某型航空發(fā)動機渦輪機匣選材論證分析

傅依順，沈 毅 ，姜曦灼，廖連芳

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

某型航空發(fā)動機渦輪機匣選材論證分析

傅依順，沈 毅 ，姜曦灼，廖連芳

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

以某型航空發(fā)動機高、低壓渦輪機匣選材為例，對溫度、強度和壽命進行了計算分析，并結合生產(chǎn)成本、材料供應狀況和工藝成熟度，提供了渦輪機匣材料選擇的方法。分析結果表明:GH4169合金比較適合作為航空發(fā)動機渦輪機匣材料。

航空發(fā)動機；渦輪機匣；選材；GH4169合金

0 引言

高推重比發(fā)動機渦輪機匣要承受較高的溫度、內外壁壓差，并且要傳遞發(fā)動機的軸向力、扭矩和機動載荷等，同時又要具有較輕的質量，所以其設計具有一定難度，要充分考慮下列基本要求：合理地選擇耐高溫材料，保證零件在高溫下安全可靠地工作；既要保證機匣具有足夠的剛性，又要使得機匣質量輕，并便于與轉子的裝配；要使機匣相互之間有很好的熱定心功能，轉、靜子之間能保持良好的同心度；具有良好的加工性能和較高的性價比。在某型發(fā)動機高、低壓渦輪機匣的方案設計中，對照中國高溫合金基礎，初步?jīng)Q定從GH761、GH4169和GH901合金中選用1種機匣材料。

本文主要對溫度、強度和壽命進行了計算分析，并對生產(chǎn)成本、材料供應狀況和工藝成熟度進行了比較分析，最后給出某型航空發(fā)動機渦輪機匣選材的建議。

1 3種材料渦輪機匣強度、壽命計算分析

根據(jù)發(fā)動機結構設計準則，針對GH761、GH4169和GH901合金3種材料，分別對高、低壓渦輪機匣在設計（1A）、最大氣動（2A）和最大熱負荷狀態(tài)（5A）下的溫度場、應力和位移進行計算分析。

1.1 高壓渦輪機匣溫度場、應力和變形

1.1.1 高壓渦輪機匣溫度場

對由GH761、GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機匣，在設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下分別進行了溫度場計算，在此僅給出在設計狀態(tài)下3種材料對應的溫度場，如圖1所示（溫度單位：K）。在其它狀態(tài)下與在設計狀態(tài)下的情況相似，故略去，3種材料對應的設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下的溫度范圍見表1。

表1 3種材料對應各狀態(tài)下的溫度范圍 K

1.1.2 高壓渦輪機匣應力和變形

對由GH761、GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機匣，在設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下分別進行了應力和位移計算，現(xiàn)僅給出GH4169材料在設計狀態(tài)下的徑向（半徑）和軸向位移，如圖2所示；在設計狀態(tài)下的徑向、軸向和周向的應力如圖3所示。在其它狀態(tài)下的位移和應力變化與在設計狀態(tài)下的相似，故略去。3種材料對應的設計、最大氣動和最大熱負荷狀態(tài)下的位移和應力范圍見表 2、3。

1.1.3 3 種材料高壓渦輪機匣計算結果分析和壽命估算

（1）3種材料徑向位移最大值比較見表4。從表中可見，GH4169和GH761合金的徑向位移計算結果比較接近，GH901比GH761合金的徑向位移稍大。

表2 各狀態(tài)位移最大值 mm

表3 各狀態(tài)應力范圍 MPa

表4 徑向位移最大值比較 mm

（2）由3種材料加工的高壓渦輪機匣均可以滿足強度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循環(huán)估算高壓渦輪機匣低循環(huán)疲勞壽命。利用S-N曲線，分別計算出由GH4169和GH901合金加工的高壓渦輪機匣的疲勞壽命分別為8×104和2.5×104周；由于GH761合金的數(shù)據(jù)不全，無法給出由其加工的機匣的疲勞壽命，但其疲勞性能要好于GH901合金的。由3種材料加工的高壓渦輪機匣均可滿足3×103h設計壽命要求。

1.2 低壓渦輪機匣溫度場、應力和變形

1.2.1 低壓渦輪機匣溫度場計算結果

對由GH761、GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機匣，在設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下分別進行了溫度場計算，由于其溫度場與高壓渦輪機匣的情況相似，故略去，現(xiàn)給出3種材料對應的設計和最大氣動設計最大熱負荷狀態(tài)下的溫度范圍，見表5。

表5 3種材料對應各種狀態(tài)的溫度范圍 K

1.2.2 低壓渦輪機匣應力和變形

對由GH761、GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機匣，在設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下分別進行了應力和位移計算，由于其位移與高壓渦輪機匣的情況相似，故略去，現(xiàn)給出3種材料對應的設計和最大氣動以及最大熱負荷狀態(tài)下的位移和應力范圍見表6、7。

