壓氣機(jī)輪盤故障部位強(qiáng)度對比分析

摘 要：某壓氣機(jī)盤輪緣斷裂是常見故障，裂紋起始部位一般在輻板與輪緣轉(zhuǎn)接圓角處。對故障件的尺寸測量表明，該部位的尺寸存在超差現(xiàn)象，并且表面粗糙度也不滿足要求。為了查找Ⅰ級輪盤故障原因，對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了強(qiáng)度計算，并重點分析故障部位在不同尺寸下的應(yīng)力分布，給出對比計算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)；輪盤；故障

1 計算軟件

強(qiáng)度計算采用ANSYS有限元軟件，計算模型在UG軟件中建立。

2 計算條件

2.1 幾何數(shù)據(jù)

原始幾何數(shù)據(jù)均取自圖紙。

2.2 材料數(shù)據(jù)

材料密度為4480kg/m3。

不同溫度下的材料數(shù)據(jù)見表1～表3。

2.3 計算狀態(tài)

選取發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計點轉(zhuǎn)速為計算狀態(tài)。

2.4 載荷

本計算考慮了轉(zhuǎn)速、溫度載荷、葉片及輪緣凸塊引起的離心載荷，其中溫度值取120℃。離心載荷數(shù)據(jù)見表4。

3 低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度

3.1 計算模型

坐標(biāo)系定義：坐標(biāo)原點位于發(fā)動機(jī)軸線上，X軸為半徑方向，Y軸為發(fā)動機(jī)軸線方向。

根據(jù)圖紙名義尺寸建立低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子計算模型，外緣取為榫槽底部，輪盤榫槽之間的凸塊作為外載荷。在各零件螺栓連接部位采用位移協(xié)調(diào)，配合面為接觸邊界。

網(wǎng)格劃分時采用軸對稱單元，低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子有限元模型見圖1。

3.2 載荷和約束施加

離心載荷以集中力方式施加在輪盤外緣節(jié)點上；溫度按均溫處理；在Ⅲ級軸頸后端面選一節(jié)點約束其軸向位移。載荷和約束施加位置示意見圖1。

3.3 計算結(jié)果

低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力計算結(jié)果見表5。應(yīng)力分布云圖見圖2和圖3；Ⅰ級輪盤的應(yīng)力分布云圖見圖4和圖5。

4 Ⅰ級輪盤故障部位強(qiáng)度對比

4.1 方式一

保證輻板關(guān)鍵尺寸25.6±0.1mm不變（輻板厚度不變），修改一級盤輻板圓角為R4.5，如圖6所示。計算結(jié)果見表6，應(yīng)力分布云圖見圖7和圖8。

計算結(jié)果表明：隨著輻板圓角半徑的減小（即R6減小）局部應(yīng)力也隨之增加。與名義尺寸相比，當(dāng)輻板圓角半徑為R4.5時，輻板圓角局部徑向應(yīng)力增加11.85%。

4.2 方式二

輻板與輪緣轉(zhuǎn)接圓角半徑由R6為R4.5，關(guān)鍵尺寸25.6±0.1mm變大（輻板厚度變小），計算結(jié)果見表7，應(yīng)力分布云圖見圖9和圖10。

計算結(jié)果表明：隨著輻板圓角半徑的減小（即R6減小）和關(guān)鍵尺寸25.6±0.1mm變大，圓角局部應(yīng)力顯著增加。與名義尺寸相比，當(dāng)輻板圓角半徑為R4.5時，輻板圓角局部徑向應(yīng)力增加30.86%。

5 結(jié)束語

對于轉(zhuǎn)子盤輪緣斷裂的故障，裂紋起始部位一般在輻板與輪緣轉(zhuǎn)接圓角處。通過計算及對比分析可以得出如下結(jié)論：

a.輪緣輻板圓角半徑及輻板厚度的大小對該處的應(yīng)力影響很大，并且厚度的影響大于半徑的影響；b.輪緣輻板圓角半徑越小應(yīng)力越大；c.輪緣厚度變大圓角半徑減小會造成應(yīng)力增加；d.該輪緣圓角半徑超差會造成局部應(yīng)力增加，并產(chǎn)生裂紋。

參考文獻(xiàn)

[1]中國航空材料手冊（第1卷）結(jié)構(gòu)鋼，不銹鋼[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

作者簡介：韓冰（1978-），女，工程師，2000年畢業(yè)于沈陽航空工業(yè)學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)，工作單位：中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司，從事航空發(fā)動機(jī)裝配、排故等工作。