馬龍 韓欣誠 趙小全

摘 要：燃氣渦輪導(dǎo)向器位于發(fā)動機燃燒室的后側(cè)，引導(dǎo)燃氣對自由渦輪轉(zhuǎn)子做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，為飛機提供動力。針對某型發(fā)動機燃氣渦輪二級導(dǎo)向器暴露的問題，對改進型發(fā)動機的燃氣渦輪二級導(dǎo)向器進行材料優(yōu)化，并進行強度、振動校核，確保滿足發(fā)動機使用要求。

關(guān)鍵詞：燃氣渦輪二級導(dǎo)向器;材料優(yōu)化;強度;振動

引 言

某型發(fā)動機在定型批產(chǎn)后，在多年服役生涯中，發(fā)揮了重大作用，也暴露出一些問題，如燃氣渦輪二級導(dǎo)向器裂紋和腐蝕剝落。為更好地便于客戶使用，對某型發(fā)動機進行改進優(yōu)化，并將燃氣渦輪二級導(dǎo)向器K418B合金材料優(yōu)化為K438合金。

1.問題描述

某型發(fā)動機燃氣渦輪二級導(dǎo)向器長期的服役生涯中，容易產(chǎn)生裂紋，見圖1，失效分析認為裂紋的產(chǎn)生與葉片振動有關(guān);由于外場服役環(huán)境的特殊性，燃氣渦輪二級導(dǎo)向器在進氣邊局部會產(chǎn)生金屬剝落，是由于K418B合金基體抗氧化性能不足導(dǎo)致，且葉片表面沒有防護涂層，熱腐蝕致葉身中部基體氧化。

2.改進方案

根據(jù)燃氣渦輪二級導(dǎo)向器暴露出的裂紋和腐蝕特點，以及其他成熟發(fā)動機導(dǎo)向器材料體系，將某改進型發(fā)動機的燃氣渦輪二級導(dǎo)向器材料K418B合金更改為綜合力學(xué)性能較好的K438合金[1]，有利于改善燃氣渦輪二級導(dǎo)向器裂紋和腐蝕問題。

3.強度、振動校核

燃氣渦輪二級導(dǎo)向器在高溫燃氣中工作，受熱不均勻，導(dǎo)向葉片前后受到前后轉(zhuǎn)子氣流擾動，需對更改材料的燃氣渦輪二級導(dǎo)向器進行強度和振動校核。

根據(jù)燃氣渦輪二級導(dǎo)向器工作環(huán)境特點，選取其工作狀態(tài)和靜止狀態(tài)分析，工作狀態(tài)參考溫度場分布，靜止狀態(tài)下的溫度為室溫。燃氣渦輪二級導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)具有循環(huán)對稱的特點，截取燃氣渦輪二級導(dǎo)向器的基本扇區(qū)建立有限元子結(jié)構(gòu)模型，通過對基本扇區(qū)進行計算，可提高計算精度。

3.1強度校核

根據(jù)EGD-3應(yīng)力標準，渦輪導(dǎo)向葉片應(yīng)力評判標準為：在所有正常的工作條件下，最大的彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過0.1%屈服強度的75%。燃氣渦輪二級導(dǎo)向器葉片強度設(shè)計要求為775Mpa，有限元計算結(jié)果391Mpa，滿足標準要求。

3.2振動校核

在發(fā)動機常見的不同工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，可能會發(fā)生共振，一般采取的原則是以低階頻率作為優(yōu)先考慮，高階頻率振動因需要的激振能量較大，次之考慮。根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點，本文考慮的激振源和激振倍頻數(shù)見表1。

根據(jù)激振與節(jié)徑的關(guān)系，需繪制不同節(jié)徑下的Campbell圖，圖3為3節(jié)徑Campbell圖，其中3節(jié)徑某頻率高階共振的等效應(yīng)力分布見圖4。

4.結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，某改進型發(fā)動機的燃氣渦輪二級導(dǎo)向器的材料更改為K438是可行的，滿足強度設(shè)計要求，且強度的儲備系數(shù)較大。某改進型發(fā)動機的燃氣渦輪二級導(dǎo)向器低階時的共振裕度滿足設(shè)計要求;高階頻率共振裕度較小，存在共振可能，但因需要的激振能量較大，引發(fā)共振的可能性較小。

參考文獻：

[1]中國標準出版社.中國高溫合金手冊.2012