劉 濤，鄧 強(qiáng)，劉 源，龍 超

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

葉盤(pán)是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，它的性能水平對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性具有決定性的影響。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，導(dǎo)致葉盤(pán)的負(fù)荷越來(lái)越大，對(duì)葉盤(pán)工作溫度、轉(zhuǎn)速、性能的要求越來(lái)越高。隨著第四代戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)，開(kāi)始采用整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是省去了榫頭減小了輪緣載荷、有效地減輕了葉盤(pán)的重量，可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和改善冷卻效果，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率［1－3］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)強(qiáng)度問(wèn)題展開(kāi)了大量的研究工作，特別是美國(guó)在1980年后隨著HOST計(jì)劃的推進(jìn)，在提高渦輪葉盤(pán)等熱端部件耐久性和可靠性方面取得了豐碩成果［4－5］;我國(guó)在 80年代后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件展開(kāi)的研究工作，也取得了一定的成果［6－8］?，F(xiàn)如今隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比要求的提高，渦輪葉盤(pán)研究的一大趨勢(shì)是既要保證葉盤(pán)的高強(qiáng)度又要降低葉盤(pán)的質(zhì)量［1］?；诖?，筆者以質(zhì)量更輕的整體葉盤(pán)為研究對(duì)象，對(duì)兩種不同斷面結(jié)構(gòu)的整體葉盤(pán)的強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析，該計(jì)算對(duì)整體葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于預(yù)先研究的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉盤(pán)，該整體葉盤(pán)上共有30片葉片，省去了榫頭連接形式，葉片通過(guò)先進(jìn)焊接技術(shù)與渦輪盤(pán)連接在一起，渦輪盤(pán)中心開(kāi)有一個(gè)孔，作為冷卻氣流流通用。忽略葉—盤(pán)焊接處的局部影響，在UG中建立實(shí)心葉盤(pán)模型，如圖1(a)所示。將UG中建立的葉盤(pán)模型導(dǎo)入ABAQUS中，采用四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元對(duì)模型進(jìn)行離散，得到葉盤(pán)的有限元模型，如圖1(b)所示。由于葉盤(pán)模型形狀不規(guī)則需要手工劃分網(wǎng)格，來(lái)防止所分網(wǎng)格包含奇異角單元，在計(jì)算過(guò)程中造成剛度矩陣奇異，導(dǎo)致計(jì)算失敗。

按質(zhì)量更輕準(zhǔn)則［1］，對(duì)實(shí)心葉盤(pán)的斷面進(jìn)行優(yōu)化，得到空心葉盤(pán)，優(yōu)化后的空心葉盤(pán)和實(shí)心葉盤(pán)的斷面結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖2所示。

圖1 整體葉盤(pán)計(jì)算模型

圖2 實(shí)心、空心葉盤(pán)斷面結(jié)構(gòu)

1.2 葉盤(pán)的材料參數(shù)

葉盤(pán)的材料是某高溫合金，它是以鎳－鉻為機(jī)體并添加其它元素形成彌散強(qiáng)化的合金，在高溫下具有足夠的強(qiáng)度［9］，在各溫度下材料的彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、強(qiáng)度極限和密度等性能參數(shù)，如表1。

表1 某型高溫葉盤(pán)材料力學(xué)性能參數(shù)

1.3 邊界條件與計(jì)算載荷

(1)邊界條件 采用整體葉盤(pán)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，整個(gè)葉盤(pán)受到剛體約束，為防止葉盤(pán)軸向發(fā)生剛體位移，還需要對(duì)葉盤(pán)中心孔處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向約束。

(2)載荷施加 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，葉盤(pán)承受的載荷主要有自身的離心力載荷、溫度梯度載荷，氣動(dòng)載荷、葉盤(pán)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷［3］。而其中氣動(dòng)載荷和振動(dòng)載荷數(shù)據(jù)比較有限，對(duì)葉盤(pán)強(qiáng)度影響不大，所以在葉盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，主要考慮離心載荷和溫度載荷的影響。

本型整體葉盤(pán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min(即1 046.67 rad/s)，葉盤(pán)自身離心載荷以角速度的形式施加在整個(gè)計(jì)算模型上，加載后的模型離心載荷分布，如圖3所示。

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相擬合，得到與半徑相關(guān)的溫度梯度載荷表達(dá)式為:

