)果 MPa

2.5 計(jì)算分析總結(jié)

通過上述計(jì)算分析，可以看出雙輻板渦輪盤較傳統(tǒng)渦輪盤在強(qiáng)度和質(zhì)量方面具有一定優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)渦輪盤2維計(jì)算結(jié)果和雙輻板渦輪盤3維計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況見表6。

表6 傳統(tǒng)渦輪盤與雙輻板渦輪盤計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.6 雙輻板渦輪盤的改進(jìn)措施

經(jīng)計(jì)算分析可知，雙輻板渦輪盤的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求仍然存在一定差距，可以通過采取如下措施來彌補(bǔ)，為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（1）上述計(jì)算模型僅是方案設(shè)計(jì)階段的初始模型，在今后研究中應(yīng)以改模型為基礎(chǔ)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，以降低輪盤局部的工作應(yīng)力，提高其安全系數(shù)。

（2）上述雙輻板渦輪盤計(jì)算采用的盤體溫度場(chǎng)分布與傳統(tǒng)渦輪盤的相同，而實(shí)際上雙輻板輪盤的溫度要略低，其實(shí)際安全系數(shù)應(yīng)高于上述計(jì)算結(jié)果，今后的工作中要精確計(jì)算雙輻板渦輪盤的溫度分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（3）新結(jié)構(gòu)必須與新材料相對(duì)應(yīng)，未來研究會(huì)將下一代粉末材料應(yīng)用于雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣可使盤體強(qiáng)度提高80 MPa左右，大大增加了輪盤的安全系數(shù)。

3 結(jié)論

（1）雙輻板渦輪盤可以使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，零件數(shù)量減少，可靠性和推重比提高。

（2）雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力分布有一定區(qū)別，改善了渦輪盤的應(yīng)力狀態(tài)，有利于延長(zhǎng)壽命。

（3）在應(yīng)力水平大致相當(dāng)?shù)那闆r下，雙輻板渦輪盤較傳統(tǒng)渦輪盤在質(zhì)量方面有較大優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步降低渦輪部件質(zhì)量，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

（4）通過今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料的使用，可以進(jìn)一步提高雙輻板渦輪盤的強(qiáng)度，必將在未來的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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