某低壓渦輪盤破裂轉(zhuǎn)速分析與試驗驗證

邵 帥，劉秀芝，魏 峰，邱 豐

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

輪盤作為航空發(fā)動機的關(guān)重件，必須確保輪盤在可能出現(xiàn)的超轉(zhuǎn)范圍內(nèi)工作而不破裂。對于雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機，由于低壓渦輪軸較細，考慮到加力燃燒室對其的影響，低壓渦輪盤發(fā)生超轉(zhuǎn)的概率較高。因此，低壓渦輪盤最需要受到破裂轉(zhuǎn)速的限制，并優(yōu)先考慮低壓渦輪盤的破裂試驗[1]。目前，國內(nèi)外破裂轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法主要有理論計算方法和基于有限元的多種計算方法，包括平均應(yīng)力法、最大應(yīng)力法、局部應(yīng)變法及殘余變形法等[2-8]。目前，工程上常用的破裂轉(zhuǎn)速計算方法是平均應(yīng)力法[9]，文獻[10-12]對破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測方法進行了試驗驗證。本文為實際工程問題，結(jié)合有限元計算結(jié)果，采用平均應(yīng)力法和局部塑性應(yīng)變法對渦輪盤進行破裂轉(zhuǎn)速分析，對輪盤破壞起始部位進行預(yù)測，并與試驗和失效分析結(jié)果進行對比分析。

1 輪盤破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測

1.1 平均應(yīng)力法

輪盤的破裂模式主要有子午面破裂和圓柱面破裂。子午面破裂是在輪盤子午面以周向應(yīng)力為主的情況下發(fā)生的；圓柱面破裂則是在輪盤某半徑高度上以徑向應(yīng)力為主的情況下發(fā)生的。平均應(yīng)力法是從輪盤平均承載角度分析輪盤子午面和圓柱面失效的破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測方法。采用加權(quán)平均周向應(yīng)力法，基于輪盤2維軸對稱有限元計算結(jié)果求解平均周向應(yīng)力公式[3]為

基于輪盤2維軸對稱有限元計算結(jié)果，針對平均徑向應(yīng)力最高截面，根據(jù)徑向應(yīng)力沿截面線積分的方法可求得最大平均徑向應(yīng)力。

基于有限元計算結(jié)果，采用平均應(yīng)力法計算破裂轉(zhuǎn)速儲備公式[4]為

式中：kb為輪盤破裂轉(zhuǎn)速儲備；σb為材料的強度極限；σ為輪盤最大穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的平均周向應(yīng)力；k為材料利用系數(shù)。

低壓渦輪盤材料選用高溫合金GH4169[13]，破裂試驗環(huán)境為常溫，有限元分析時考慮了葉片的作用和離心載荷。采用PLANE183單元建立2維軸對稱有限元模型進行彈性應(yīng)力分析[5]，定義槽底以上的輪緣凸塊部位為具有一定厚度的平面應(yīng)力單元。

通過對輪盤子午面和圓柱面進行破裂轉(zhuǎn)速儲備分析可知，輪盤子午面破裂轉(zhuǎn)速儲備較低，輪盤的主要破壞模式為子午面破壞?？紤]材質(zhì)的分散性，根據(jù)可靠性要求，選取輪盤隨爐試件拉伸性能的最低值、最高值和平均值進行破裂轉(zhuǎn)速分析，假定材料利用系數(shù)為1.0，基于平均應(yīng)力法預(yù)估輪盤破裂轉(zhuǎn)速，見表1。

表1 破裂轉(zhuǎn)速分析

1.2 局部塑性應(yīng)變法

對輪盤進行局部應(yīng)力應(yīng)變分析，采用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線根據(jù)隨爐試件實測力學性能數(shù)據(jù)的平均值獲得，將材料手冊[6]數(shù)據(jù)繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與隨爐試件實測力學性能數(shù)據(jù)平均值繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行對比，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

建立局部塑性應(yīng)變分析3維有限元模型，計算相對轉(zhuǎn)速154%時輪盤局部塑性應(yīng)變分布，如圖2所示。從圖中可見，局部塑性應(yīng)變較大部位位于榫槽槽底，且該部位應(yīng)變以周向應(yīng)變?yōu)橹?，各轉(zhuǎn)速下槽底局部塑性應(yīng)變分析結(jié)果見表2，塑性應(yīng)變-轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3所示。從塑性應(yīng)變變化規(guī)律可見，當轉(zhuǎn)速由157%上升至158%時，榫槽槽底局部塑性應(yīng)變大幅度提高，按照局部塑性應(yīng)變法預(yù)測在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輪盤可能發(fā)生破裂，起裂位置為榫槽槽底。

圖2 局部塑性應(yīng)變分布

圖3 槽底塑性應(yīng)變-轉(zhuǎn)速曲線

表2 塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)速變化趨勢

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變計算結(jié)果與測量結(jié)果對比

為了驗證輪盤局部塑性應(yīng)變法分析模型的正確性，在輪盤榫槽附近布置應(yīng)變片測量周向應(yīng)變，由于局部應(yīng)變最大部位位于槽底，該部位不便于粘貼應(yīng)變片，將應(yīng)變片布置在輪盤前端面靠近槽底的位置，如圖4所示。各轉(zhuǎn)速下應(yīng)變計算結(jié)果、測量結(jié)果及相對誤差見表3，計算結(jié)果與各測點實測應(yīng)變值繪制曲線如圖5所示。從圖中可見，應(yīng)變計算結(jié)果與測量結(jié)果較為吻合。