表6 各種狀態(tài)位移最大值 mm

表7 各種狀態(tài)應力范圍 MPa

1.2.3 低壓渦輪機匣計算結果分析和壽命估算

（1）徑向位移最大值比較見表8。從表中可見，GH4169和GH761合金的徑向位移計算結果比較接近，GH901比GH761合金的徑向位移稍大。

表8 徑向位移最大值比較 mm

（2）由3種材料加工的低壓渦輪機匣均可以滿足強度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循環(huán)估算低壓渦輪機匣低循環(huán)疲勞壽命。利用S-N曲線，計算出由GH4169和GH901合金加工的低壓渦輪機匣的疲勞壽命均為105周以上；由于GH761合金的數(shù)據(jù)不全，無法給出由其加工的機匣的疲勞壽命，但其疲勞性能要好于GH901合金的。由3種材料加工的的低壓渦輪機匣均可滿足3000h的設計壽命要求。

2 3種材料機匣的質量和成本

零件質量是航空發(fā)動機的質量指標，在設計過程中必須進行權衡。零件的制造成本，關系到發(fā)動機的競爭力，同樣決定了發(fā)動機的生存，在設計時也應該考慮。由于計算零件的成本是1項復雜的工程，現(xiàn)在還沒有比較好的估算方法，只能暫時參考材料的價格。由3種材料加工的機匣的質量和材料價格見表9。

表9 渦輪機匣質量和材料價格

從表9中可見，由GH4169、GH901合金加工的機匣質量分別比由GH761合金加工的重0.298kg和0.238kg，機匣的毛料質量約為100kg；3種材料的成本是有差異的，由GH4169、GH761和GH901合金加工的每個渦輪機匣價格分別為7.6、7和6萬元。

3 總結和建議

（1）高、低壓渦輪機匣可以選用GH761合金。但由于該合金毛料的供應和鍛造質量穩(wěn)定性存在一定的問題，且缺乏研究經(jīng)費，沒有進行冶煉和鍛造的深入研究，從而有關數(shù)據(jù)不全。只要解決鍛造質量穩(wěn)定性問題，在航空發(fā)動機上750℃環(huán)境下應用GH761合金有一定發(fā)展空間。但要在更高溫度下應用，還需進行深入研究。

（2）高、低壓渦輪機匣若選用GH901合金，從上面分析可知，雖然該材料的生產(chǎn)成本較低，但力學性能比另2種材料的差，應力也比另2種材料的高，其變形比GH761合金的大，渦輪葉尖間隙較大，影響發(fā)動機性能、可靠性和耐久性，因此不建議采用GH901合金用作機匣材料。

（3）GH4169合金力學性能優(yōu)越，持久和蠕變性能優(yōu)于另2種材料；通過計算可知，采用該材料加工的機匣變形較小，渦輪葉尖間隙更好控制；該材料應用廣泛，生產(chǎn)制造工藝也很成熟。從有關數(shù)據(jù)對比分析可知，選用GH4169合金，雖然其毛料成本最貴，但由于材料的成熟度高、制造工藝成熟，從而可減少生產(chǎn)中其他方面的投入，使其總成本有所降低。

雖然3種材料均能滿足渦輪機匣設計要求，但根據(jù)以上分析，建議采用GH4169合金作為渦輪機匣材料。

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：第2卷[S].北京：中國標準出版社，2002：155-359.

[2]《航空發(fā)動機設計手冊》編輯委員會.航空發(fā)動機設計手冊:第10冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：238-243.

[3]《航空發(fā)動機設計手冊》編輯委員會.航空發(fā)動機設計手冊:第16冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：97-135.

[4]《航空發(fā)動機設計手冊》編輯委員會.航空發(fā)動機設計手冊:第17冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：71-295.

[5]《航空渦噴、渦扇發(fā)動機結構設計準則（研究報告）》編輯委員會.航空渦噴、渦扇發(fā)動機結構設計準則（研究報告）：第4卷[S].北京:中國航空工業(yè)總公司發(fā)動機系統(tǒng)工程局，1997：17-197.

Demonstration of Material Selection for an Aeroengine Turbine Frame

FU Yi-shun,SHEN Yi,JIANG Xi-zhuo,LIAO Lian-fang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institue,Shenyang 110015,China）

Take material selection of an aeroengine high and low pressure turbine casing as an example,the temperature,strength and life of the frame with different materials were calculated and analyzed.The advice of material selection for the turbine casing were proposed with the manufacture cost,material source and TRL.The results show that GH4169alloy is more suitable for aeroengine turbine casing.

aeroengine;turbine casing;material selection;GH4169alloy

傅依順（1967），男，自然科學研究員，從事航空發(fā)動機結構設計工作。