渦輪盤表面凹槽埋偶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究*

梁歡歡，牛宏偉

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

近年來，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求更高的推重比，這不可避免地導(dǎo)致了渦輪進(jìn)口溫度的提高。目前我國(guó)在役軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度約在700～1 200 ℃范圍內(nèi)，這對(duì)渦輪部件尤其是渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來了極大挑戰(zhàn)，使渦輪葉片超溫、蠕變損傷、燒蝕等問題更加惡化，極大地限制發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和耐用性。嚴(yán)重的超溫現(xiàn)象會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損壞葉片，甚至打壞發(fā)動(dòng)機(jī)并損傷飛機(jī)，威脅著飛機(jī)的飛行安全，因此開展高溫、高轉(zhuǎn)速極限工況條件下的渦輪葉片溫度測(cè)量，準(zhǔn)確測(cè)取渦輪轉(zhuǎn)子葉片的表面溫度及分布，對(duì)渦輪葉片熱強(qiáng)度及熱疲勞壽命評(píng)估、冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與驗(yàn)證等至關(guān)重要，同時(shí)為保障飛行安全提供有效的監(jiān)測(cè)手段[1]。

熱電偶的測(cè)溫范圍廣，在-200～2 500 ℃之間，堅(jiān)固耐用，抗沖擊振動(dòng)性好，測(cè)量端較小，測(cè)量準(zhǔn)確度高[2]，因此廣泛應(yīng)用于渦輪葉片惡劣環(huán)境的溫度測(cè)量。主要瓶頸問題之一是熱電偶在高溫、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下的粘結(jié)強(qiáng)度和壽命問題，目前業(yè)內(nèi)主要通過表面刻槽埋偶方式對(duì)熱電偶進(jìn)行固定。將熱電偶埋設(shè)在凹槽內(nèi)，并利用熱噴涂技術(shù)在熱電偶表面制備一層涂層，利用涂層與葉片的結(jié)合力將熱電偶固定在內(nèi)，涂層耐高溫性能好，結(jié)合強(qiáng)度高，能夠滿足渦輪葉片高溫高轉(zhuǎn)速工作環(huán)境。

與傳統(tǒng)制造業(yè)機(jī)械加工的銑床銑削加工刻槽“減材制造技術(shù)”相比，金屬零件3D打印就是利用各種快速成型技術(shù)直接制造金屬功能零件。其基本原理是采用“離散堆積、逐層添加”的方法制備金屬功能零件，相對(duì)于傳統(tǒng)的“減材成形”具有高度的柔性和工藝適應(yīng)性[3]，能夠制造傳統(tǒng)方法所無法制備的各類異形、中空、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的零件，當(dāng)前主要有：選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)、選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)、激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技術(shù)和電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技術(shù)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于激光增材制造凹槽的高溫高速旋轉(zhuǎn)件表面熱電偶集成方法采用了一種新的思路，在渦輪盤表面通過增加材料的方式來構(gòu)造熱電偶埋設(shè)通道，能夠在不損傷原結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)熱電偶的固定，所增加結(jié)構(gòu)具有與原結(jié)構(gòu)相近的力學(xué)性能，組織細(xì)小致密，避免了焊接所帶來的氣孔和性能退化問題[4]，激光增材制造技術(shù)目前已用于受損渦輪葉片快速修復(fù)，具有較高的可靠性，尤其適用于空腔、薄壁結(jié)構(gòu)表面熱電偶集成[5]。

某項(xiàng)目的空心冷卻渦輪試驗(yàn)件溫度測(cè)量，需要對(duì)渦輪試驗(yàn)件進(jìn)行熱電偶改裝，渦輪盤內(nèi)部由于冷卻設(shè)計(jì)采用空心結(jié)構(gòu)，壁面最薄處僅數(shù)毫米。筆者根據(jù)渦輪葉片的溫度測(cè)試需求，分別基于銑削加工和激光增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)渦輪盤表面凹槽用于鋪設(shè)熱電偶的導(dǎo)線和轉(zhuǎn)接段，通過有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算，分析兩種方案構(gòu)造凹槽后渦輪盤結(jié)構(gòu)的變形和Von-Mises應(yīng)力分布，校核各部分結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求。

1 凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渦輪盤試驗(yàn)件模型如圖1所示，通過布置熱電偶的方法來測(cè)量渦輪葉片表面的溫度，需要在渦輪盤表面構(gòu)造熱電偶埋設(shè)通道，鎧裝熱電偶實(shí)物圖如圖2所示。渦輪盤工作的高溫、高壓環(huán)境對(duì)熱電偶的改裝實(shí)施造成很大的困難，另外熱電偶鎧裝段與引線段需要轉(zhuǎn)接頭過渡，而轉(zhuǎn)接頭體積和質(zhì)量相對(duì)較大，在渦輪盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生巨大的離心力作用下容易甩飛出去，造成葉片損傷等安全隱患。熱電偶轉(zhuǎn)接頭處直徑約為6 mm，需要在渦輪盤上加工3 mm的半圓柱形槽來埋設(shè)接頭，后續(xù)通過點(diǎn)焊、熱噴涂、涂膠等方法對(duì)熱電偶轉(zhuǎn)接頭和引線進(jìn)行固定。根據(jù)目前技術(shù)手段，考慮以下兩種可行的方法。

