某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)影響性分析研究

鄭四德 葉航 苗國(guó)磊

摘要：針對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)至127%故障，采用強(qiáng)度仿真分析、無損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比分析、葉片微觀組織檢測(cè)等手段方法，對(duì)超轉(zhuǎn)后的動(dòng)力渦輪盤及渦輪葉片進(jìn)行了超轉(zhuǎn)影響性分析。分析結(jié)果表明，該型發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪葉片、輪盤的強(qiáng)度裕度較大，同時(shí)故檢與尺寸檢查未發(fā)現(xiàn)異常，表明超轉(zhuǎn)至127%對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪盤及轉(zhuǎn)子葉片無明顯影響。本文的分析思路及分析結(jié)果可為同類故障的影響性分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力渦輪；超轉(zhuǎn)；強(qiáng)度分析；無損檢測(cè)

Keywords：power turbine；overturning；strength analysis；non-destructive testing

1 故障情況

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪用于提取動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)主減速器帶動(dòng)螺旋槳。動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子不受壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的直接影響，能獨(dú)立地按照給定的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn) [1] 。動(dòng)力渦輪由于與燃?xì)鉁u輪沒有機(jī)械連接，只有氣動(dòng)上的聯(lián)系，控制系統(tǒng)通過控制噴油量使得動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載需要下降時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)降低噴油量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，否則動(dòng)力渦輪會(huì)發(fā)生超轉(zhuǎn)。

按照國(guó)軍標(biāo)GJB 242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》規(guī)定，動(dòng)力渦輪軸不能超過115%的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速限制，輪盤的設(shè)計(jì)破裂轉(zhuǎn)速不低于穩(wěn)態(tài)最高轉(zhuǎn)速的122%。某臺(tái)引進(jìn)型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的減速階段負(fù)載下降時(shí)沒有及時(shí)減小供油，同時(shí)超轉(zhuǎn)保護(hù)未啟動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪超出最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速（111%工作轉(zhuǎn)速）限制，瞬間工作至127%，整個(gè)超轉(zhuǎn)過程歷時(shí)約1.5s，其間燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪后溫度、振動(dòng)值均超過允許值，輸出軸幾乎處于空載狀態(tài)。

目前國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)后葉片及盤的影響性評(píng)估的文獻(xiàn)。本文針對(duì)上述超轉(zhuǎn)故障開展了不同轉(zhuǎn)速下的盤及葉片的有限元分析，計(jì)算了靜強(qiáng)度儲(chǔ)備及盤的破裂轉(zhuǎn)速，綜合榫頭榫槽等結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量、無損檢測(cè)及葉片微觀組織分析，對(duì)超轉(zhuǎn)后的動(dòng)力渦輪葉片及轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了分析評(píng)估。

2 強(qiáng)度分析

由于輸出軸近乎處于空載狀態(tài)，受扭矩影響大，可初步排除受離心力影響較小的零件（如傳動(dòng)軸、靜子件等）故障的可能。與動(dòng)力渦輪軸相連的減速器齒輪強(qiáng)度分析結(jié)果表明，齒輪在超轉(zhuǎn)狀態(tài)下的最大應(yīng)力仍具有較大的強(qiáng)度裕度，因此重點(diǎn)對(duì)動(dòng)力渦輪盤和葉片的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備、超轉(zhuǎn)狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)以及盤的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 渦輪盤及轉(zhuǎn)子葉片靜強(qiáng)度儲(chǔ)備分析

按照發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 [2]要求，采用有限元數(shù)值仿真方法，對(duì)渦輪盤的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備進(jìn)行評(píng)估。動(dòng)力渦輪共有兩級(jí)，在考慮溫度影響的條件下，二級(jí)渦輪盤和葉片相對(duì)于一級(jí)輪盤和葉片的應(yīng)力水平更高，因此，以二級(jí)輪盤和葉片的計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行說明。計(jì)算結(jié)果如表1所示，從中可以看出，渦輪盤的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)高于盤類件靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中要求的儲(chǔ)備系數(shù)。