式中:r為葉盤(pán)半徑，其溫度載荷分布如圖4所示。

圖3 離心載荷分布

圖4 溫度載荷分布

2 葉盤(pán)應(yīng)力計(jì)算與分析

2.1 單溫度載荷作用下的應(yīng)力計(jì)算

單溫度場(chǎng)作用下實(shí)心整體葉盤(pán)和空心整體葉盤(pán)的等效應(yīng)力分布如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明，在單溫度場(chǎng)作用下，當(dāng)葉緣溫度高于盤(pán)心溫度時(shí)，由溫度梯度引起的熱應(yīng)力，實(shí)心整體葉盤(pán)和空心整體葉盤(pán)均沿半徑方向由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)大，并在中心孔某位置處達(dá)到最大值，實(shí)心葉盤(pán)和空心葉盤(pán)等效熱應(yīng)力最大值分別為959.2 MPa和1 000 MPa。

圖5 單溫度場(chǎng)作用下的等效應(yīng)力分布云圖

2.2 單離心載荷作用下的應(yīng)力計(jì)算

單離心力作用下實(shí)心整體葉盤(pán)和空心整體葉盤(pán)的等效應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 單離心載荷作用下的等效應(yīng)力分布云圖

計(jì)算結(jié)果表明，在單離心載荷作用下實(shí)心整體葉盤(pán)和空心整體葉盤(pán)，沿半徑方向的等效應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，均出現(xiàn)峰值波動(dòng)，在葉緣和中心孔處應(yīng)力值最低，應(yīng)力沿半徑方向由外向內(nèi)，在葉片部位應(yīng)力逐漸增大，到盤(pán)體部位在逐漸減小后又增大，到中心孔附近再逐漸減小。不同的是實(shí)心葉盤(pán)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在葉－盤(pán)結(jié)合處，大小為565.3 MPa，而空心葉盤(pán)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在空腔位置處，大小為791.2 MPa。

2.3 離心力和溫度場(chǎng)耦合作用下的應(yīng)力計(jì)算

在離心力和溫度場(chǎng)耦合作用下，實(shí)心葉盤(pán)和空心葉盤(pán)的等效應(yīng)力分布如圖7所示。應(yīng)力－半徑變化曲線如圖8所示。

圖7 等效應(yīng)力分布云圖

圖8 應(yīng)力－半徑變化曲線圖

計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論是實(shí)心葉盤(pán)還是空心葉盤(pán)，葉緣處的應(yīng)力水平都是最低的，而在葉－盤(pán)結(jié)合處，應(yīng)力具有較高的水平，在制造時(shí)應(yīng)注意葉－盤(pán)結(jié)合部的強(qiáng)度要求，該處對(duì)焊接技術(shù)要求極高，因?yàn)榧纫獫M足接合部位的強(qiáng)度要求，又要保證焊接過(guò)程中不發(fā)生重熔現(xiàn)象而影響壽命，這正是整體葉盤(pán)相較于傳統(tǒng)渦輪制造工藝復(fù)雜的原因。實(shí)心整體葉盤(pán)的最大應(yīng)力發(fā)生在中心孔處，其最大應(yīng)力值1 056 MPa?？招恼w葉盤(pán)的最大應(yīng)力發(fā)生在中心孔和空腔部位，其最大應(yīng)力值為1 081 MPa，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要特別重視中心孔處的強(qiáng)度分析，對(duì)于空心葉盤(pán)還須注意空腔部位的強(qiáng)度需求。

從應(yīng)力－半徑變化曲線圖可以看出，實(shí)心整體葉盤(pán)和空心整體葉盤(pán)，均滿足工作溫度下合金材料屈服極限和強(qiáng)度極限的要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空心葉盤(pán)與實(shí)心葉盤(pán)相比，除了質(zhì)量更輕之外，在中心孔附近區(qū)域的應(yīng)力值也有所下降，提高了葉盤(pán)中心孔這一應(yīng)力最大區(qū)域的可靠性，進(jìn)一步表明了優(yōu)化后空心葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)更為合理。

3 結(jié)論

(1)整體葉盤(pán)應(yīng)力水平低，能夠滿足葉盤(pán)強(qiáng)度要求;與實(shí)心整體葉盤(pán)相比，質(zhì)量更輕的空心葉盤(pán)性能更優(yōu)，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率效果更加明顯。

(2)由于葉盤(pán)溫度分布不均勻，具有較大的溫度梯度，產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，在計(jì)算過(guò)程中不可忽略溫度的影響。

(3)實(shí)心葉盤(pán)最大應(yīng)力集中發(fā)生在渦輪盤(pán)中心孔處;空心葉盤(pán)最大應(yīng)力集中發(fā)生在空腔部位及中心孔處，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要重視對(duì)最大應(yīng)力集中部位的強(qiáng)度計(jì)算。

(4)與實(shí)心葉盤(pán)相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，質(zhì)量更輕的空心葉盤(pán)，在同一工作載荷下能夠滿足工作強(qiáng)度的要求，且在中心孔附近區(qū)域的應(yīng)力值也有所下降，提高了葉盤(pán)中心孔這一應(yīng)力最大區(qū)域的可靠性。

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