鮑冬冬 艾書(shū)民

摘 要：本文針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的離心葉輪試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比了兩種試驗(yàn)方案的結(jié)果，可以看出方案二的結(jié)構(gòu)中壓塊所受應(yīng)力較低，且疲勞壽命有了明顯提升，說(shuō)明方案二中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足使用需求，本項(xiàng)工作為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)的研制提供了支持，并為今后轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);離心葉輪;低循環(huán)疲勞

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0060-02

輪盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件之一。輪盤(pán)工作時(shí)承受著高溫、高離心載荷等作用，輪盤(pán)的失效直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、使用性能和維護(hù)成本，甚至危及飛機(jī)和乘員的安全，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此，輪盤(pán)被列為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性、可靠性[1]、耐久性有重要影響，而低循環(huán)疲勞破壞是發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)壽命損耗的最大問(wèn)題之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障占總故障的60%～70%，疲勞破壞占發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障的80%～90%。

通常輪盤(pán)破壞會(huì)產(chǎn)生巨大的碎塊功能，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法包容，所以會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，離心葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命關(guān)鍵件，通常需要通過(guò)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行壽命評(píng)估，而離心葉輪的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段是專門(mén)用于離心葉輪試驗(yàn)的轉(zhuǎn)接裝置，其作用是將試驗(yàn)件與試驗(yàn)器相連接，一般情況下為保證試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，應(yīng)當(dāng)在條件允許的情況下盡可能模擬試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)上的連接形式，應(yīng)通過(guò)對(duì)比分析計(jì)算，確認(rèn)試驗(yàn)件的在試驗(yàn)條件下的受力狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)使用條件下的受力狀態(tài)相同，關(guān)鍵部位的裝配應(yīng)力及其分布，接近發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的裝配應(yīng)力，應(yīng)避免由于變形協(xié)調(diào)情況不同和裝配應(yīng)力不同而產(chǎn)生附加載荷，所以轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮參考發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式，并且轉(zhuǎn)接段不應(yīng)該對(duì)輪盤(pán)有明顯的加強(qiáng)和削弱的作用。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)考慮很多因素，為了解決試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段的動(dòng)力學(xué)特性問(wèn)題，同時(shí)綜合考慮試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)器的連接通用性，轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)件的連接方式及加工等問(wèn)題，對(duì)本次試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在以下兩個(gè)方面：（1）根據(jù)離心葉輪的應(yīng)力分析，確定考核部位;（2）在保證與離心葉輪在發(fā)動(dòng)機(jī)上連接方式的相同之余，優(yōu)化試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段本身的動(dòng)力學(xué)特性。

1.1 考核部位的確定

對(duì)離心葉輪進(jìn)行了相關(guān)分析，采用UG建立計(jì)算用實(shí)體模型，采用ANSYS進(jìn)行前后處理以及有限元分析。對(duì)離心葉輪計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除花鍵及端齒等特征，簡(jiǎn)化后的離心葉輪結(jié)構(gòu)和載荷均具有循環(huán)對(duì)稱性，采用循環(huán)對(duì)稱方法進(jìn)行計(jì)算，取包含一對(duì)大小葉片在內(nèi)的整個(gè)試驗(yàn)件的1/15循環(huán)對(duì)稱段作為計(jì)算模型。

本次計(jì)算分析主要考慮了離心載荷、溫度載荷、氣動(dòng)力、預(yù)緊力和腔壓：離心載荷以轉(zhuǎn)速的形式施加在整個(gè)計(jì)算模型上;溫度載荷以節(jié)點(diǎn)溫度的形式施加在所有節(jié)點(diǎn)上，詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下最大當(dāng)量應(yīng)力位置在輪盤(pán)上，而在此狀態(tài)下輪盤(pán)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)輪心和前端齒的最大當(dāng)量應(yīng)力較大，故將輪心和前端齒確定為考核部位。