2.2 高速攝像記錄

在試驗過程中，采用高速攝像記錄輪盤的整個試驗歷程。當試驗轉(zhuǎn)速上升至154%時，輪盤發(fā)生子午面破裂。按時間順序選取具有代表性的高速攝像照片如圖6所示，整個試驗過程如下：

圖4 榫槽附近應(yīng)變測點位置

圖5 榫槽附近應(yīng)變測點位置

表3 應(yīng)變計算結(jié)果與測量結(jié)果對比

圖6 高速攝像記錄

（1）第 1排 5幅照片記錄了試驗轉(zhuǎn)速升至154%時試驗件運行過程。轉(zhuǎn)速升至154%前，試驗件運行狀態(tài)正常，目視整個輪盤的塑性變形不明顯。當試驗轉(zhuǎn)速升至154%后，輪盤子午面發(fā)生破裂；

（2）第2排5幅照片記錄了輪盤子午面首斷截面破裂的過程。輪盤開始發(fā)生破裂后，輪盤變形明顯，按逆時針旋向90°位置輪盤發(fā)生第2次破裂，輪盤第1個部分徹底斷開；

（3）第3排5幅照片記錄了輪盤第2個部分破裂的過程。輪盤第1個部分發(fā)生破裂后，輪盤變形進一步變大。從第2次破裂位置起，按逆時針旋向90°位置輪盤發(fā)生第3次破裂，輪盤第2個部分徹底斷開；

（4）第4排4幅照片記錄了輪盤發(fā)生破裂后的過程。整個輪盤破裂之后，破裂的輪盤撞擊到防護層，產(chǎn)生明顯的火花。

2.3 計算與試驗結(jié)果對比

輪盤在相對轉(zhuǎn)速達到154%時發(fā)生子午面破裂，破裂后整體形貌如圖7所示，首斷截面形貌如圖8所示。將實測破裂轉(zhuǎn)速與預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速進行對比，結(jié)果見表4。

從對比結(jié)果可見，在常溫條件下，當材料利用系數(shù)取1.0時，采用平均應(yīng)力法預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速仍然低于實測破裂轉(zhuǎn)速，采用實測力學性能最高值預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速與實測值最為接近，誤差為-0.65%，采用實測力學性能平均值預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速誤差為-3.25%，由于實測破裂轉(zhuǎn)速高于預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速，本文數(shù)據(jù)不能給出材料利用系數(shù)；采用局部塑性應(yīng)變法預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速高于實測值，采用實測力學性能平均值預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速誤差為1.95%～2.60%；本文采用2種方法預(yù)測低壓渦輪盤（常溫條件下）破裂轉(zhuǎn)速與實測破裂轉(zhuǎn)速較為接近，局部塑性應(yīng)變法預(yù)測精度相對更高。

圖7 輪盤破裂后整體形貌

圖8 首斷截面形貌

表4 破裂轉(zhuǎn)速實測與預(yù)測對比

3 失效分析[14-15]

輪盤首斷截面端口分為盤緣側(cè)斷口和盤心側(cè)斷口，斷口宏觀圖像如圖9所示。斷口靠近盤緣榫槽槽底及輻板中心區(qū)域為纖維區(qū)，安裝邊及輻板兩側(cè)區(qū)域為剪切唇區(qū)，斷口表面可見放射線形貌，放射線由槽底向輻板方向擴展。盤心側(cè)斷口纖維區(qū)形貌主要為等軸韌窩形貌，剪切唇區(qū)形貌為剪切韌窩，表明該斷口為瞬斷斷口。

圖9 斷口宏觀圖像

根據(jù)剪切唇區(qū)的剪切韌窩方向判斷，斷裂由盤緣側(cè)向盤心側(cè)擴展，擴展方向如圖10中紅色箭頭所示。因此，隨著轉(zhuǎn)速提高至輪盤破裂轉(zhuǎn)速，低壓渦輪盤發(fā)生瞬斷破壞，由榫槽槽底部位起裂，后擴展至盤心。該分析結(jié)果與第1.2節(jié)預(yù)測輪盤破壞起始位置一致。

圖10 裂紋擴展方向

4 結(jié)論

本文采用平均應(yīng)力法和局部塑性應(yīng)變法進行破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測，并與試驗結(jié)果和失效分析結(jié)果進行對比分析，得出結(jié)論如下：

（1）采用平均應(yīng)力法和局部塑性應(yīng)變法進行破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；

（2）采用局部塑性應(yīng)變法預(yù)測輪盤破裂起始部位與失效分析結(jié)果吻合較好；

（3）對于本文研究的輪盤及其工作環(huán)境，平均應(yīng)力法預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速低于實測值，局部塑性應(yīng)變法預(yù)測破裂轉(zhuǎn)速高于實測值，且局部塑性應(yīng)變法預(yù)測精度相對更高。