圓弧端齒對渦輪螺栓連接影響的數(shù)值研究

羅　莉，施一長，李　杰，王克菲，陳亞龍

（中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108）

圓弧端齒對渦輪螺栓連接影響的數(shù)值研究

羅莉，施一長，李杰，王克菲，陳亞龍

（中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108）

為驗(yàn)證某型民用航空發(fā)動機(jī)渦輪總體設(shè)計方案的可行性和安全性，以該型航空發(fā)動機(jī)渦輪的圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元數(shù)值模擬方法研究了渦輪第1級盤與前軸之間采用圓弧端齒連接的設(shè)計對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞失效的影響，分析了在高溫及不同預(yù)緊力載荷工況下對圓弧端齒連接強(qiáng)度、疲勞等性能的影響規(guī)律。研究表明：該設(shè)計存在渦輪第1級盤與高壓渦輪軸連接的外端齒分離而導(dǎo)致振動的風(fēng)險，而增大預(yù)緊力可以提高螺栓連接傳遞荷載的能力，但螺栓孔邊存在局部高應(yīng)力問題。研究結(jié)果為圓弧端齒的設(shè)計方案提供了有效理論支撐和參考。

圓弧端齒；預(yù)緊力；強(qiáng)度；疲勞；螺栓；渦輪；航空發(fā)動機(jī)

0　引言

航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的盤、軸連接結(jié)構(gòu)直接影響渦輪轉(zhuǎn)子的性能和可靠性［1-2］。圓弧端齒連接具有精度高、自動定位、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)［4-5］，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、鐵路機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)等領(lǐng)域［6-7］。國內(nèi)外研究人員對圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的盤、軸連接開展了一些基礎(chǔ)研究［8-14］，如尹澤勇提出綜合考慮多因素的軸向預(yù)緊力確定準(zhǔn)則并由此建立了預(yù)緊力優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型等。但總體上圓弧端齒連接應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)累積較為薄弱，在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)開展針對圓弧端齒強(qiáng)度分析以及優(yōu)化改進(jìn)的研究報道較少［15］。

本文以某型民用航空發(fā)動機(jī)渦輪的圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元方法對圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)在不同預(yù)緊力工況下進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合計算，分析不同預(yù)緊力載荷變化對圓弧端齒連接強(qiáng)度、疲勞等性能的影響規(guī)律，并提出設(shè)計改進(jìn)意見。

1　物理模型

某型航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪盤與高壓渦輪軸采用圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)，共30個端齒、20組螺栓緊固件。由于圓周對稱，取1/10模型進(jìn)行分析，如圖1所示。圖中靠近軸心的圓弧端齒為內(nèi)端齒，靠近外周的為外端齒。

圖1　高壓渦輪盤、軸螺栓連接模型

2　材料性能

輪盤的材料為FGH96合金，密度ρ=8.32×103kg/m3，泊松比為0.311。軸和螺栓的材料為GH4169合金，密度ρ=8.24×103kg/m3，泊松比為0.3。2種材料不同溫度下的力學(xué)性能見表1。

表1　FGH96、GH4169的不同溫度下的力學(xué)性能

3　計算模型及工況

計算模型如圖2所示。實(shí)體模型采用20節(jié)點(diǎn)的solid186單元，單元數(shù)為48711，節(jié)點(diǎn)數(shù)為207131；渦輪盤、軸之間建立接觸對，由于圓弧端齒靠側(cè)面?zhèn)髁Γ诙她X側(cè)面建立接觸單元，單元類型為CONTA174和TARGE170；螺桿與法蘭之間建立接觸類型設(shè)置為STANDARD；螺栓與螺母之間為綁定接觸。螺栓處建立預(yù)應(yīng)力單元，單元類型為PRETES179。考慮各部件之間的接觸因素［16］，摩擦計算模型采用經(jīng)典庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.2。

圖2　有限元模型

坐標(biāo)軸定義如下：x軸為旋轉(zhuǎn)軸方向，順氣流方向?yàn)檎?；z軸為徑向方向，指向外機(jī)匣為正。

在輪盤和高壓渦輪軸周向兩側(cè)建立循環(huán)對稱邊界，轉(zhuǎn)速為16000 r/min。輪盤和高壓渦輪軸的端面分別施加軸向和周向位移場，軸向位移為1.48～1.50 mm，周向位移為2.97～2.98 mm，如圖3所示。根據(jù)熱分析得到的溫度場分布作為溫度載荷加載至計算模型，溫度場范圍為500～600℃，如圖4所示。

