壓氣機輪盤故障部位強度對比分析

摘 要：某壓氣機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，對壓氣機轉子進行了強度計算，并重點分析故障部位在不同尺寸下的應力分布，給出對比計算結果。

關鍵詞：壓氣機；輪盤；故障

1 計算軟件

強度計算采用ANSYS有限元軟件，計算模型在UG軟件中建立。

2 計算條件

2.1 幾何數據

原始幾何數據均取自圖紙。

2.2 材料數據

材料密度為4480kg/m3。

不同溫度下的材料數據見表1～表3。

2.3 計算狀態

選取發動機低壓轉子的設計點轉速為計算狀態。

2.4 載荷

本計算考慮了轉速、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℃。離心載荷數據見表4。

3 低壓壓氣機轉子強度

3.1 計算模型

坐標系定義：坐標原點位于發動機軸線上，X軸為半徑方向，Y軸為發動機軸線方向。

根據圖紙名義尺寸建立低壓壓氣機轉子計算模型，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調，配合面為接觸邊界。

網格劃分時采用軸對稱單元，低壓壓氣機轉子有限元模型見圖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點上；溫度按均溫處理；在Ⅲ級軸頸后端面選一節點約束其軸向位移。載荷和約束施加位置示意見圖1。

3.3 計算結果

低壓壓氣機轉子最大應力計算結果見表5。應力分布云圖見圖2和圖3；Ⅰ級輪盤的應力分布云圖見圖4和圖5。

4 Ⅰ級輪盤故障部位強度對比

4.1 方式一

保證輻板關鍵尺寸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。計算結果見表6，應力分布云圖見圖7和圖8。

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

4.2 方式二

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

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

5 結束語

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

a.輪緣輻板圓角半徑及輻板厚度的大小對該處的應力影響很大，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力越大；c.輪緣厚度變大圓角半徑減小會造成應力增加；d.該輪緣圓角半徑超差會造成局部應力增加，并產生裂紋。

參考文獻

[1]中國航空材料手冊（第1卷）結構鋼，不銹鋼[M].北京：中國標準出版社.

作者簡介：韓冰（1978-），女，工程師，2000年畢業于沈陽航空工業學院飛行器動力工程專業，工作單位：中航工業沈陽黎明航空發動機集團公司，從事航空發動機裝配、排故等工作。