先進渦輪盤結構強度對比分析

欒永先

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

先進渦輪盤結構強度對比分析

欒永先

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為減小航空發動機渦輪盤應力，減輕質量，提高發動機推重比，介紹了3種先進渦輪盤，即纖維增強渦輪盤、雙輻板渦輪盤和整體渦輪葉盤的結構特點和工藝難點，提出其未來的研制設想；應用有限元分析軟件對傳統渦輪盤與3種先進渦輪盤進行了強度對比分析和質量計算。結果表明：3種先進渦輪盤在強度和質量方面較傳統渦輪盤具有優勢，突破相應的關鍵技術后，可應用于未來高推重比發動機中。

渦輪盤；纖維增強；雙輻板；整體葉盤；結構強度；航空發動機

0 引言

隨著現代航空發動機推重比的不斷增大，渦輪盤工作溫度和轉速也隨之提高，迫使渦輪盤設計朝著高強度、低質量的方向發展。目前在役發動機的渦輪盤結構很難滿足未來大推重比發動機的設計需求，國外對纖維增強渦輪盤、雙輻板渦輪盤、整體葉盤等先進結構都開展了相關研究和試驗。美國PW公司在IHPTET計劃ATEGG分計劃第III階段的XTC67/1驗證機上，對雙輻板渦輪盤進行了試驗驗證，較傳統渦輪盤質量減輕了17%，轉速提高了9%；AADC公司在IHPTET研究計劃下，采用擴散焊連接技術將Lamilloy單晶葉片連接到粉末合金盤上，開發了變循環發動機核心機XTC16/1A的雙合金整體渦輪，質量減輕了25%～30%。

本文對常規渦輪盤、纖維增強渦輪盤、雙輻板渦輪盤和整體葉盤的加工方法和難度，及在相同輪盤內、外徑和載荷條件下的強度水平進行了對比分析和評估，希望為中國航空發動機渦輪盤研制提供參考。

1 常規渦輪盤分析

目前在役的常規渦輪盤結構大致由輪緣、輻板、輪轂和安裝邊4部分組成，以榫齒連接的形式傳遞葉片離心力等載荷，渦輪盤前后加擋板，防止葉片軸向竄動，具體結構形式如圖1所示。

圖1 常規渦輪盤結構

利用有限元軟件ANSYS對渦輪盤進行初步強度分析，計算中考慮了葉片離心力和盤自身離心力的作用，施加了沿輪盤徑向分布變化的溫度場，采用材料非線性計算方法，考慮了材料性能隨溫度的變化。常規渦輪盤的徑向應力和周向應力分布分別如圖2～3所示，關鍵部位的應力值和常規渦輪盤質量見表1。

圖2 常規渦輪盤徑向應力分布

圖3 常規渦輪盤周向應力分布

表1 常規渦輪盤計算結果

2 纖維增強渦輪盤分析

纖維增強渦輪盤是在常規渦輪盤基體內部植入SiC纖維圓環，利用高強度SiC纖維圓環來減小渦輪盤強度薄弱部位的應力水平。SiC纖維密度僅為渦輪盤基體材料的40%，而抗拉強度是基體材料的2倍，將其植入盤心部位可以有效降低盤心周向應力。結合常規渦輪盤特點，可以設計出如圖4所示的纖維增強渦輪盤。

圖4 纖維增強渦輪盤

在纖維增強渦輪盤上施加與上述相同的邊界條件和載荷，可以得到纖維增強渦輪盤的徑向應力和周向應力分布，分別如圖5、6所示，關鍵部位的應力值和纖維增強渦輪盤質量見表2。

圖5 纖維增強渦輪盤徑向應力分布

圖6 纖維增強渦輪盤周向應力分布

表2 纖維增強渦輪盤計算結果

在纖維增強渦輪盤制造過程中，首先是將SiC纖維纏繞成圓環狀，然后埋入渦輪盤基體金屬粉末中，采用熱等靜壓技術將纖維圓環和盤固定在一起，最后進行機械加工，以滿足渦輪盤外形設計要求。在制造過程中需突破以下關鍵技術：

（1）固定纖維絲端頭，不能在制造和使用過程中松開；

（2）保證纖維環圓度，纖維環出現橢圓會影響渦輪盤基體的應力分布；

（3）保證纖維環與渦輪盤的同心度，不同心會影響纖維環對渦輪盤的加強效果；

（4）纖維環與基體的結合度以及纖維環位置的檢測。

3 雙輻板渦輪盤分析

雙輻板渦輪盤是由2個對稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結構，具有減輕質量和提高AN2值等優點。在內孔進氣冷卻葉片方案中，可以將冷氣從盤體內部引到盤緣對葉片進行冷卻，葉片采用前、后無螺栓擋板形式固定，具體結構如圖7所示。

