韋狄 孫建 劉發(fā)權(quán) 張權(quán)

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子主要指發(fā)動機中的轉(zhuǎn)動件，如渦輪盤、壓氣機盤、擋板等在發(fā)動機工作時其承載情況十分惡劣。發(fā)動機加速過程中可能出現(xiàn)燃油調(diào)節(jié)失靈、加力燃燒室故障等現(xiàn)象導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子超速現(xiàn)象，嚴重的甚至會引起轉(zhuǎn)子的破裂[1]，進而造成非包容性事故，危害飛行安全。國內(nèi)外軍民機均對輪盤的強度儲備做了條款規(guī)定，如美軍標的發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱（MIL-STD-1783B）規(guī)定輪盤的破裂轉(zhuǎn)速應(yīng)至少為最大穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速的1.22倍。航空發(fā)動機適航條例規(guī)定軍機和民機的輪盤徑向破裂儲備系數(shù)分別不低于1.25和1.35，周向破裂儲備系數(shù)分別不低于1.3和1.4。

輪盤破裂轉(zhuǎn)速受輪盤結(jié)構(gòu)形狀、材料構(gòu)成、承載情況、加工工藝等的影響，它是輪盤結(jié)構(gòu)強度研究中的重點。常用的輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測方法有平均應(yīng)力法、Hallinan經(jīng)驗法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、殘余變形法、整體塑性失穩(wěn)破裂準則法等，各種方法均有其相應(yīng)的應(yīng)用條件、范圍和優(yōu)缺點。目前基于有限元法的轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測能考慮輪盤所受的各種復(fù)雜載荷，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度評估中占有重要地位。

擋板主要用以實現(xiàn)渦輪葉片的軸向定位，前、后擋板共同使用還可以防止冷卻空氣泄露并迫使其按設(shè)計的流路進入工作葉片的內(nèi)腔。擋板有不同的結(jié)構(gòu)形式，除與渦輪盤相聯(lián)的徑向配合面和軸向接觸面外，一般還有封嚴篦齒等結(jié)構(gòu)要素。前、后擋板和渦輪盤一般通過螺栓連接，在結(jié)構(gòu)形式上簡單可靠，但需要在渦輪盤和擋板上加工螺栓孔，這樣會降低相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)強度，而且高速旋轉(zhuǎn)時螺栓頭部的攪拌效應(yīng)會對空氣系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。

國內(nèi)外學者對輪盤破裂轉(zhuǎn)速進行了大量的理論和試驗研究，但主要集中在對單部件盤的研究，而對與其相連接結(jié)構(gòu)對輪盤破裂轉(zhuǎn)速的影響方面的試驗與研究則相對較少。研究多部件（盤）組合轉(zhuǎn)子之間對各構(gòu)成部件破裂轉(zhuǎn)速的相互影響，如加強或削弱，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)破裂轉(zhuǎn)速評估具有良好的參考意義[2]。本文將通過前、后擋板和渦輪盤組合轉(zhuǎn)子的破裂試驗及其破裂轉(zhuǎn)速評估研究擋板對渦輪盤破裂轉(zhuǎn)速的影響。

1.輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測準則

輪盤的破裂形式主要有周向破裂（沿子午截面破裂，其主控因素為周向應(yīng)力）和徑向破裂（沿周向截面破裂，其主控因素為徑向應(yīng)力）2種形式[3]，如圖1所示。相較徑向破裂，周向破裂后的碎塊數(shù)目較少、質(zhì)量較大，破裂事故發(fā)生后攜帶的能量較高，破壞性較大，因而周向破裂的儲備系數(shù)一般比徑向破裂的要求略高。

圖1 2種輪盤破裂形式圖例

目前對航空發(fā)動機輪盤破裂轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法主要有解析法和有限元法，前者比較適用于結(jié)構(gòu)規(guī)整、溫度分布均勻的輪盤，工程適用性較差；后者可以計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)工況下的輪盤應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展逐漸成為最主要和最常用的預(yù)測方法。

2.組合轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速評估

本節(jié)使用彈塑性有限元方法計算輪盤擋板組合轉(zhuǎn)子的應(yīng)力應(yīng)變情況，然后根據(jù)計算結(jié)果的分析采用子午截面平均應(yīng)力法和極限應(yīng)變法評估組合轉(zhuǎn)子擋板和輪盤的破裂轉(zhuǎn)速。

2.1 組合轉(zhuǎn)子分析模型

本文的研究對象為由前后擋板和渦輪盤組成的組合轉(zhuǎn)子，其試驗件包括工裝軸、前后擋板、渦輪盤、配重塊、連接螺栓、中心拉桿、壓塊、螺母等，其中前后擋板和渦輪盤使用GH4720Li優(yōu)質(zhì)鍛件，連接螺栓使用GH4169合金。分析幾何模型采用與試驗件相同的構(gòu)型，如圖2所示。

圖2 組合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

有限元模型基于材料室溫彈塑性性能，采用大變形多步分析的設(shè)置求解。在工裝軸端面施加軸向位移約束。對拉桿和連接螺栓分別施加與試驗工況一致的軸向預(yù)緊力。對轉(zhuǎn)子整體施加旋轉(zhuǎn)體力，逐步提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，先增加到設(shè)計最大轉(zhuǎn)速后繼續(xù)增加一定幅值使得輪盤最大應(yīng)變接近或達到材料延伸率。

