一種在渦輪盤心處開環(huán)槽的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

楊晶

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤是變厚盤，渦輪盤內(nèi)徑處的軸向?qū)挾却螅鈴教幍妮S向?qū)挾刃?。渦輪盤在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很大的離心載荷，需要渦輪盤自身承載相應(yīng)離心載荷。由于渦輪盤是空心盤，在渦輪盤內(nèi)徑處只有周向應(yīng)力承受整個(gè)渦輪盤和渦輪葉片的離心載荷。內(nèi)徑處的周向應(yīng)力非常大，而且周向應(yīng)力在軸向的分布也不均勻，呈現(xiàn)中間大，兩端小的現(xiàn)象。如果在渦輪盤中心孔的位置開盤心環(huán)槽，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)開合適尺寸的盤心環(huán)槽能降低中心孔處的最大周向應(yīng)力，同時(shí)提高兩端的周向應(yīng)力，使應(yīng)力分布均勻，材料利用率提高，而且開槽能降低渦輪盤的重量。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤 盤心環(huán)槽 減重

中圖分類號(hào)：V235.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0094-03

A Design of Ring Slot at the Bore of Turbine Disc

Yang Jing

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，200436，China）

Abstract：The thickness of turbine disk is variable， the width at bore of the turbine disk is greater and the width at rim of the turbine disk is less. The turbine disk withstand the centrifugal stress which generated when the turbine disk works at high rotating speed. At the bore of disk， circumferential stress withstand the whole centrifugal load， the stress is enormous and variable along with axis of the disk which at the end is the minimum， at the right in the middle is the maximum. Ring slot at the bore of the disk can reduce the maximum circumferential stress and increase the minimum circumferential stress at the end of the axis of the disk. So the utilization rate of material can be improved and the weight of the disk can be reduced.

Key Words：Aero-engine turbine disk；Ring slot；Weight reduction

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤在工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，渦輪葉片和渦輪盤產(chǎn)生很大的離心載荷，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心載荷需要渦輪盤自身來(lái)承載。從輪盤外緣沿著半徑向內(nèi)緣的方向，離心載荷越來(lái)越大，越靠近盤中心孔區(qū)域所受載荷越大，因此實(shí)際輪盤不可能是等厚度的，而且在盤心處，盤心厚度最大。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輪盤沿著軸向的應(yīng)力分布是不均勻的，如圖1所示，A—B—C是輪盤中心孔的最大半徑處，當(dāng)渦輪盤在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，輪盤沿著A—B—C方向的應(yīng)力分布是不均勻的，理論上分析此處只有周向應(yīng)力，因此周向應(yīng)力沿著A—B—C方向的分布是不均勻的。其中周向應(yīng)力分布的特點(diǎn)為：B點(diǎn)的周向應(yīng)力最大，沿著A—B—C的方向，越往兩端，周向應(yīng)力越小，并且在A點(diǎn)和C點(diǎn)的周向應(yīng)力達(dá)到最小值。在盤心處開環(huán)槽能改善應(yīng)力的分布，降低B點(diǎn)的周向應(yīng)力，提高A，C兩點(diǎn)的周向應(yīng)力，該文主要探討盤心環(huán)槽的深度與寬度對(duì)應(yīng)力分布的影響。

1 渦輪盤的建模和溫度場(chǎng)的分布

1.1 建模

參考一般的真實(shí)渦輪盤尺寸和渦輪盤的溫度場(chǎng)分布，建立一個(gè)渦輪盤模型，并且定義該輪盤的溫度場(chǎng)。再針對(duì)該渦輪盤的尺寸和溫度場(chǎng)，在渦輪盤中心開盤心環(huán)槽，來(lái)研究盤心環(huán)槽對(duì)周向應(yīng)力的影響。圖2是渦輪盤的橫截面圖，渦輪盤內(nèi)徑處的中心孔的半徑R2=60 mm，渦輪盤中心孔沿著軸線的寬度L1=100 mm，R1是輪盤的外徑，R1=300 mm。渦輪盤的材料采用FGH96粉末高溫合金。渦輪盤旋轉(zhuǎn)速為11 000 r/min。假定渦輪盤上的渦輪葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，給渦輪盤外徑邊緣的離心載荷為100 MPa。

1.2 溫度場(chǎng)分布

一般渦輪盤在實(shí)際工作過(guò)程中，由于氣流冷卻等其他因素的影響，渦輪盤的溫度不可能是線性分布[3][4]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)渦輪盤的溫度沿著徑向呈四次方分布[5]，分布規(guī)律如以下公式：

