航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金渦輪整體葉盤結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)選取

于 晶，張 琴，歐陽(yáng)志高

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲412002）

雙合金整體葉盤是將葉片與葉盤通過特殊工藝制成的一個(gè)整體，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓的渦輪部件中應(yīng)用較少。它與常規(guī)采用榫頭榫槽連接的葉盤相比有轉(zhuǎn)子重量輕，氣體逸漏少，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)[1]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，渦輪盤中心部位與邊緣部位的受力和環(huán)境狀態(tài)不同，盤轂、盤輻部位因在較低的溫度下承受大的拉應(yīng)力而要求具有高強(qiáng)度、高塑性和高的低周疲勞性能，盤緣部位因工作溫度高、承受應(yīng)力小而要求具有高的高溫蠕變抗力和斷裂韌性，因此需要同時(shí)滿足輪輻和輪緣的不同力學(xué)性能。位于流道中被燃?xì)獍鼑娜~片可選擇鑄造高溫合金，以滿足高溫環(huán)境下渦輪葉片的持久、蠕變性能要求；輪盤不直接接觸燃?xì)猓乙话銜?huì)由來(lái)自壓氣機(jī)的冷氣進(jìn)行冷卻，溫度相對(duì)較低，則可選擇粉末高溫合金或鍛造合金，以滿足高屈服強(qiáng)度和良好的低循環(huán)疲勞性能要求。雙合金整體葉盤可以更大程度地發(fā)揮兩種合金各自的優(yōu)良性能，在更大的溫度梯度與應(yīng)力梯度條件下工作，很好的解決了葉盤雙性能的要求。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪應(yīng)用了整體葉盤結(jié)構(gòu)，整體葉環(huán)采用等軸晶鑄造高溫合金，盤體選用粉末高溫合金，兩者通過熱等靜壓（HIP）擴(kuò)散連接方式焊接。為便于連接界面的加工，連接界面設(shè)計(jì)為圓柱面，為利于兩個(gè)零件的相互擴(kuò)散，選擇大過盈配合。整體葉環(huán)與渦輪整體葉盤的結(jié)構(gòu)如圖1、2 所示。

圖1 整體葉環(huán)圖

圖2 渦輪整體葉盤

在連接處開了細(xì)槽，并相應(yīng)設(shè)置止裂孔，為避免大量的冷氣損失，在止裂孔兩頭用雙頭止裂進(jìn)行封嚴(yán)。結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本文主要研究止裂孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙合金渦輪盤強(qiáng)度的影響，并對(duì)其進(jìn)行分析討論。

圖3 渦輪盤轉(zhuǎn)子組件

1 止裂孔的作用

（1）止裂作用：為補(bǔ)償兩種材料線膨脹系數(shù)的差異，避免在高溫下兩者接頭處產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，在連接處開了細(xì)槽，為防止細(xì)槽沿盤體在工作時(shí)產(chǎn)生開裂，設(shè)置止裂孔就起到了止裂作用。

（2）減振作用。由于雙合金葉盤的葉片和盤是一個(gè)整體，渦輪葉片沒有榫頭和緣板，無(wú)法像常規(guī)盤片分離結(jié)構(gòu)那樣設(shè)計(jì)阻尼片，如果渦輪葉片振動(dòng)阻尼很小，容易產(chǎn)生裂紋，因此在相鄰葉片根部的輪緣上沿徑向切縫，安裝雙頭止裂，由于離心載荷的作用，雙頭止裂與輪緣相互摩擦產(chǎn)生阻尼，從而消耗振動(dòng)能量。

（3）防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤破裂將會(huì)造成很嚴(yán)重的事故，在設(shè)計(jì)渦輪盤時(shí)必須考慮如何避免此現(xiàn)象發(fā)生。雙合金整體葉盤增加止裂孔后，輪盤被削弱，從表1 中可以看出輪盤當(dāng)量應(yīng)力有所提高，但開孔后輪盤的圓柱破裂轉(zhuǎn)速低于子午破裂轉(zhuǎn)速，可以保證葉片先于輪盤破裂，防止輪盤破裂飛轉(zhuǎn)造成危險(xiǎn)。

表1 破裂轉(zhuǎn)速對(duì)

2 止裂孔的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

熱等靜壓擴(kuò)散連接界面的直徑ΦA(chǔ) 大?。▓D4）直接影響接頭處的離心載荷，直徑A 的選取一方面要求考慮區(qū)域溫度要求，還需考慮整體葉環(huán)焊接的工藝性及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。對(duì)于本論文具體的研究對(duì)象，分析認(rèn)為ΦA(chǔ) 選定為100 mm 為宜。