圖1 渦輪盤試驗(yàn)件模型

圖2 鎧裝熱電偶實(shí)物圖 圖3 LDM工藝增加的組織結(jié)構(gòu)參考

(1) 數(shù)控銑床銑削加工(以下簡(jiǎn)稱“銑削法”)。將試驗(yàn)件固定，使用高速旋轉(zhuǎn)的銑刀在試驗(yàn)件上走刀，切出需要的形狀和特征。銑削加工可進(jìn)行復(fù)雜外形和特征的加工，加工效率高、成本低，時(shí)間周期短，但銑削刻槽容易造成局部應(yīng)力集中。

(2) 激光增材制造技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱“增材法”)。利用激光增材技術(shù)在渦輪盤表面增加與熱電偶直徑相當(dāng)厚度的溝槽，作為埋偶通道。激光增材制造選用LDM工藝，即以送粉為技術(shù)特征的激光沉積制造(Laser Deposition Melting，LDM)，是在已有渦輪盤結(jié)構(gòu)上增加材料，達(dá)到改變材料結(jié)構(gòu)的目的。粉末材料使用與渦輪盤相同材料的K4169鎳基合金粉末，LDM工藝增加的組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光增材制造技術(shù)不會(huì)破壞原有結(jié)構(gòu)的完整性，避免了渦輪盤強(qiáng)度的下降，但對(duì)加工面有一定要求，曲面加工存在困難，加工成本高，成型效率和精度低。

使用“銑削法”和“增材法”構(gòu)造渦輪盤表面半圓柱形凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 渦輪盤表面半圓柱形凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 靜強(qiáng)度仿真計(jì)算

渦輪盤及其工裝的三維模型如圖5所示。渦輪盤使用K4169鑄造高溫合金材料加工而成，材料屬性見表1。由于模型較復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程中為了減少工作量取四分之一模型，仿真計(jì)算時(shí)以旋轉(zhuǎn)軸為中心施加旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，如圖6所示。

表1 K4169鑄造合金材料屬性

圖5 渦輪盤及其工裝的1/4模型 圖6 施加旋轉(zhuǎn)對(duì)稱

2.1 銑削法設(shè)計(jì)方案的仿真計(jì)算

有限元模型建立：有限元模型采用四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)凹槽部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，劃分得到412 747節(jié)點(diǎn)，266 268單元，如圖7所示。

圖7 渦輪盤有限元模型網(wǎng)格劃分 圖8 約束施加示意圖

約束施加：渦輪盤與工裝各安裝面之間接觸設(shè)置為綁定接觸。在安裝渦輪盤的工裝一端施加固定約束，按照渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)方向?qū)θ质┘幼畲笮D(zhuǎn)速度21 000 r/min，如圖8所示。

仿真計(jì)算結(jié)果分析：渦輪盤及其表面銑削加工凹槽的結(jié)構(gòu)變形分布如圖9所示，可以看出旋轉(zhuǎn)過程中在離心力作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形從旋轉(zhuǎn)軸心向外逐漸增大，最大變形為0.32 mm，位于葉片的尖端。銑削法整個(gè)結(jié)構(gòu)的Von-Mises應(yīng)力分布如圖10所示，凹槽部分局部的Von-Mises應(yīng)力分布如圖11所示，可以看出渦輪葉片應(yīng)力從葉根到葉尖呈遞減趨勢(shì)，銑削加工凹槽部分對(duì)渦輪盤表面應(yīng)力分布有明顯的改變，凹槽部分存在明顯的局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為764.07 MPa，位于不同直徑凹槽的連接過渡部位。

圖9 變形分布云圖(銑削法)

圖10 Von-Mises應(yīng)力分布云圖(銑削法) 圖11 銑削凹槽部分的局部應(yīng)力云圖

2.2 增材法設(shè)計(jì)方案的仿真計(jì)算

增材法仿真計(jì)算的有限元模型建立及約束施加方法與銑削法相同。

仿真計(jì)算結(jié)果分析：渦輪盤及其表面增材制造凹槽的整體結(jié)構(gòu)變形分布如圖12所示，可以看出整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大變形為0.34 mm，位于葉片的尖端。增材法整個(gè)結(jié)構(gòu)的Von-Mises應(yīng)力分布如圖13所示，最大應(yīng)力為580.85 MPa，位于渦輪盤與工裝接觸面，如圖14所示，渦輪葉片應(yīng)力從葉根到葉尖呈遞減趨勢(shì)。增材部分局部的Von-Mises應(yīng)力分布如圖15所示，可以看出增材的凹槽部分與渦輪盤過渡處應(yīng)力較大，局部最大應(yīng)力大約為454 MPa。

圖12 變形分布云圖(增材法)

圖13 Von-Mises應(yīng)力分布云圖(增材法)

圖14 最大應(yīng)力位置 圖15 增材部分局部應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 語

對(duì)比分析可以看出，銑削法和增材法方案設(shè)計(jì)凹槽的渦輪盤整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形分布規(guī)律相似，變形從旋轉(zhuǎn)軸心向外逐漸增大，最大變形位于葉片的尖端。銑削法和增材法構(gòu)造凹槽都改變了渦輪盤表面原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，渦輪盤銑削法加工會(huì)造成凹槽部分的應(yīng)力集中，尤其在不同直徑刻槽的連接部位應(yīng)力集中更加顯著，增材法加工部分附近的應(yīng)力分布相對(duì)比較均勻。銑削法最大應(yīng)力為764.07 MPa，增材法最大應(yīng)力為580.85 MPa，兩種方法得到的最大應(yīng)力都小于K4169材料的屈服強(qiáng)度935 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)銑削加工工藝相比，增材法對(duì)于局部應(yīng)力集中具有明顯的改善，為空心冷卻薄壁結(jié)構(gòu)渦輪盤的熱電偶改裝提供了一種新的思路。