采用有限元數(shù)值仿真方法，對(duì)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行仿真分析。結(jié)果顯示最大應(yīng)力在葉片根部，其他部位的應(yīng)力相對(duì)較?。ǔ~冠和榫頭接觸區(qū)），因此重點(diǎn)考察葉片根部的強(qiáng)度儲(chǔ)備。表2給出了葉片的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，從中可以看出，葉片具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，高于渦輪葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求 [2] 。

2.2 不同轉(zhuǎn)速下渦輪盤及葉片的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析

分別計(jì)算動(dòng)力渦輪盤在100%（工作轉(zhuǎn)速）、111%（最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速）、122%（破裂試驗(yàn)轉(zhuǎn)速）及127%（本次超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速）等4個(gè)轉(zhuǎn)速、2種溫度場(chǎng)共8種狀態(tài)下的彈性應(yīng)力應(yīng)變。應(yīng)力分布如圖1所示，各種狀態(tài)下的匯總情況如表3所示。

從表3可以看出：1）均溫條件下，在127%轉(zhuǎn)速下，動(dòng)力渦輪盤在盤心部位已經(jīng)局部進(jìn)入塑性；2）在假定的溫度梯度條件下，在127%轉(zhuǎn)速下，盤心局部位置的應(yīng)力值超屈服值相對(duì)較多。

對(duì)動(dòng)力渦輪盤進(jìn)一步作彈塑性應(yīng)力應(yīng)變求解，應(yīng)變分布如圖2所示，最大塑性應(yīng)變值如表4所示。

從以上分析結(jié)果可以看出，動(dòng)力渦輪盤彈塑性解的盤心最大等效應(yīng)力為951MPa，低于材料在500℃下的屈服強(qiáng)度1007MPa，具有1.059的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。動(dòng)力渦輪盤的最大塑性應(yīng)變位于盤心，最大塑性應(yīng)變數(shù)值為0.86‰，對(duì)一般渦輪盤的設(shè)計(jì)而言，該應(yīng)變值屬于較小的應(yīng)變值。

采用有限元數(shù)值仿真方法，對(duì)II級(jí)動(dòng)力渦輪葉片分別計(jì)算在100%、111%、122%及127%等4個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的彈性應(yīng)力應(yīng)變分析，各種狀態(tài)下的匯總情況如表5所示。

從表5可以看出：在127%轉(zhuǎn)速下，動(dòng)力渦輪葉片最大等效應(yīng)力（葉根）超過了屈服應(yīng)力，葉根已經(jīng)局部進(jìn)入塑性。對(duì)動(dòng)力渦輪葉片進(jìn)一步作彈塑性應(yīng)力應(yīng)變求解，應(yīng)變分布如圖3所示，最大塑性應(yīng)變值如表6所示。

從以上分析結(jié)果可以看出，動(dòng)力渦輪葉片的最大塑性應(yīng)變位于葉根上部（約20%葉高），最大塑性應(yīng)變數(shù)值為1.28‰。127%轉(zhuǎn)速下應(yīng)力最大截面平均應(yīng)力624MPa，低于葉片材料的持久極限。

2.3 渦輪盤破裂轉(zhuǎn)速計(jì)算分析

按照輪盤周向和徑向破裂轉(zhuǎn)速方法 [4] ，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)渦輪盤不同溫度分布下的周向及徑向破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如表7所示。從中可以看出，兩型盤的破裂轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 故檢結(jié)果

