低慣量渦輪轉子結構設計與優化

張乘齊，黃文周，劉學偉，潘容，周江鋒，楊軍剛

低慣量渦輪轉子結構設計與優化

張乘齊1，黃文周1，劉學偉2，潘容1，周江鋒1，楊軍剛3

(1.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500；2.空軍航空大學航空理論系，吉林長春130022；3.西北工業大學中法并行工程聯合實驗室，陜西西安710072)

論述了低慣量渦輪轉子結構設計的特點和要求。在發動機載荷條件下，開展了帶雙輻板渦輪盤的低慣量渦輪轉子結構設計研究。特別是針對雙輻板渦輪盤結構及其連接結構的設計特點，進行了經驗設計、結構拓撲優化和形狀優化。對優化得到的兩種雙輻板渦輪盤結構形式進行了對比分析，并對焊接的雙輻板渦輪盤結構的制造工藝進行了簡要分析。結果表明，低慣量渦輪轉子采用雙輻板渦輪盤結構可行，能有效減輕渦輪盤質量，降低轉子熱慣性和機械慣性。

航空發動機；低慣量渦輪轉子；雙輻板渦輪盤；結構設計；拓撲優化；形狀優化

1 引言

渦輪轉子作為典型的高溫熱端部件，因其高溫、高壓、高轉速的工作特點，及結構設計、材料和工藝的高難度，一直被航空發達國家列為重點研究項目。其設計難題在于，提供能承受超過現有水平AN2值的最小質量的渦輪轉子系統。

渦輪轉子的質量主要集中在渦輪盤上，傳統形式渦輪盤輪轂由于熱匯聚，會導致轉子熱慣量大。隨著優化技術的不斷發展，常規渦輪轉子的設計技術已趨于成熟[1]，常規單輻板渦輪盤結構已無太多減重潛力可挖，迫切需要開展新結構、新工藝研究。

美國在IHPTET計劃[2]中對雙輻板渦輪盤進行了研究，證實采用焊接的雙輻板結構可使渦輪盤質量減輕17%，同時使轉子轉速提高9%，且大大提高渦輪盤壽命。文獻[3]以專利的形式給出了一種雙輻板渦輪盤結構(圖1)，該雙輻板渦輪盤由左右兩個半盤構成，通過盤緣焊接在一起。文獻[4]采用有限元對該種結構進行分析，找出了盤上的關鍵應力點，即位于盤緣的焊縫位置。

圖1 國外雙輻板渦輪盤結構Fig.1 The external structure of twin web disk

航空發動機低慣量渦輪轉子作為一種新型結構，國內僅有少量研究且只處于原理探索階段[5，6]，可檢索的報告主要是雙輻板渦輪盤結構優化和強度計算方面的內容，關于帶雙輻板渦輪盤的渦輪轉子結構設計和工藝分析比較少見。因此，開展帶雙輻板渦輪盤的低慣量渦輪轉子結構優化設計很有必要。

2 轉子結構設計

要降低渦輪轉子慣量，首先要減輕轉子質量，其次要實現高效冷卻。渦輪轉子的質量主要集中在渦輪盤上，而傳統形式渦輪盤的熱慣量和機械慣性均較大。因此，本文以雙輻板渦輪盤為設計重點，選取某型發動機為平臺，利用已有技術基礎和發動機現有結構空間，在不改變原有空氣系統和氣動方案的前提下，開展帶雙輻板渦輪盤結構的低慣量渦輪轉子研究。限定約束條件包括：盤和葉片的冷卻、盤片連接方案、渦輪盤前后密封結構設計等。設計的低慣量渦輪轉子的結構初步方案如圖2所示。

盤與工作葉片采用盤片分離的連接結構形式，渦輪盤盤緣前端設計有擋片，后端安裝擋板，通過擋片和擋板對渦輪葉片進行軸向定位和封嚴。從高壓壓氣機轉、靜子級間引氣，通過引氣管將冷卻氣引入高壓渦輪前安裝邊鼓筒內。冷卻氣從盤心兩個輻板間的進氣通道進入兩個半盤間的空腔，再通過盤緣的徑向通氣孔進入高壓渦輪葉片內部，實現對高壓渦輪葉片的冷卻。從雙輻板渦輪盤內部空腔引氣對高壓渦輪工作葉片進行冷卻，還帶來一個額外的好處，即將來渦輪盤與渦輪工作葉片一體化連接工藝成熟后，可實現一體化設計，取消前、后擋板。這樣不僅可減少零件數，而且可提高轉子可靠性，進一步降低渦輪盤載荷，同時降低制造成本。

