某型發(fā)動機(jī)低壓一級渦輪盤榫頭接觸應(yīng)力計算分析

摘 要：渦輪盤和渦輪葉片處于航空發(fā)動機(jī)最為嚴(yán)酷的高溫、高轉(zhuǎn)工作環(huán)境，葉片榫頭和輪盤榫槽接觸面控制成為其可靠性控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對某型發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的接觸面裂紋問題，通過有限元計算的方法，得到了應(yīng)力、應(yīng)變的具體分步和數(shù)值，為故障的徹底解決奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：渦輪盤 接觸應(yīng)力

一 前言

某型發(fā)動機(jī)在使用過程中出現(xiàn)葉片榫頭和輪盤榫槽接觸的裂紋問題，接觸面上有程度不等的應(yīng)力腐蝕和熱腐蝕。為摸清該發(fā)動機(jī)低壓一級渦輪盤榫槽和葉片榫頭接觸面的應(yīng)力、應(yīng)變的真實(shí)情況，采用了有限元計算方法，對接觸面工作時所受的接觸應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷出其具體的破壞情況和接觸面壽命情況。

二 工作參數(shù)

1、輪盤轉(zhuǎn)速

根據(jù)飛行包線中最惡劣的速度與溫度狀況，確定了最嚴(yán)重受力狀況，即 =300K時， =8650轉(zhuǎn)/分，以此進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變計算和分析。

2、輪盤和葉片溫度分布

2.1輪盤溫度分布

輪緣溫度 =570 ，輪心溫度 =500 。輪盤沿周向和軸向的溫度基本相等，沿徑向溫度分布按線性插值計算（關(guān)于半徑R的函數(shù)）。

2.2葉片溫度分布

根據(jù)葉片溫度分布規(guī)律，在葉片根部、平均半徑截面處和葉冠處取三個點(diǎn)將葉片分為三段，分段進(jìn)行二次插值。

2.3榫頭溫度分布

榫頭處有四個榫齒，根據(jù)鎖頸1處溫度（597 ）、鎖頸2處溫度（611 ）和鎖頸3處溫度（626 ）對榫頭溫度進(jìn)行線形插值，其插值公式同（1）。

3、 輪盤材料參數(shù)

3.1 材料基本性能

材料為N901；密度 kg/ ，泊松比 ；彈性模量E和膨脹系數(shù) 見表1。

其中表中數(shù)據(jù)為輪盤技術(shù)條件規(guī)定的最低值，在500 ～700 按線性插值得到。

3.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線

考慮到在最惡劣的工況下，輪盤局部會進(jìn)入屈服，采用彈塑性有限元模型進(jìn)行計算，并定義了N901材料的等向強(qiáng)化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其余溫度采用ANSYS自動插值得出。

4、葉片材料參數(shù)：

材料為N105；密度 kg/ ，泊松比 ；彈性模量E和膨脹系數(shù) 見表1。表中數(shù)據(jù)為輪盤技術(shù)條件規(guī)定的最低值，在500 ～900 按分段二次插值公式得到，其余溫度采用ANSYS自動插值得出。葉片彈性模量隨溫度變化曲線如圖2。

5、邊界條件：

將輪盤徑向截面沿盤心的軸向中心線旋轉(zhuǎn)360/109degreevs，然后將葉片根據(jù)樅樹型榫頭的實(shí)際連接情況進(jìn)行建模；在徑向截面處加載對稱邊界條件，在輪轂處加軸向約束。溫度邊界條件見公式（1）、（2）。

三 有限元計算

1、 模型的建立

由于低壓一級渦輪盤是軸對稱盤體，其溫度分布、氣動載荷、離心力均為軸對稱分布；輪緣上的109個葉片葉片也為軸對稱、周向均勻安裝，其溫度分布、氣動載荷分布、離心力載荷分布也都是軸對稱的?？紤]有限元分析計算的實(shí)際需要，直接在ANSYS前處理器中建立了如圖3所示的二維軸對稱模型。

根據(jù)沿周向分布109個葉片這一特點(diǎn)，將此截面沿輪盤中心軸旋轉(zhuǎn)360/109度，形成一個部分圓環(huán)體，然后再將榫槽外部加上去，用布爾運(yùn)算中的加運(yùn)算將其與上述旋轉(zhuǎn)體結(jié)合，再用由底向上的建模方法建立榫槽模型；用同樣的自底向上的建模方法建立葉片、榫頭、凸塊、鎖片等的模型。最后形成的模型如圖4。