2.2 組合轉(zhuǎn)子有限元計算結(jié)果

分析的主要結(jié)果如下：

（1）擋板和渦輪盤的周向應(yīng)力大于徑向應(yīng)力。

（2）起始破裂位置是與過擋板偏心孔孔心的子午截面相交的偏心孔壁處，其次是渦輪盤上同位置處。

（3）起始破裂位置的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 輪盤破裂時應(yīng)變分布

2.3 組合轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速評估

（1）采用平均應(yīng)力法的破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測為：擋板起裂位置為48000r/min，渦輪盤起裂位置為55000r/min。

（2）采用極限應(yīng)變法的破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測為：擋板起裂位置為48000r/min，渦輪盤起裂位置為55000r/min。

（3）2種破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測方法均表明擋板偏心孔為最初起裂源，將先于渦輪盤起裂。起裂后擋板幾何結(jié)構(gòu)將快速失穩(wěn)，產(chǎn)生巨大不平衡量，對與其裝配連接的渦輪盤造成直接影響。

3.組合轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速試驗驗證

為驗證輪盤擋板組合轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測方法的合理性，在立式旋轉(zhuǎn)試驗器上開展了全尺寸轉(zhuǎn)子的破裂試驗。試驗器由電控動力系統(tǒng)、增速頭、試驗腔、試驗轉(zhuǎn)子升降系統(tǒng)、潤滑及冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、液壓開蓋系統(tǒng)等部分組成，組合轉(zhuǎn)子安裝情況如圖4所示，試驗過程中使用高速攝像機拍攝轉(zhuǎn)子的破裂過程。

圖4 組合轉(zhuǎn)子在試驗器中的安裝情況

調(diào)試高速攝像機使拍攝范圍和清晰度合適后設(shè)置適當?shù)挠|發(fā)點，根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸、重量、目標轉(zhuǎn)速、停留時間設(shè)置超轉(zhuǎn)破裂試驗基本參數(shù)并開啟試驗，試驗的破裂試驗曲線如圖5所示，試驗轉(zhuǎn)子先升速到36000r/min后保載30秒，然后打開試驗腔內(nèi)高強光源使高速攝像機處于拍攝記錄狀態(tài)，繼續(xù)升速至48995r/min時組合轉(zhuǎn)子發(fā)生破裂。轉(zhuǎn)子破裂時觸發(fā)高速攝像機記錄下整個破裂過程，如圖6所示，從高速攝像中可以看出當轉(zhuǎn)速達到48995r/min時擋板偏心孔沿徑向起裂破壞，約1/4轉(zhuǎn)后渦輪盤在偏心孔位置由外向里裂開，最后渦輪盤以3大塊破裂飛出，轉(zhuǎn)子破裂后的拼接照片如圖7所示。

圖5 超轉(zhuǎn)破裂轉(zhuǎn)速曲線

圖6 組合轉(zhuǎn)子破裂過程

圖7 組合轉(zhuǎn)子破裂后碎片

根據(jù)轉(zhuǎn)子破裂攝像過程和破裂后的碎片可知，擋板和渦輪盤均在偏心孔處首先發(fā)生周向破裂，擋板破裂后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)時巨大的轉(zhuǎn)動不平衡促使渦輪盤在偏心孔處發(fā)生破裂。擋板和渦輪盤起裂位置與第三節(jié)有限元計算結(jié)果一致，如圖6（擋板偏心孔）和圖7（渦輪盤偏心孔）所示，渦輪盤由于受擋板破裂的影響提前發(fā)生破裂，可知組合轉(zhuǎn)子中較強部件的破裂轉(zhuǎn)速可能受較薄弱部件弱化或強化影響，該情況一般發(fā)生在薄弱部件的裂紋增長緩慢的情形。也可能受較薄弱部件破裂的直接影響而破裂，該情況發(fā)生在較薄弱部件起裂后裂紋迅速擴張至破裂的情形。

4.結(jié)論

本文首先討論了輪盤破裂轉(zhuǎn)速常用的預(yù)測方法，然后基于彈塑性有限元法計算出輪盤擋板組合轉(zhuǎn)子的應(yīng)力應(yīng)變情形，使用平均應(yīng)力法和極限應(yīng)變法對組合轉(zhuǎn)子的破裂轉(zhuǎn)速進行了分析評估，并進行了組合轉(zhuǎn)子的全尺寸破裂試驗，得到了組合轉(zhuǎn)子的破裂拍攝過程、試驗破裂轉(zhuǎn)速和破裂失效形式，有如下結(jié)論：

（1）平均應(yīng)力法和極限應(yīng)變法預(yù)測的擋板破裂裕度與實測值均吻合良好。

（2）組合轉(zhuǎn)子的破裂形式為周向破裂，渦輪盤破裂后成3大塊，為比較典型的周向破裂結(jié)果。

（3）組合轉(zhuǎn)子擋板為最薄弱部件，首先發(fā)生起裂，起裂后裂紋迅速變大帶來巨大的轉(zhuǎn)動不平衡促使渦輪盤發(fā)生破裂。