圖7 雙輻板渦輪結構

在雙輻板渦輪盤上施加與常規渦渦輪盤相同的邊界條件和載荷，2個對稱半盤在盤心冷氣入口部位采用軸向位移耦合約束，通過計算可以得到雙輻板渦輪盤的徑向應力和周向應力分布，分別如圖8、9所示，關鍵部位的應力值和雙輻板渦輪盤的質量見表3。

圖8 雙輻板渦輪盤徑向應力分布

圖9 雙輻板渦輪盤周向應力分布

表3 雙輻板渦輪盤計算結果

在雙輻板渦輪盤制造過程中，首先加工好2個對稱半盤結構，通過機械加工手段加工出冷氣內型孔，然后通過擴散焊或線性摩擦焊方式將2個半盤連接在一起，最后進行機械加工外部尺寸來滿足設計要求。在制造過程中需突破以下關鍵技術：

（1）2個半盤要有足夠的連接強度，不能在使用過程中分開；

（2）保證2個半盤的同心度，有利于盤體應力的合理分布；

（3）有效去除2個半盤連接后內型孔斷面所產生的飛邊。

4 整體葉盤分析

整體葉盤結構是將葉片直接焊接在渦輪盤上，盤和葉片可以采用不同性能的材料。渦輪葉片選擇單晶材料，以滿足持久蠕變性能高的要求；渦輪盤選擇具有高屈服強度和低循環疲勞性能的粉末高溫合金，從而實現了渦輪盤與葉片的最佳組合。整體葉盤結構省去了榫頭連接形式，減輕了葉片質量，減小了輪緣載荷，非常有效地減輕了渦輪盤的質量。自行設計的1種整體渦輪葉盤結構如圖10所示。

圖10 自行設計的整體葉盤結構（葉片未示出）

在輪緣上施加葉片離心拉力，在渦輪盤上施加與常規渦輪盤相同的邊界條件和載荷，通過計算得到整體葉盤的徑向應力和周向應力分布分別如圖11、12所示，關鍵部位的應力值和整體渦輪盤質量見表4。

在整體渦輪盤制造過程中，首先分別加工好渦輪盤和葉片，然后通過擴散焊或電子束焊等先進焊接技術將葉片和盤連接在一起，最后進行機械加工來滿足設計要求。在設計和制造過程中需突破以下關鍵技術：

（1）葉片和盤的焊接，既要滿足焊接部位的強度要求，又要保證葉片材料在焊接過程中不發生重熔現象影響壽命；

圖11 整體葉盤徑向應力分布

圖12 整體葉盤周向應力分布

（2）整體葉盤在使用過程中的維修性；

（3）葉片的振動控制；

（4）葉片冷氣流路的設計。

5 結論

（1）傳統渦輪盤結構的應力和質量都很大，但其制造、設計難度較小，技術較成熟，適合在役發動機使用，但在提高發動機推重比方面的潛力略顯不足。

（2）雙輻板渦輪盤結構可以優化發動機結構，降低工作溫度，改善應力分布狀態，在應力水平與傳統渦輪盤相當的情況下，可以減輕渦輪盤質量，有利于提高發動機推重比。

（3）纖維增強渦輪盤結構的應力分布與傳統渦輪盤結構的相似，但纖維環對盤心起到了加強作用，有效地降低了盤心的周向應力，進而減輕了渦輪盤的質量，有利于提高發動機推重比。

（4）整體葉盤結構的應力水平低，質量輕，但其制造、設計難度很大，涵蓋了渦輪盤設計、冷卻葉片設計和焊接技術等多方面，在提高發動機推重比方面潛力巨大。

（5）雙輻板渦輪盤和纖維增強渦輪盤的結構設計、加工技術難度跨度相對較小，適合作為在研高推重比發動機的首選方案；整體葉盤結構設計、加工技術難度相對較大，適合作為未來更高推重比發動機的首選方案。

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A Comparative Contract Analysis on Structural Strength of Advanced Turbine Disk

LUAN Yong-xian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The fiber-reinforced,dual-web and blisk turbine disk were introduced to reduce the stressand weightand increase the thrust-weight ratio of aeroengine.The future developmentof these advanced turbine structure was proposed.The strength contractanalysisand weightcalculation between the traditional turbine disk and three kindsofadvanced turbine disk were conducted by the finite elementanalysis software.The results show that the three kinds of advanced turbine disk structures have superiority in aspectof strength and weight comparing to the traditional turbine disk,and all these advanced turbine disk structures can be used in the future aeroenginewith high thrust-weight ratio after all the comparable critical technologiesare obtained.

turbine disk;fiber-reinforced;dual-web;blisk;structural strength;aeroengine

2012-08-28

欒永先（1982），男，碩士，工程師，從事航空發動機渦輪結構設計工作。