某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)輪盤(pán)定壽試驗(yàn)研究

鮑冬冬

摘 要：本文為了某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)輪盤(pán)定壽，設(shè)計(jì)了定壽試驗(yàn)方案。該方案充分考慮了該盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)上工作時(shí)的邊界條件模擬以及進(jìn)行了一系列的相關(guān)計(jì)算，并針對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)輪盤(pán)進(jìn)行了相應(yīng)的改制，該試驗(yàn)方案對(duì)定壽試驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：邊界條件;關(guān)鍵部位;臨界轉(zhuǎn)速

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0106-02

0引言

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，輪盤(pán)是關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件之一，屬于耐久性關(guān)鍵件和斷裂性關(guān)鍵件，輪盤(pán)的失效和破裂會(huì)直接影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，從而危及到飛機(jī)和乘客的人身安全，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的后果，而低循環(huán)疲勞則是輪盤(pán)最主要的失效模式。

在中國(guó)目前條件下，確定輪盤(pán)類關(guān)鍵件的安全壽命，實(shí)際上只有一種方法，國(guó)外稱其為傳統(tǒng)安全壽命法[1]。主要內(nèi)容是通過(guò)成品零件的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行定壽，主要流程是，選擇典型飛行剖面，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的應(yīng)力分析，確定關(guān)鍵部位及其標(biāo)準(zhǔn)循環(huán);確定試驗(yàn)方案;進(jìn)行試驗(yàn)器條件下的應(yīng)力分析，選擇合適的應(yīng)力系數(shù)，進(jìn)行零件疲勞試驗(yàn);選擇散度系數(shù)，確定預(yù)定安全循環(huán)壽命和使用壽命[2]等。

1 試驗(yàn)方案總體設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)輪盤(pán)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要求模擬輪盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的邊界條件，并保證輪盤(pán)在完成循環(huán)次數(shù)前不發(fā)生破裂，且不產(chǎn)生工程裂紋。

試驗(yàn)將在高速試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該設(shè)備為立式旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器，包含倉(cāng)蓋、動(dòng)力輸出系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等系統(tǒng)，試驗(yàn)件通過(guò)柔性軸與試驗(yàn)器相連。

1.2被試品確定

在該型發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)是由1-9級(jí)輪盤(pán)連接在一起構(gòu)成，采用有限元軟件進(jìn)行有限元前、后處理，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，接下來(lái)進(jìn)行線彈性有限元計(jì)算，計(jì)算了6個(gè)工況下在瞬態(tài)溫度載荷[3]與離心載荷作用下的最大當(dāng)量應(yīng)力，最后通過(guò)對(duì)比，選取典型的輪盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)圖1可以看出第1級(jí)輪盤(pán)當(dāng)量應(yīng)力最大，最后選取壓氣機(jī)第1級(jí)輪盤(pán)作為被試品進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3關(guān)鍵部位確定

在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上用離心應(yīng)力模擬輪盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的工作應(yīng)力，在一般情況下，不可能同時(shí)模擬整個(gè)輪盤(pán)的應(yīng)力，只能針對(duì)各關(guān)鍵部位進(jìn)行試驗(yàn)。關(guān)鍵部位指關(guān)鍵件上有可能發(fā)生低循環(huán)疲勞破壞、并導(dǎo)致危險(xiǎn)性發(fā)動(dòng)機(jī)影響的高應(yīng)力區(qū)。關(guān)鍵件各部位的應(yīng)力飛行剖面不同，應(yīng)力幅值和應(yīng)力分布不同，溫度和溫度梯度也不同。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)有2個(gè)可能的關(guān)鍵部位：中心孔和偏心孔。輪盤(pán)中心孔應(yīng)力水平較高，起源于中心孔的裂紋會(huì)導(dǎo)致輪盤(pán)失效，產(chǎn)生非包容的高能碎片，造成危險(xiǎn)性影響，嚴(yán)重危及乘客安全，中心孔總是第一關(guān)鍵部位;偏心孔（即螺栓孔）為高應(yīng)力區(qū)，其裂紋向內(nèi)擴(kuò)展可能導(dǎo)致輪盤(pán)破裂，因此螺栓孔應(yīng)定為關(guān)鍵部位[4]。

1.4邊界條件模擬

方案主要考慮輪盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中裝配時(shí)的邊界條件與總體布局，為了完全模擬輪盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的邊界條件，輪盤(pán)通過(guò)連接螺栓與試驗(yàn)器連接。

1.5 整體設(shè)計(jì)

1.5.1模擬件設(shè)計(jì)

在該型發(fā)動(dòng)機(jī)中，第1級(jí)輪盤(pán)是通過(guò)螺栓與第2級(jí)輪盤(pán)聯(lián)接在一起，且接觸部分為過(guò)盈接觸，故為了更好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)上真實(shí)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了模擬2級(jí)盤(pán)與其一起進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，即采用等效方法確定模擬2級(jí)盤(pán)的外徑，模擬2級(jí)盤(pán)的材料與實(shí)際第2級(jí)輪盤(pán)的材料相同，如表1所示。

模擬2級(jí)盤(pán)質(zhì)量與第2級(jí)盤(pán)相當(dāng)，質(zhì)心位置重合，模擬2級(jí)盤(pán)幾何模型及位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證模擬2級(jí)盤(pán)與第2級(jí)盤(pán)在n1轉(zhuǎn)速下螺栓孔位置徑向位移均為0.215mm。

1.5.2被試品改制與轉(zhuǎn)速的確定

第1級(jí)盤(pán)主要承受離心載荷及溫度載荷，離心載荷以轉(zhuǎn)速形式施加在整個(gè)計(jì)算模型上，溫度載荷以節(jié)點(diǎn)溫度形式施加，第1級(jí)盤(pán)計(jì)算模型有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖3。

在以下兩個(gè)工況（如表2）下計(jì)算了中心孔、偏心孔以及輪盤(pán)榫槽的當(dāng)量應(yīng)力（見(jiàn)表3）。

由表2和表3可以看出榫槽的當(dāng)量應(yīng)力較大，由于本試驗(yàn)將中心孔及偏心孔作為關(guān)鍵部位，所以需要對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，最后通過(guò)計(jì)算決定對(duì)輪盤(pán)的葉片進(jìn)行改制，以降低榫槽當(dāng)量應(yīng)力，最后通過(guò)計(jì)算得到了方案，即配重葉片自榫頭底部平面至頂端截面高度為30.0mm，可以看出榫槽的當(dāng)量應(yīng)力是降低了的，最后確定試驗(yàn)上限轉(zhuǎn)速，計(jì)算結(jié)果如表4。

2 結(jié)論

試驗(yàn)方案充分考慮了壓氣機(jī)第1級(jí)輪盤(pán)的邊界條件模擬，通過(guò)計(jì)算，確定被試品、關(guān)鍵部位、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速及輪盤(pán)的葉片改制，模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的安裝條件，并對(duì)輪盤(pán)轉(zhuǎn)接件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，且強(qiáng)度滿足要求。

為了模擬真實(shí)的邊界條件，設(shè)計(jì)了模擬二級(jí)盤(pán)，使之與在發(fā)動(dòng)機(jī)上第1級(jí)輪盤(pán)的協(xié)調(diào)變形相同。

通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的問(wèn)題，最后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了相關(guān)改制，進(jìn)行正式試驗(yàn)后達(dá)到了滿足試驗(yàn)?zāi)康牡男Ч?/p>

參考文獻(xiàn)

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