圖2 帶低慣量渦輪轉子的結構方案Fig.2 The structure with low inertia turbine rotor

綜合考慮渦輪盤在發動機環境下的流道高度、盤心孔徑、盤緣寬度、渦輪葉片定位、雙輻板盤冷氣布置等因素，并參考IHPTET計劃，采用經驗設計方法，得到雙輻板渦輪盤初步結構方案，如圖3所示。

圖3 雙輻板渦輪盤初步方案Fig.3 The initial scheme of twin web disk structure

設定盤緣溫度550℃，盤心溫度430℃，盤體材料選用In718，轉速13 300 r/min。通過二次插值得到雙輻板渦輪盤的溫度場，如圖4所示。葉片和榫槽凸塊產生的離心力通過離心力計算公式得到，并轉化為盤緣的均布壓力。對雙輻板渦輪盤方案進行強度評估，盤體的等效應力分布如圖5所示?？梢?，最大應力發生在雙輻板渦輪盤內腔左、右輻板連接位置，遠遠超出材料的強度極限。后經多輪結構調整，該問題仍然存在，且盤體應力分布無規律可循。故此種結構形式不可行，需開展拓撲優化設計。

圖4 雙輻板渦輪盤溫度場Fig.4 The temperature field of twin web disk

圖5 設計方案等效應力分布Fig.5 The distribution of SEQV of the design scheme

3 雙輻板盤結構優化

3.1模型簡化

渦輪盤工作狀態下承受的力有：葉片和榫頭的離心力，自身因較高轉速旋轉產生的離心力，盤前后壓差，飛機機動飛行時產生的陀螺力矩，渦輪盤擋板與盤裝配處由于接觸擠壓產生的壓力，以及渦輪盤上由于熱分布不均而產生的熱應力等。

對渦輪盤進行優化時，需要對模型進行簡化，忽略影響較小的渦輪盤前后壓差及前后擋板對盤產生的接觸力，只考慮盤自身的離心力及熱應力，葉片和榫頭產生的拉力等影響。

葉片位于輪盤外緣，通常優化設計的渦輪盤外緣取在榫槽槽底。假設葉片載荷均勻分布于輪盤外緣表面，則其計算公式應為：

式中：F為葉片和榫頭凸塊產生的離心力，R為榫槽槽底半徑，H為輪盤外緣軸向寬度。F的計算式為：

式中：r1、m1分別為單個榫頭凸塊的質心半徑和質量，r2、m2分別為單個葉片的質心半徑和質量，ω為渦輪盤旋轉角速度，n為葉片數。

3.2結構優化

先通過拓撲優化得到雙輻板渦輪盤基礎輪廓，再通過形狀優化對雙輻板渦輪盤形狀進行設計。

(1)拓撲優化

通常情況下，盤緣軸向寬度在一定的發動機條件下固定，盤心孔直徑不能小于裝配要求的最小孔徑，輪轂軸向寬度可根據渦輪盤前后靜子件的安裝形式有一定范圍的調整。雙輻板渦輪盤的拓撲優化，簡化了安裝邊和盤體細節結構，主要以優化輻板輪廓和雙輻板渦輪盤內腔為重點。

在簡化模型基礎上，結合圖2中雙輻板渦輪盤的設計空間，開展渦輪盤拓撲優化設計。其初始設計域見圖6，優化需要的主要載荷參數及約束條件如表1所示，優化目標為盤體體積最小。

圖6 雙輻板渦輪盤優化設計初始設計域Fig.6 The initial design area of twin web disk

表1 優化需要的設計參數Table 1 The parameters used for optimization design

優化得到的雙輻板渦輪盤如圖7所示?？梢?，拓撲優化的結果顯然不具有工藝性，也不可能達到低循環壽命要求，仍需進一步優化。不過，拓撲優化所得雙輻板渦輪盤基本形狀與圖1所示的國外專利有共同之處，即優化得到的雙輻板渦輪盤由左右兩個輻板構成，驗證了雙輻板渦輪盤傳力路徑的合理可靠，并再次驗證了使用雙輻板渦輪盤結構進行結構減重的可行性。

圖7 拓撲優化結果Fig.7 The result of topological optimization

(2)形狀優化

結合拓撲優化結果，開展盤心開槽和盤體內部開孔兩種結構形式的形狀優化設計。同樣采用表1中參數作為設計邊界和約束，以比同等載荷條件下單輻板渦輪盤減重10%為目標，考慮避開焊接結構和左右半盤對焊結構兩種減重方式，得到兩種雙輻板渦輪盤結構及其等效應力分布(圖8)。

圖8 形狀優化的雙輻板渦輪盤結構及其應力分布Fig.8 The structure result and distribution of SEQV of optimized twin-web disk