2、 算例驗證

選用某轉(zhuǎn)子中軸和盤的接觸問題為標(biāo)準(zhǔn)算例。假設(shè)軸為一等直徑空心軸，其內(nèi)徑為0.025m，外徑為0.035m，長度為0.15m；盤為等厚度圓盤，其內(nèi)徑為0.034m，外徑為0.2m，厚度為0.025m，從而盤和軸就形成了過盈配合的接觸問題。其彈性模量為2.1E5Mpa；泊松比為0.33；接觸摩擦系數(shù)為0.2。有限元模型建立也采用自底向上的建模方法，將算例中給定數(shù)據(jù)通過FORTRAN語言調(diào)用接觸理論計算方法和基本公式，進(jìn)行重復(fù)驗證計算，以證明這種有限元計算方法的可信性和可行性。計算結(jié)果見表2。

3、 計算過程及結(jié)果

3.1有限元網(wǎng)格生成

采用通用有限元分析軟件ANSYS對低壓一級渦輪盤榫槽和葉片榫齒間進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的計算，在建立了如圖4所示的實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際形狀，分別對輪盤、葉片、凸臺、榫槽、榫齒等采用了八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLD45、PLANE42、MESH200等單元進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，分網(wǎng)中用到了由基本面SWEEP成為實(shí)體網(wǎng)格模型、自由實(shí)體模型分網(wǎng)等方法。最終總節(jié)點(diǎn)數(shù)為82331個，總單元數(shù)為154427個。有限元計算模型和低壓一級渦輪盤榫槽與葉片榫齒接觸連接實(shí)體模型如圖5。

3.2接觸對的定義

根據(jù)發(fā)動機(jī)使用中低壓一級渦輪盤榫槽與葉片榫齒接觸的破壞情況，定義了葉片榫頭的四個榫齒的八個上圓弧面與輪盤榫槽對應(yīng)的八個下圓弧面作為接觸面，其有限元模型按圖紙尺寸給定。在定義接觸面時用到了接觸單元CONTA174和目標(biāo)單元TARGE170，可以較好的模擬出接觸面之間以及目標(biāo)面與變形面之間的摩擦接觸關(guān)系。

3.3初邊值條件的確定

為了消除輪盤的軸向剛體位移，在一級盤與下級盤連接的面上和輪轂端面上施加了軸向零位移約束。在兩個徑向截面上施加對稱邊界約束，在鎖板處施加軸向零位移，按如下線性插值。

T=（X-0.194776）/（0.0507365-0.194776）*500+（X-0.0507365）/（0.194776-0.0507365）*570 （3）

輪盤溫度載荷沿徑向分布，葉片溫度載荷分布按以下分段二次插值。

式中x表示輪盤徑向，單位為m。為了提高精度，在榫槽和榫齒處以每個鎖頸未分段點(diǎn)進(jìn)行插值，在葉片處以建模所分網(wǎng)格為基礎(chǔ)將其分為十段進(jìn)行分段二次插值。將此插值條件讀入ANSYS前處理器中即完成了溫度載荷的施加。

離心力載荷施加全局轉(zhuǎn)速，角速度 。

3.3計算結(jié)果

渦輪盤在未受損的情況下有限元分析結(jié)果為：

1） 從低壓一級渦輪盤溫度場分布（圖6）可以看出，溫度場的分布和線性插值公式（3）得出的徑向各點(diǎn)的溫度分布完全一致；

2） 從低壓一級渦輪盤等效應(yīng)力分布（圖7）可以看出，輪盤的等效應(yīng)力分布，最大應(yīng)力發(fā)生在徑向約2/3處，此外輪心的應(yīng)力也比較大；

3）從低壓一級渦輪盤徑向應(yīng)力分布（圖8）可以看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在徑向2/3處；

4） 從低壓一級渦輪盤周向應(yīng)力分布（圖9）可以看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪心弧度處；

5） 從低壓一級渦輪盤軸向應(yīng)力分布（圖10）可以看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪心；

6）從低壓一級渦輪盤等效應(yīng)變分布（圖11）可以看出，應(yīng)變最大值出現(xiàn)在在徑向2/3處。

四 結(jié)論

1、輪盤最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪心邊緣、輪心弧度段以及徑向2/3處靠近連接封嚴(yán)蓖齒的地方，應(yīng)力值接近590Mpa，應(yīng)變的最大值分布基本與應(yīng)力分步一致；

2、計算得到的徑向和周向的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律與設(shè)計報告基本符合，數(shù)據(jù)真實(shí)、可信，可以作為設(shè)計、加工和改型等進(jìn)一步工作開展的依據(jù)。

作者簡介：陳代富（1977.05-），男，漢，四川簡陽人， 1999年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，主管航空裝備質(zhì)量臨督。