雙合金整體葉盤止裂孔的主要特征參數(shù)包括孔位置h 與孔徑ΦB、線切割傾角α。具體如圖5 所示。

圖4 熱等靜壓擴(kuò)散連接界面的直徑ΦA(chǔ)

圖5 止裂孔主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

3 止裂孔結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

3.1 止裂孔孔徑ΦB 的選擇

為研究止裂孔的直徑對(duì)葉片、輪盤的應(yīng)力分布和破裂轉(zhuǎn)速的影響，對(duì)RA - h = 3.3 mm（RA 代表ΦA(chǔ) 的半徑值）位置下，不同的止裂孔孔徑Φ2、Φ2.5、Φ3、Φ3.2、Φ3.5、Φ4 進(jìn)行ANSYS 有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖6～圖7。

圖6 止裂孔孔徑ΦB 對(duì)強(qiáng)度影響

圖7 應(yīng)力分布圖（開孔Φ3.2mm）

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著孔徑的增大，葉片當(dāng)量應(yīng)力呈線性增加，增大量有限，不超過0.5%；輪盤的當(dāng)量應(yīng)力與徑向應(yīng)力呈先降低后增大的趨勢(shì)，在孔徑為Φ3.2 mm 附近應(yīng)力達(dá)到最小，且此時(shí)圓柱破裂轉(zhuǎn)速低于子午破裂轉(zhuǎn)速，可以保障防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)帶來(lái)的危險(xiǎn)。綜上所述本例中渦輪盤鉚釘孔孔徑選擇Φ3.2 mm 為宜。

3.2 止裂孔位置h 的選擇

對(duì)ΦB = 3.2 mm 時(shí)，不同止裂孔位置進(jìn)行有限元計(jì)算，考慮到熱變形的作用，所以止裂孔的位置必須開在輪盤上，因此選定RA-h 分別為2.5、2.9、3.3、3.7、4.1 mm 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 不同止裂孔位置RA-h 對(duì)強(qiáng)度影響

隨著RA-h 的增大，葉片的當(dāng)量應(yīng)力基本保持不變，輪盤的當(dāng)量應(yīng)力和徑向應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)，在RA-h = 3.3 mm 時(shí)達(dá)到最小，圓柱破裂轉(zhuǎn)速和子午破裂轉(zhuǎn)速都呈下降趨勢(shì)，圓柱破裂轉(zhuǎn)速下降更明顯。本例渦輪盤止裂孔位置選擇RA-h 選擇3.3 mm 為宜。

根據(jù)上述結(jié)論，可以根據(jù)止裂孔當(dāng)量應(yīng)力值最小，圓柱破裂轉(zhuǎn)速低于子午破裂轉(zhuǎn)速來(lái)確定止裂孔直徑以及位置。

3.3 線切割角傾角α 的選擇

線切割傾角α 在滿足包住葉片葉型的前提下，也有多種選擇，為研究其對(duì)葉片和輪盤應(yīng)力的影響，對(duì)ΦB = 3.2 mm，RA-h = 3.3 mm 時(shí)不同的線切割傾角α 進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 線切割傾角α 對(duì)強(qiáng)度影響

隨著傾角的增大，葉片的當(dāng)量應(yīng)力與輪盤當(dāng)量應(yīng)力和徑向應(yīng)力均呈先下降后增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)椴煌膬A角影響了葉片的質(zhì)心位置，針對(duì)本模型的葉型特點(diǎn)，選擇傾角為14°，能保證質(zhì)心偏離Y 軸最小，此時(shí)因偏離葉片質(zhì)心所帶來(lái)的葉片彎矩最小。該結(jié)論對(duì)于該類型的葉片盤在設(shè)計(jì)線切割傾角α 時(shí)提供了參考，在保證可以包住葉片葉型的前提下，根據(jù)葉型選擇葉片質(zhì)心偏離最小的角度作為α 角為宜。

圖10 應(yīng)力分布圖（α=14°）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金整體葉盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并以止裂孔的設(shè)計(jì)參數(shù)選取為例，對(duì)不同止裂孔結(jié)構(gòu)參數(shù)下葉盤的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，選定了一組適宜的雙合金葉盤止裂孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，目前該雙合金渦輪盤已經(jīng)完成實(shí)際加工及相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)后續(xù)該類型的整體葉片盤的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。