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）

先進(jìn)渦輪盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比分析

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）

為減小航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤應(yīng)力，減輕質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，介紹了3種先進(jìn)渦輪盤，即纖維增強(qiáng)渦輪盤、雙輻板渦輪盤和整體渦輪葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，提出其未來的研制設(shè)想；應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)傳統(tǒng)渦輪盤與3種先進(jìn)渦輪盤進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比分析和質(zhì)量計(jì)算。結(jié)果表明：3種先進(jìn)渦輪盤在強(qiáng)度和質(zhì)量方面較傳統(tǒng)渦輪盤具有優(yōu)勢(shì)，突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)后，可應(yīng)用于未來高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中。

渦輪盤；纖維增強(qiáng)；雙輻板；整體葉盤；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷增大，渦輪盤工作溫度和轉(zhuǎn)速也隨之提高，迫使渦輪盤設(shè)計(jì)朝著高強(qiáng)度、低質(zhì)量的方向發(fā)展。目前在役發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤結(jié)構(gòu)很難滿足未來大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需求，國(guó)外對(duì)纖維增強(qiáng)渦輪盤、雙輻板渦輪盤、整體葉盤等先進(jìn)結(jié)構(gòu)都開展了相關(guān)研究和試驗(yàn)。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，較傳統(tǒng)渦輪盤質(zhì)量減輕了17%，轉(zhuǎn)速提高了9%；AADC公司在IHPTET研究計(jì)劃下，采用擴(kuò)散焊連接技術(shù)將Lamilloy單晶葉片連接到粉末合金盤上，開發(fā)了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)XTC16/1A的雙合金整體渦輪，質(zhì)量減輕了25%～30%。

本文對(duì)常規(guī)渦輪盤、纖維增強(qiáng)渦輪盤、雙輻板渦輪盤和整體葉盤的加工方法和難度，及在相同輪盤內(nèi)、外徑和載荷條件下的強(qiáng)度水平進(jìn)行了對(duì)比分析和評(píng)估，希望為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤研制提供參考。

1 常規(guī)渦輪盤分析

目前在役的常規(guī)渦輪盤結(jié)構(gòu)大致由輪緣、輻板、輪轂和安裝邊4部分組成，以榫齒連接的形式傳遞葉片離心力等載荷，渦輪盤前后加擋板，防止葉片軸向竄動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 常規(guī)渦輪盤結(jié)構(gòu)

利用有限元軟件ANSYS對(duì)渦輪盤進(jìn)行初步強(qiáng)度分析，計(jì)算中考慮了葉片離心力和盤自身離心力的作用，施加了沿輪盤徑向分布變化的溫度場(chǎng)，采用材料非線性計(jì)算方法，考慮了材料性能隨溫度的變化。常規(guī)渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布分別如圖2～3所示，關(guān)鍵部位的應(yīng)力值和常規(guī)渦輪盤質(zhì)量見表1。

圖2 常規(guī)渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖3 常規(guī)渦輪盤周向應(yīng)力分布

表1 常規(guī)渦輪盤計(jì)算結(jié)果

2 纖維增強(qiáng)渦輪盤分析

纖維增強(qiáng)渦輪盤是在常規(guī)渦輪盤基體內(nèi)部植入SiC纖維圓環(huán)，利用高強(qiáng)度SiC纖維圓環(huán)來減小渦輪盤強(qiáng)度薄弱部位的應(yīng)力水平。SiC纖維密度僅為渦輪盤基體材料的40%，而抗拉強(qiáng)度是基體材料的2倍，將其植入盤心部位可以有效降低盤心周向應(yīng)力。結(jié)合常規(guī)渦輪盤特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出如圖4所示的纖維增強(qiáng)渦輪盤。

圖4 纖維增強(qiáng)渦輪盤

在纖維增強(qiáng)渦輪盤上施加與上述相同的邊界條件和載荷，可以得到纖維增強(qiáng)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，關(guān)鍵部位的應(yīng)力值和纖維增強(qiáng)渦輪盤質(zhì)量見表2。

圖5 纖維增強(qiáng)渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖6 纖維增強(qiáng)渦輪盤周向應(yīng)力分布

表2 纖維增強(qiáng)渦輪盤計(jì)算結(jié)果

在纖維增強(qiáng)渦輪盤制造過程中，首先是將SiC纖維纏繞成圓環(huán)狀，然后埋入渦輪盤基體金屬粉末中，采用熱等靜壓技術(shù)將纖維圓環(huán)和盤固定在一起，最后進(jìn)行機(jī)械加工，以滿足渦輪盤外形設(shè)計(jì)要求。在制造過程中需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）固定纖維絲端頭，不能在制造和使用過程中松開；

（2）保證纖維環(huán)圓度，纖維環(huán)出現(xiàn)橢圓會(huì)影響渦輪盤基體的應(yīng)力分布；

（3）保證纖維環(huán)與渦輪盤的同心度，不同心會(huì)影響纖維環(huán)對(duì)渦輪盤的加強(qiáng)效果；

（4）纖維環(huán)與基體的結(jié)合度以及纖維環(huán)位置的檢測(cè)。

3 雙輻板渦輪盤分析

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)點(diǎn)。在內(nèi)孔進(jìn)氣冷卻葉片方案中，可以將冷氣從盤體內(nèi)部引到盤緣對(duì)葉片進(jìn)行冷卻，葉片采用前、后無螺栓擋板形式固定，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙輻板渦輪結(jié)構(gòu)