3.1 目視檢查

對(duì)分解下來的動(dòng)力渦輪盤、渦輪葉片及蜂窩件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力渦輪II級(jí)蜂窩在圓周360°均有深度不一的新的磨痕。通過測(cè)量冷態(tài)下轉(zhuǎn)子葉片與蜂窩之間的間隙值，發(fā)現(xiàn)冷態(tài)間隙滿足大修手冊(cè)要求，經(jīng)裝配狀態(tài)下的葉尖間隙確定，該磨痕為超轉(zhuǎn)時(shí)渦輪葉片彈性變形而使葉片彈性伸長(zhǎng)所致。其他結(jié)構(gòu)的目視檢查無異常。

3.2 無損檢測(cè)

對(duì)超轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪盤、所有葉片進(jìn)行熒光探傷檢查。除了正常的按工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測(cè)外，還對(duì)盤件榫槽、葉片榫頭等部位進(jìn)行了重點(diǎn)檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 尺寸測(cè)量

分別采用高精度三坐標(biāo)儀對(duì)超轉(zhuǎn)和未超轉(zhuǎn)的其他臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪盤、榫槽、中心孔和葉片榫頭進(jìn)行輪廓掃描測(cè)量，獲得了輪廓坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)。將超轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)尺寸與未發(fā)生超轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)尺寸逐項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，超轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪盤榫槽、中心孔直徑及圓周度、葉片榫頭輪廓與未超轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)尺寸相比均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 微觀組織觀察

為進(jìn)一步確定超轉(zhuǎn)對(duì)動(dòng)力渦輪葉片蠕變性能的影響，對(duì)葉片進(jìn)行了微觀組織分析。結(jié)果表明，葉片各截面的顯微組織特征基本一致，進(jìn)排氣邊組織有變圓、相互連接現(xiàn)象，心部組織與榫頭部位組織相近，葉片組織中的強(qiáng)化相未出現(xiàn)明顯的筏化和回溶，分布規(guī)律與未超轉(zhuǎn)正常服役葉片一致。葉身高應(yīng)力區(qū)微觀組織如圖4所示。

4 結(jié)論

強(qiáng)度分析結(jié)果表明，葉片和輪盤的強(qiáng)度儲(chǔ)備相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值較高。在127%轉(zhuǎn)速下，輪盤應(yīng)力主要受離心力的影響，溫度造成的熱應(yīng)力占比較小。在假設(shè)溫差下，輪盤盤心的最大應(yīng)力為951MPa，低于材料（500℃）的屈服極限1007MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.86‰。葉片最大截面平均應(yīng)力為624MPa，低于材料持久強(qiáng)度，局部最大塑性應(yīng)變?yōu)?.28‰。輪盤的破裂轉(zhuǎn)速超過160%。

超轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)故檢結(jié)果中，除發(fā)現(xiàn)蜂窩上沿圓周整圈的磨痕外未發(fā)現(xiàn)其他異常，經(jīng)測(cè)量渦輪盤與機(jī)匣之間的間隙，確定該磨痕為葉盤結(jié)構(gòu)彈性變形所致。動(dòng)力渦輪盤榫槽、中心孔直徑及圓周度、葉片榫頭輪廓與未超轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)尺寸相比均未發(fā)現(xiàn)異常。葉片微觀組織觀察結(jié)果與其他臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)葉片橫向?qū)Ρ任窗l(fā)現(xiàn)異常。

綜合強(qiáng)度分析、尺寸檢查、故檢及微觀組織觀察結(jié)果以及輪盤榫槽、中心孔和葉片榫頭輪廓偏差對(duì)比結(jié)果，認(rèn)為動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)對(duì)該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪葉片、渦輪盤結(jié)構(gòu)無明顯影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) [M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2] 尹澤勇等. 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 [Z]. 成都：中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，2018.

[3] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè) [M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[4] 吳長(zhǎng)波，卿華，馮引利等. 某高壓渦輪整體葉盤破裂轉(zhuǎn)速計(jì)算方法及試驗(yàn)驗(yàn)證 [J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究. 2006，19（3）：33-36.

作者簡(jiǎn)介

鄭四德，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)維修設(shè)計(jì)與管理。