雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)強度分析

欒永先

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機推重比的不斷增大，渦輪盤的工作溫度和轉(zhuǎn)速也不斷提高，從而使其設(shè)計向著耐高溫和高強度、低質(zhì)量的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)很難滿足未來先進發(fā)動機的設(shè)計要求，因此，亟需開發(fā)1種先進的渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。美國PW公司在IHPTET計劃ATEGG分計劃第III階段的XTC67/1驗證機上，對雙輻板渦輪盤進行了試驗驗證，與傳統(tǒng)渦輪盤相比，雙輻板渦輪盤質(zhì)量減輕了17%，轉(zhuǎn)速提高了9%。

本文對雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)特點、加工工藝和技術(shù)難點進行了介紹，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對傳統(tǒng)渦輪盤和雙輻板渦輪盤的強度進行了對比分析。

1 雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)分析

雙輻板渦輪盤是由2個對稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結(jié)構(gòu)，具有減輕質(zhì)量和提高AN2值等優(yōu)勢。在內(nèi)孔進氣冷卻葉片方案中，具有滑出的小舌，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時小舌固定到位，以收集冷卻空氣，并將其引到盤緣對葉片進行冷卻。美國PW公司對雙輻板渦輪盤進行了試驗驗證，所采用的渦輪盤結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

從圖1中可見，雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤有很大差異，其結(jié)構(gòu)設(shè)計中有2大優(yōu)點。

（1）在渦輪部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以利用雙輻板渦輪盤中的空腔形成冷卻氣體通道，一方面利用高壓氣對渦輪工作葉片進行冷卻，另一方面可以讓高壓氣充分冷卻盤體，使渦輪盤在相對較低的溫度下工作，有利于提高盤的強度和壽命或利于減重設(shè)計。

（2）在傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)中，高壓渦輪盤和盤前封嚴盤之間形成冷氣通道，高壓氣流經(jīng)此通道來冷卻葉片和渦輪盤，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。而在雙輻板渦輪結(jié)構(gòu)中，高壓氣可以從盤心流經(jīng)盤體并冷卻工作葉片，從而可以根據(jù)渦輪工作狀態(tài)和葉片氣動力狀態(tài)，采用無螺栓擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計方法將渦輪盤前、后封嚴盤設(shè)計成無螺栓擋板結(jié)構(gòu)形式，不僅可以減輕質(zhì)量，而且能提高發(fā)動機可靠性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)高壓渦輪結(jié)構(gòu)

圖3 雙輻板渦輪結(jié)構(gòu)

在加工過程中，首先加工出2個對稱的半盤結(jié)構(gòu)，然后通過熱等靜壓或者摩擦焊等方式將2個半盤粘合在一起，利用機械加工等方式完成盤的最后成形。在加工過程中需要解決以下關(guān)鍵問題：

（1）保證2個半盤之間具有足夠的連接強度，避免雙輻板渦輪盤在工作中分開；

（2）保證2個半盤之間的同心度，避免不同心帶來附加應(yīng)力，影響渦輪正常工作；

（3）處理好輪盤焊接后結(jié)合部位產(chǎn)生的飛邊，尤其是冷氣通道內(nèi)部的飛邊。

2 雙輻板渦輪盤強度分析

與傳統(tǒng)渦輪盤相比,雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)和強度都具有很大優(yōu)勢，下文分別對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦輪盤和雙輻板渦輪盤進行了有限元分析，對比說明雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)在強度方面的優(yōu)勢。

2.1 邊界條件計算

為使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦輪盤和雙輻板渦輪盤的計算結(jié)果具有可對比性，在分析過程中采用相同的材料數(shù)據(jù)、邊界條件和間接熱固耦合計算方法，有限元模型具有相同的盤緣和盤心直徑。計算中考慮了工作葉片離心拉力、熱應(yīng)力和自轉(zhuǎn)離心力的影響，工作葉片離心拉力以載荷形式施加在輪盤相應(yīng)位置，具體數(shù)值為

式中：F為葉片離心拉力；n為葉片數(shù)；m為單個葉片質(zhì)量；r為葉片質(zhì)心半徑；w為輪盤工作角速度。

經(jīng)計算得出F=15249046 N。

計算中的渦輪盤均采用較成熟的FGH96粉末合金，采用非線性計算方法，考慮了材料性能隨溫度的變化。參照某渦輪盤的溫度分布，計算中渦輪盤的溫度場分布如圖4所示。

在結(jié)果分析中，采用FGH96合金在工作溫度下的拉伸性能數(shù)據(jù)（見表1）來判定輪盤的應(yīng)力水平。以渦輪盤的輻板最大平均徑向應(yīng)力、輻板截面最大平均周向應(yīng)力和盤心平均周向應(yīng)力的安全系數(shù)為考核判定依據(jù)，按照強度設(shè)計規(guī)范，安全系數(shù)應(yīng)達到要求，見表2。

圖4 渦輪盤溫度場分布

表1 FGH96合金拉伸性能數(shù)據(jù) MPa

表2 強度校核用安全系數(shù)要求 MPa

2.2 傳統(tǒng)渦輪盤強度分析

在對傳統(tǒng)渦輪盤進行強度計算時，以某渦輪盤為初始模型，采用軸對稱8節(jié)點4邊形單元建立渦輪盤的2維軸對稱模型，榫槽部位采用平面應(yīng)力單元模擬，共建立987個平面應(yīng)力單元，8996個軸對稱單元。渦輪盤采用單點軸向約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，計算得到傳統(tǒng)渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，分別如圖5、6所示。