在雙輻板渦輪盤上施加與常規(guī)渦渦輪盤相同的邊界條件和載荷，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，通過計(jì)算可以得到雙輻板渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，分別如圖8、9所示，關(guān)鍵部位的應(yīng)力值和雙輻板渦輪盤的質(zhì)量見表3。

圖8 雙輻板渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖9 雙輻板渦輪盤周向應(yīng)力分布

表3 雙輻板渦輪盤計(jì)算結(jié)果

在雙輻板渦輪盤制造過程中，首先加工好2個(gè)對(duì)稱半盤結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械加工手段加工出冷氣內(nèi)型孔，然后通過擴(kuò)散焊或線性摩擦焊方式將2個(gè)半盤連接在一起，最后進(jìn)行機(jī)械加工外部尺寸來滿足設(shè)計(jì)要求。在制造過程中需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）2個(gè)半盤要有足夠的連接強(qiáng)度，不能在使用過程中分開；

（2）保證2個(gè)半盤的同心度，有利于盤體應(yīng)力的合理分布；

（3）有效去除2個(gè)半盤連接后內(nèi)型孔斷面所產(chǎn)生的飛邊。

4 整體葉盤分析

整體葉盤結(jié)構(gòu)是將葉片直接焊接在渦輪盤上，盤和葉片可以采用不同性能的材料。渦輪葉片選擇單晶材料，以滿足持久蠕變性能高的要求；渦輪盤選擇具有高屈服強(qiáng)度和低循環(huán)疲勞性能的粉末高溫合金，從而實(shí)現(xiàn)了渦輪盤與葉片的最佳組合。整體葉盤結(jié)構(gòu)省去了榫頭連接形式，減輕了葉片質(zhì)量，減小了輪緣載荷，非常有效地減輕了渦輪盤的質(zhì)量。自行設(shè)計(jì)的1種整體渦輪葉盤結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 自行設(shè)計(jì)的整體葉盤結(jié)構(gòu)（葉片未示出）

在輪緣上施加葉片離心拉力，在渦輪盤上施加與常規(guī)渦輪盤相同的邊界條件和載荷，通過計(jì)算得到整體葉盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布分別如圖11、12所示，關(guān)鍵部位的應(yīng)力值和整體渦輪盤質(zhì)量見表4。

在整體渦輪盤制造過程中，首先分別加工好渦輪盤和葉片，然后通過擴(kuò)散焊或電子束焊等先進(jìn)焊接技術(shù)將葉片和盤連接在一起，最后進(jìn)行機(jī)械加工來滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)和制造過程中需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）葉片和盤的焊接，既要滿足焊接部位的強(qiáng)度要求，又要保證葉片材料在焊接過程中不發(fā)生重熔現(xiàn)象影響壽命；

圖11 整體葉盤徑向應(yīng)力分布

圖12 整體葉盤周向應(yīng)力分布

（2）整體葉盤在使用過程中的維修性；

（3）葉片的振動(dòng)控制；

（4）葉片冷氣流路的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)渦輪盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和質(zhì)量都很大，但其制造、設(shè)計(jì)難度較小，技術(shù)較成熟，適合在役發(fā)動(dòng)機(jī)使用，但在提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比方面的潛力略顯不足。

（2）雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低工作溫度，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，在應(yīng)力水平與傳統(tǒng)渦輪盤相當(dāng)?shù)那闆r下，可以減輕渦輪盤質(zhì)量，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

（3）纖維增強(qiáng)渦輪盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與傳統(tǒng)渦輪盤結(jié)構(gòu)的相似，但纖維環(huán)對(duì)盤心起到了加強(qiáng)作用，有效地降低了盤心的周向應(yīng)力，進(jìn)而減輕了渦輪盤的質(zhì)量，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

（4）整體葉盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平低，質(zhì)量輕，但其制造、設(shè)計(jì)難度很大，涵蓋了渦輪盤設(shè)計(jì)、冷卻葉片設(shè)計(jì)和焊接技術(shù)等多方面，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比方面潛力巨大。

（5）雙輻板渦輪盤和纖維增強(qiáng)渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工技術(shù)難度跨度相對(duì)較小，適合作為在研高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的首選方案；整體葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工技術(shù)難度相對(duì)較大，適合作為未來更高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的首選方案。

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A Comparative Contract Analysis on Structural Strength of Advanced Turbine Disk

LUAN Yong-xian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The fiber-reinforced,dual-web and blisk turbine disk were introduced to reduce the stressand weightand increase the thrust-weight ratio of aeroengine.The future developmentof these advanced turbine structure was proposed.The strength contractanalysisand weightcalculation between the traditional turbine disk and three kindsofadvanced turbine disk were conducted by the finite elementanalysis software.The results show that the three kinds of advanced turbine disk structures have superiority in aspectof strength and weight comparing to the traditional turbine disk,and all these advanced turbine disk structures can be used in the future aeroenginewith high thrust-weight ratio after all the comparable critical technologiesare obtained.

turbine disk;fiber-reinforced;dual-web;blisk;structural strength;aeroengine

2012-08-28

欒永先（1982），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。