1.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)上連接方式，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段，這兩種結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于壓塊結(jié)構(gòu)的不同，分別見(jiàn)圖1和圖2所示。

試驗(yàn)方案一的思路主要是模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)上與離心葉輪相連接的二三級(jí)盤(pán)的結(jié)構(gòu)，材料也與二三級(jí)盤(pán)相同，其目的是完全模擬離心葉輪在發(fā)動(dòng)機(jī)上的受力狀態(tài)和協(xié)調(diào)變形，二三級(jí)盤(pán)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，可以看出第一種試驗(yàn)方案的壓塊與二三級(jí)盤(pán)的結(jié)構(gòu)是完全相同的。

試驗(yàn)方案二的思路主要是模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)上與離心葉輪相連接的端齒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與二三級(jí)盤(pán)結(jié)構(gòu)不同。由于前端齒的應(yīng)力較大，所以與之相連接的壓塊的結(jié)構(gòu)對(duì)于試驗(yàn)的影響較大，在試驗(yàn)中體現(xiàn)得較為明顯。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將離心葉輪分別與兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接段裝配后，進(jìn)行低速動(dòng)平衡合格后與試驗(yàn)器連接后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷譜見(jiàn)圖4。

方案一離心葉輪在完成了31605次試驗(yàn)循環(huán)后，轉(zhuǎn)接段中的壓塊端齒部分產(chǎn)生了裂紋，見(jiàn)圖5所示，經(jīng)過(guò)理化分析可知，壓塊端齒薄壁部位可能是較早期的源區(qū)，而方案二則順利完成試驗(yàn)。

結(jié)合兩種方案的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出方案二中的壓塊結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段疲勞壽命對(duì)比分析

疲勞壽命計(jì)算過(guò)程如下：用Goodman曲線（見(jiàn)圖6）把已知的工作循環(huán)（M點(diǎn)）轉(zhuǎn)換到應(yīng)力比R為0.1的循環(huán)（N點(diǎn)），按照以下三式聯(lián)立求出應(yīng)力比R為0.1時(shí)的最大應(yīng)力，然后利用S-N曲線方程即可求出相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

式中： 為應(yīng)力幅; 為平均應(yīng)力;R為應(yīng)力比。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]：300℃下應(yīng)力比R=0.1的軸向光滑疲勞S-N曲線：

lgNf=38.42139-11.6983×lg（中值）

450℃下應(yīng)力比R=0.1的軸向光滑疲勞S-N曲線[3]：

lgNf=53.4037-17.148×lg（中值），試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段壽命[4]對(duì)比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算可以看出，兩種結(jié)構(gòu)都可以保證試驗(yàn)狀態(tài)下的離心葉輪與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的離心葉輪所受的應(yīng)力狀態(tài)相同，而方案一中壓塊結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力比方案二中壓塊結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力大，且壽命短，說(shuō)明方案二中的壓塊不會(huì)發(fā)生比試驗(yàn)件更早出現(xiàn)疲勞裂紋的現(xiàn)象，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

針對(duì)兩種試驗(yàn)方案的結(jié)果對(duì)比，得到結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可以表明：方案二中試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)期效果;

（2）在保證與原工作狀態(tài)一致的情況下，試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段的結(jié)構(gòu)不是必須要設(shè)計(jì)與連接件相同的結(jié)構(gòu);

（3）在保證應(yīng)力狀態(tài)不變的情況下，應(yīng)該將轉(zhuǎn)接段所受的當(dāng)量應(yīng)力降低，這樣可以相應(yīng)延長(zhǎng)其疲勞壽命，從而達(dá)到考核試驗(yàn)件的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》（第4卷）[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 李鋼.發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)[D].株洲：第六〇八研究所，2010.

[3] 宋兆泓.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空學(xué)院出版社，1988.

[4] 曹鳳梅.倒圓對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響[J].論壇集萃，2012：56-57.