圖3　位移場

圖4　溫度場分布

按工程需要，計算工況定義為螺栓上施加預(yù)緊力分別為20、30、40和50 kN，在各工況下分析端齒接觸、盤孔應(yīng)力分布及螺栓應(yīng)力分布等結(jié)構(gòu)特性。

4　計算結(jié)果及分析

4.1端齒位移及接觸分析

對各工況進(jìn)行靜力分析，通過提取齒邊緣線上的位移點(diǎn)，獲得計算模型的總變形分布如圖5、6所示。從圖中可見，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，內(nèi)側(cè)端齒間隙由0.072 mm減少至0.004 mm，提高了連接處的密封性能；但隨著預(yù)應(yīng)力的增大，外端齒間隙由0.071 mm增加至0.115 mm，而當(dāng)預(yù)緊力超過40 kN時，外端齒間隙將超過0.1 mm，而且隨著齒間間隙增加，也直接增加了共振風(fēng)險。這是由溫度場的分布情況導(dǎo)致的，外端齒部位的溫度較高，內(nèi)端齒部位的溫度較低，導(dǎo)致外端齒膨脹，而內(nèi)端齒收縮，從而外端間隙隨著預(yù)應(yīng)力增大，而內(nèi)端間隙則隨之減小。因此，在該處的設(shè)計優(yōu)化應(yīng)以減少外端齒的分離而導(dǎo)致的振動風(fēng)險為主要目的。為縮小內(nèi)端與外端間隙的差距，可以嘗試改變溫度場分布，使內(nèi)外側(cè)溫差減小，達(dá)到縮小內(nèi)端與外端間隙差距的目的；或結(jié)構(gòu)改為外止口設(shè)計，使得外端齒分離程度減小。

圖5　不同預(yù)緊力下內(nèi)端齒軸向間隙

圖6　不同預(yù)緊力下外端齒軸向間隙

為考察轉(zhuǎn)速對外端齒間隙的影響，在預(yù)緊力為20 kN的工況下，分別對不同比轉(zhuǎn)速下外端齒間隙進(jìn)行分析，如圖7所示。從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，端齒承受的載荷增大，使得外端齒的間隙不斷增大。

圖7　不同比轉(zhuǎn)速下外端齒間隙

4.2盤和孔等效應(yīng)力及疲勞分析

在高溫、高轉(zhuǎn)速的工況下螺栓孔與端齒之間存在傳遞荷載，因此必須分析渦輪盤、軸孔的承載情況。在20 kN工況下，第1級盤和渦輪軸孔的等效應(yīng)力分布如圖8、9所示，從等效應(yīng)力分布來看，第1級盤和渦輪軸的孔邊和端齒的根部都存在高應(yīng)力區(qū)域。在20 kN工況、不同比轉(zhuǎn)速下的第1級盤和渦輪軸孔的最大等效應(yīng)力變化曲線如圖10所示。從圖中可見，第1級盤和渦輪軸孔承受的載荷隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

圖8　第1級盤孔的等效應(yīng)力分布

圖9　渦輪軸孔的等效應(yīng)力分布

圖10　不同比轉(zhuǎn)速下等效應(yīng)力分布

結(jié)合表1中FGH96、GH4169合金在不同溫度下的屈服強(qiáng)度可知，在不同預(yù)緊力工況下，第1級盤孔邊最大等效應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，而高壓渦輪軸孔邊最大等效應(yīng)力均大于屈服強(qiáng)度。

發(fā)動機(jī)的工作荷載是交互變化的，而結(jié)構(gòu)失效的1個常見原因是疲勞，并與重復(fù)加載密切相關(guān)。低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的，而塑性變形常常伴隨低周疲勞。根據(jù)第4.1節(jié)靜力分析的結(jié)果，高壓渦輪軸螺栓孔周圍局部已達(dá)到屈服狀態(tài)，應(yīng)采用應(yīng)變疲勞理論來計算低周疲勞壽命。選取局部區(qū)域應(yīng)力較大點(diǎn)位置作為低周疲勞壽命分析區(qū)域。根據(jù)GH4169合金在500、650℃下的低循環(huán)疲勞性能及應(yīng)變壽命曲線擬合公式，采用Manson-Coffin進(jìn)行平均應(yīng)力修正［17］，可以求得關(guān)鍵點(diǎn)的低周疲勞壽命見表2。從低周壽命的循環(huán)數(shù)來看，滿足發(fā)動機(jī)工作要求。