通過后處理分析，得到質(zhì)量為85.4 kg的傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力水平，見表3。從表3中可見，傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力水平很高，安全系數(shù)與強度規(guī)范要求數(shù)值相差較大。

圖5 傳統(tǒng)渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖6 傳統(tǒng)渦輪盤周向應(yīng)力分布

表3 傳統(tǒng)渦輪盤計算結(jié)果 MPa

2.3 雙輻板渦輪盤2維強度分析

計算中所用雙輻板渦輪盤是根據(jù)傳統(tǒng)渦輪盤特點而自行設(shè)計的，其盤緣和盤心直徑均與傳統(tǒng)渦輪盤的相同。采用軸對稱8節(jié)點4邊形單元建立渦輪盤的2維軸對稱模型，榫槽部位采用平面應(yīng)力單元模擬，共生成987個平面應(yīng)力單元，11552個軸對稱單元。輪盤采用單點軸向約束，2個對稱半盤在盤心冷氣入口部位采用軸向位移耦合約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，未考慮盤心冷氣的影響，最終得到渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，分別如圖7、8所示。

圖7 雙輻板渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖8 雙輻板渦輪盤周向應(yīng)力分布

通過后處理分析可以得到質(zhì)量為78.8 kg的雙輻板渦輪盤的應(yīng)力水平，見表4。從表4中可見，雙輻板渦輪盤的應(yīng)力水平比傳統(tǒng)輪盤的有所減小，輻板截面最大平均周向應(yīng)力和盤心平均周向應(yīng)力的安全系數(shù)略低于強度規(guī)范要求。

表4 雙輻板渦輪盤計算結(jié)果 MPa

2.4 雙輻板渦輪盤3維強度分析

對雙輻板渦輪盤進行的2維分析可知其結(jié)構(gòu)強度基本滿足要求。為考察冷氣孔對強度的影響，對雙輻板渦輪盤進行了3維有限元分析。在3維計算中所用模型是根據(jù)上節(jié)中2維截面旋轉(zhuǎn)而成的，在榫槽底部沿徑向設(shè)計冷氣通道，2個對稱半盤在盤心處設(shè)計多個間斷凸塊，防止在工作中半盤向?qū)ΨQ平面彎曲產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。其盤緣和盤心直徑均與傳統(tǒng)渦輪盤的相同，3維模型扇形段如圖9所示。

采用4節(jié)點4面體3維單元建立雙輻板渦輪盤的循環(huán)對稱模型，并以循環(huán)對稱方法進行計算，渦輪盤采用單點軸向約束，施加離心載荷、溫度載荷和葉片離心拉力并求解，最終得到雙輻板渦輪盤的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布，冷氣通道所在截面的應(yīng)力分布分別如圖10和圖11所示。

圖9 雙輻板渦輪盤3維模型扇形段

圖10 雙輻板渦輪盤徑向應(yīng)力分布

圖11 雙輻板渦輪盤周向應(yīng)力分布

通過后處理分析，得到質(zhì)量為77.3 kg雙輻板渦輪盤的3維計算結(jié)果，見表5。從表5中可見，在冷氣通道的影響下，雙輻板渦輪盤的3維應(yīng)力計算水平較2維計算值有所減小，比較符合客觀實際，各考核部位的安全系數(shù)略低于強度規(guī)范要求。

表5 雙輻板渦輪盤3維計算結(jié)果 MPa

2.5 計算分析總結(jié)

通過上述計算分析，可以看出雙輻板渦輪盤較傳統(tǒng)渦輪盤在強度和質(zhì)量方面具有一定優(yōu)勢，傳統(tǒng)渦輪盤2維計算結(jié)果和雙輻板渦輪盤3維計算結(jié)果對比情況見表6。

表6 傳統(tǒng)渦輪盤與雙輻板渦輪盤計算結(jié)果對比

2.6 雙輻板渦輪盤的改進措施

經(jīng)計算分析可知，雙輻板渦輪盤的強度計算結(jié)果與規(guī)范要求仍然存在一定差距，可以通過采取如下措施來彌補，為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（1）上述計算模型僅是方案設(shè)計階段的初始模型，在今后研究中應(yīng)以改模型為基礎(chǔ)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，以降低輪盤局部的工作應(yīng)力，提高其安全系數(shù)。

（2）上述雙輻板渦輪盤計算采用的盤體溫度場分布與傳統(tǒng)渦輪盤的相同，而實際上雙輻板輪盤的溫度要略低，其實際安全系數(shù)應(yīng)高于上述計算結(jié)果，今后的工作中要精確計算雙輻板渦輪盤的溫度分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

（3）新結(jié)構(gòu)必須與新材料相對應(yīng)，未來研究會將下一代粉末材料應(yīng)用于雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣可使盤體強度提高80 MPa左右，大大增加了輪盤的安全系數(shù)。

3 結(jié)論

（1）雙輻板渦輪盤可以使發(fā)動機結(jié)構(gòu)更優(yōu)，零件數(shù)量減少，可靠性和推重比提高。

（2）雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤的應(yīng)力分布有一定區(qū)別，改善了渦輪盤的應(yīng)力狀態(tài)，有利于延長壽命。

（3）在應(yīng)力水平大致相當(dāng)?shù)那闆r下，雙輻板渦輪盤較傳統(tǒng)渦輪盤在質(zhì)量方面有較大優(yōu)勢，可以進一步降低渦輪部件質(zhì)量，有利于提高發(fā)動機推重比。

（4）通過今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料的使用，可以進一步提高雙輻板渦輪盤的強度，必將在未來的高推重比發(fā)動機設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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