TR=T0+Cm（Rm-R2m）

式中，T0為R=R2處的溫度；m為狀態(tài)參數(shù)，因?yàn)闇u輪盤呈四次方分布，所以m=4，Cm為對(duì)應(yīng)于m狀態(tài)下的溫升率。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，假定渦輪盤外緣的溫度為680 ℃，渦輪盤內(nèi)緣處的溫度為380 ℃。將外徑與外徑處的溫度代入上述公式中，可以計(jì)算得到：C4=3.71×104（℃/m4）。所以溫度分布按公式：

TR=380+3.71×104×（R4-0.064）

2 無(wú)盤心環(huán)槽時(shí)，渦輪盤內(nèi)徑處的周向應(yīng)力沿軸線方向的分布

根據(jù)以上描述的渦輪盤尺寸和渦輪盤溫度場(chǎng)的分布，在ANSYS中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的渦輪盤在沒(méi)有盤心環(huán)槽時(shí)，渦輪盤內(nèi)徑處的周向應(yīng)力沿軸線的分布如圖3所示。

3 渦輪盤心環(huán)槽對(duì)渦輪盤中心孔處周向應(yīng)力的影響

3.1 盤心環(huán)槽的尺寸

渦輪處盤心環(huán)槽的尺寸由兩個(gè)主要參數(shù)決定，如圖4所示，D為環(huán)槽的深度，L3為環(huán)槽的寬度。在該文中，D/L2為環(huán)槽的深度，L3/L4為環(huán)槽的寬度，分別針對(duì)環(huán)槽的深度和寬度開了4種方案的環(huán)槽形狀。具體方案見表1。

3.2 盤心環(huán)槽對(duì)渦輪盤中心孔處的應(yīng)力分布影響

圖5所描述的是，同一個(gè)渦輪盤在相同工況下，不同尺寸的盤心環(huán)槽對(duì)渦輪盤中心孔處的周向應(yīng)力沿著軸向分布的影響曲線圖。case0是沒(méi)有盤心環(huán)槽的曲線圖，從圖中可以看出，4種盤心環(huán)槽的方案都能提高渦輪盤中心孔處的最低周向應(yīng)力值。而caes1、case3、case4都能降低渦輪盤中心孔處的最大周向應(yīng)力值。而case1和case4已經(jīng)改變了渦輪盤的最大周向應(yīng)力發(fā)生的位置，沒(méi)有盤心環(huán)槽的渦輪盤最大周向應(yīng)力在渦輪盤軸向的對(duì)稱面上，但case1和case4的最大周向應(yīng)力值的位置沿著軸向方向向兩側(cè)移動(dòng)了。從case1可以看出，當(dāng)盤心環(huán)槽的寬度較小時(shí)，盤心環(huán)槽不僅不能改善渦輪盤中心孔處的周向應(yīng)力分布，反而會(huì)增大最大周向應(yīng)力。因此盤心環(huán)槽的寬度和深度要在一定的比例之內(nèi)才能起到改善周向應(yīng)力的效果，見表2。

3.3 盤心環(huán)槽對(duì)渦輪盤外緣榫槽底部應(yīng)力影響

渦輪葉片與渦輪盤是通過(guò)榫槽連接的，因此渦輪盤的外緣有榫槽結(jié)構(gòu)，而且渦輪的工作環(huán)境導(dǎo)致渦輪盤的中心孔處溫度低，渦輪盤外緣溫度高。因此由溫度不均勻?qū)е碌拈静鄣撞渴軌?，渦輪盤中心孔處受拉，在盤心開環(huán)槽之后，能有效降低渦輪盤中心的拉應(yīng)力，從而降低榫槽底部的壓應(yīng)力，進(jìn)一步改善了整個(gè)渦輪盤的受力情況。

4 結(jié)論

該文以變厚渦輪盤為研究對(duì)象，在渦輪盤的中心孔處開盤心環(huán)槽之后，針對(duì)不同尺寸的環(huán)槽對(duì)渦輪盤應(yīng)力分布的影響，得出的研究結(jié)論如下。

（1）在渦輪盤上開合適尺寸的盤心環(huán)槽后，能降低渦輪盤中心孔處的最大拉應(yīng)力，同時(shí)可以提高中心孔兩端的最小拉應(yīng)力，改善應(yīng)力的分布，從而有可能提高輪盤的壽命。

（2）盤心環(huán)槽的深度與寬度應(yīng)該在一定的比例以內(nèi)，否則有可能導(dǎo)致最大應(yīng)力的位置轉(zhuǎn)移，而且還有可能提高中心孔處的最大拉應(yīng)力。

（3）因?yàn)闇u輪盤存在很大的溫度應(yīng)力，通過(guò)分析，在渦輪盤上開合適尺寸的盤心環(huán)槽之后，不僅能改善中心孔處的應(yīng)力分布，還能改善渦輪盤外緣榫槽底部的壓應(yīng)力。

（4）盤心環(huán)槽不僅能改善渦輪盤的應(yīng)力分布，還能降低渦輪盤的重量。

參考文獻(xiàn)

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