表2　高壓渦輪軸局部危險點(diǎn)的壽命

4.3螺栓應(yīng)力及接觸狀態(tài)分析

螺栓與螺桿連接的根部為危險位置，取螺栓根部的橫截面計算平均等效應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力，如圖11所示。結(jié)合表1可見，在不同預(yù)緊力工況下，螺栓根部的等效應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力均小于螺栓的屈服強(qiáng)度。

圖11　不同工況下螺栓根部的平均應(yīng)力

為考察不同預(yù)緊力工況下螺栓和第1級盤的接觸情況，提取螺栓和第1級盤接觸面的位移分布，如圖12所示，圖中標(biāo)尺均為-0.1～0 mm。從圖中可見，隨著預(yù)緊力增大，螺栓連接位置的接觸面不斷增大，但存在滑移。

圖12　不同預(yù)緊力工況下的接觸間隙

5　結(jié)論

本文以某型民用航空發(fā)動機(jī)渦輪的圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)為研究對象，通過有限元熱結(jié)構(gòu)耦合的分析方法研究了該渦輪第1級盤與前軸之間采用圓弧端齒連接的設(shè)計對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞失效的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在不同預(yù)緊力工況下，該圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)端齒閉合，滿足氣密性要求。但隨著預(yù)緊力的增大，外端齒間隙呈增大趨勢，導(dǎo)致齒間分離增大，增加了振動產(chǎn)生的風(fēng)險。因此，應(yīng)修改圓弧端齒局部設(shè)計以減少外端齒的齒間間隙，進(jìn)而降低振動的風(fēng)險。

（2）在不同預(yù)緊力工況下，由于采用圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)，使得第1級盤孔局部應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，但高壓渦輪軸螺栓孔局部存在屈服風(fēng)險。

（3）基于應(yīng)變疲勞理論的低周疲勞壽命計算結(jié)果表明，雖然高壓渦輪軸螺栓孔存在局部屈服，但其疲勞壽命滿足該發(fā)動機(jī)工作要求。

（4）在不同預(yù)緊力工況下，圓弧端齒結(jié)構(gòu)的連接螺栓都能滿足強(qiáng)度要求，螺栓和螺母的接觸狀態(tài)良好，表明該處設(shè)計合理有效。

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（編輯：栗樞）

Numerical Study on the Influence of Curvic Couplings on Turbine Bolt Connection

LUO Li，SHI Yi-chang，LI Jie，WANG Ke-fei，CHEN Ya-long
（AVIC Commercial Aircraft Engine Co.，Ltd，Shanghai 201108，China）

In order to verify the feasibility and safety of a certain type of civil aviation turbine engine overall design scheme，turbine curvic couplings syndeton in the aero engine was set up as the research object.Using finite element numerical simulation method，the influence of the curvic couplings on structure strength and fatigue failure was carried out，and the influence law of the strength and fatigue properties of the curvic couplings under high temperature and different pretightening force load were analyzed between the first stage turbine disk and the front axle.Results show that the end of the tooth of the first stage turbine disc connected to the high-pressure turbine shaft may separate and then cause risk of vibration，and the preload increasing improves the ability of the bolt connection of load transfer，but local high stress problems occur on the bolt holes.The result also provide an effective theoretical support and reference for the design of the curvic couplings.

curvic couplings；pretension；strength；fatigue；bolt；turbine；aeroengine

V 232.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.012

2016-01-21

羅莉（1983），女，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)渦輪強(qiáng)度分析工作；E-mail：jianjian20012@163.com。

引用格式：羅莉，施一長，李杰，等.圓弧端齒對渦輪螺栓連接影響的數(shù)值研究［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（4）：60-63.LUOLi，SHIYichang，LIJie，etal. Numericalstudyontheinfluenceofcurviccouplingsonturbineboltconnection［J］.Aeroengine，2016，42（4）：60-63.