對比兩種方案，方案1有效避免了焊縫的存在，可直接通過機械加工的方式制造，但輪轂位置由于需要開環槽，輪轂會設計得較寬，且盤心環槽的加工會受盤心孔尺寸的限制。此方案的結構與國外驗證過的專利[7]的類似。進一步分析發現，方案1在輻板與輪轂連接位置的應力梯度偏大，渦輪盤輻板顯得過于單薄，盤緣徑向變形大，要開展工程應用，還需對輻板位置的強度進行進一步優化。

與方案1相比，方案2在輻板位置的應力更加均勻，輻板與輪轂部位有多處環腔，其厚度過渡也更為均勻。從盤內部孔的加工性考慮，必須采用焊接結構，即先加工左右半盤再通過焊接連接在一起。

方案1較傳統渦輪盤結構形式具有一定的減重效果，但輪轂部分較傳統單輻板渦輪盤并無太大改變，熱慣量和機械慣量仍較大。因此，優選方案2為雙輻板渦輪盤的結構方案。由于左右半盤各有5個焊接面，因此需開展雙輻板渦輪盤焊接工藝研究。

4 制造工藝分析

本文得到的雙輻板渦輪盤結構方案，與國外專利中提及的雙輻板渦輪盤都分為左右兩個半盤，需通過焊接連接在一起。由于焊接面的存在，雙輻板渦輪盤在試驗或工作過程中，可能會因焊縫力學性能不足導致輪盤在焊縫位置開裂，因此要選擇合理的焊接方法，優化焊接工藝，保證焊接后母材和焊接接頭的力學性能良好，確保雙輻板渦輪盤安全可靠工作。從工藝難度角度分析，為保證焊縫質量，在雙輻板渦輪盤焊接過程中，需保證焊接表面貼合良好，且不能有明顯的錯位和臺階等特征存在。這對焊接面的表面粗糙度和平面度加工提出了很高的要求，加工難度大。另外，由于焊接后雙輻板渦輪盤左右半盤之間的空腔無法再進行機械加工，因此需合理安排雙輻板渦輪盤制造流程，焊接工序與機械加工工序需交叉進行，在焊接前完成內腔的加工。

5 結束語

低慣量渦輪轉子技術是高推重比發動機研制的一個關鍵技術。本文的研究表明，低慣量渦輪轉子結構渦輪盤采用雙輻板渦輪盤的結構形式合理可行，能有效實現減重，但其工程應用還需建立在焊接工藝成熟的基礎之上。建議繼續開展雙輻板渦輪盤的工程化應用研究，及雙輻板渦輪盤焊接工藝關鍵技術和制造工藝技術攻關。

致謝：感謝西北工業大學機電學院張衛紅教授及其學術團隊對本文的技術支持。

[1]張乘齊，何愛杰，張衛紅，等.基于BOSS平臺的熱力耦合場渦輪盤優化[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21(2)：53—56.

[2]US Department of Defence.Intergrated High Performance Turbine Engine Technology(IHPTET)[R].Gas Turbine Forecast，Archived，2006.

[3]Cario R R.Twin-Web Rotor Disk：US，005961287A[P]. 1999.

[4]Cario R R，Sargent K A.Twin Web Disk：A Step beyond Convention[J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power，2002，124(2)：298—302.

[5]王如根，高坤華.航空發動機新技術[M].北京：航空工業出版社，2003.

[6]陳光.航空發動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[7]Harding B R，Curtiss D H.Contoured Disk Bore：US，7241111B2[P].2007-07-10.

Design and Optimization of Low Inertia Turbine Rotor Structure

ZHANG Cheng-qi1，HUANG Wen-zhou1，LIU Xue-wei2，PAN Rong1，ZHOU Jiang-feng1，YANG Jun-gang3
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Department of Aviation Theory，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China；3.Sino-French Laboratory of Concurrent Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

The design features and requirements of low inertia turbine rotor structure were presented.The research about low inertia turbine rotor was done on an engine platform;especially for the design features of the twin-web disks and the connection structures,the empirical design,the topological optimization design and shape optimization investigation were developed.Comparative analysis about the two kinds of twin-web disk structure after optimization has been made.The welding and manufacture methods of twin-web disks were also studied.The results show that low inertia turbine rotor using twin-web disk structure is feasible, the twin-web disk structure can not only effectively reduce the weight of the rotor,but also the heat inertia and mechanical inertia.

aero-engine；low inertia turbine rotor；twin-web disk；structure analysis；topological optimization；shape optimization

V232

A

1672-2620(2013)04-0033-04

2013-02-27；修改日期：2013-07-22

張乘齊(1983-)，男，四川南溪人，碩士，工程師，從事燃氣渦輪發動機渦輪部件設計工作。