某渦輪盤(pán)備件強(qiáng)度可用性分析

摘 要：某渦輪盤(pán)備件與現(xiàn)用盤(pán)批次不同，結(jié)構(gòu)略有差別，因此需要在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下對(duì)低壓渦輪盤(pán)備件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并將渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出備件在強(qiáng)度方面的可用性分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：渦輪盤(pán)；備件；強(qiáng)度；應(yīng)力

1 計(jì)算軟件

強(qiáng)度計(jì)算采用ANSYS有限元軟件，計(jì)算模型在UG軟件中建模完成。

2 計(jì)算條件

2.1 材料數(shù)據(jù)

渦輪盤(pán)材料密度為8320 kg/m3，泊松比0.3，其他材料特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 彈性模量E[1]

表2 線(xiàn)膨脹系數(shù)α[1]

表3 熱導(dǎo)率λ[1]

2.2 離心力載荷

工作葉片的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑為實(shí)測(cè)值；輪盤(pán)凸塊的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑來(lái)源于UG三維模型。

根據(jù)離心力計(jì)算公式計(jì)算得到葉片和輪盤(pán)凸塊在工作轉(zhuǎn)速下的離心力。

2.3 溫度載荷

渦輪盤(pán)存在溫度變化，已知盤(pán)上特定部位的溫度。因此須通過(guò)熱分析，根據(jù)不同部位的溫度計(jì)算得到整個(gè)渦輪盤(pán)上的溫度場(chǎng)分布。

3 二維軸對(duì)稱(chēng)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

3.1.1 坐標(biāo)系定義

坐標(biāo)原點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)上，X軸為低壓渦輪盤(pán)半徑方向，Y軸為軸線(xiàn)方向，逆氣流方向?yàn)檎?/p>

3.1.2 渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件模型

建模時(shí)，根據(jù)圖紙尺寸在軟件中繪制渦輪盤(pán)的剖面圖，外緣取為榫槽底部，輪盤(pán)榫槽之間的凸塊作為外載荷。渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件的剖面圖見(jiàn)圖1。

分網(wǎng)時(shí)，采用PLANE183號(hào)帶中間節(jié)點(diǎn)的單元，將單元屬性修改為軸對(duì)稱(chēng)，現(xiàn)用盤(pán)劃分單元2256個(gè)，節(jié)點(diǎn)7165個(gè)； 備件盤(pán)劃分單元2425個(gè)，節(jié)點(diǎn)7672個(gè)。渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件的網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖1 渦輪盤(pán)的剖面圖 圖2 渦輪盤(pán)網(wǎng)格劃分圖

3.2 載荷和邊界條件施加

溫度載荷：熱分析計(jì)算得到的溫度場(chǎng)作為溫度載荷施加在模型節(jié)點(diǎn)上；

離心力載荷：葉片和輪盤(pán)凸塊離心力以均布力方式施加在輪盤(pán)外緣上；

位移邊界條件：軸向位移約束施加在輪盤(pán)右側(cè)與低壓渦輪軸連接處，周向位移約束施加在輪盤(pán)盤(pán)心處。

載荷和邊界條件的施加位置如圖3所示。

圖3 渦輪盤(pán)的載荷和邊界條件施加位置

3.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，渦輪盤(pán)備件應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4～圖7，現(xiàn)用渦輪盤(pán)應(yīng)力分布與備件盤(pán)基本相同。

4 三維循環(huán)對(duì)稱(chēng)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

4.1.1 坐標(biāo)系定義

當(dāng)考慮輪盤(pán)的榫槽和冷卻孔時(shí)，按循環(huán)對(duì)稱(chēng)問(wèn)題處理，因此建立坐標(biāo)系為總體柱坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系原點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)上，Z軸為軸線(xiàn)方向，逆航向?yàn)檎琗軸為半徑方向，向外為正，Y軸為周向。

4.1.2 渦輪盤(pán)模型

根據(jù)低壓渦輪盤(pán)模型的循環(huán)對(duì)稱(chēng)特性，做出一個(gè)4°的扇形段作為計(jì)算模型，低壓渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件的扇形段模型如圖8所示。

分網(wǎng)時(shí)，采用SOLID95號(hào)帶中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元，現(xiàn)用盤(pán)劃分單元100206個(gè)，節(jié)點(diǎn)197623個(gè)； 備件盤(pán)劃分單元100885個(gè)，節(jié)點(diǎn)199586個(gè)。低壓渦輪盤(pán)現(xiàn)用件和備件的網(wǎng)格見(jiàn)圖9。

圖8 渦輪盤(pán)的扇形段模型圖 圖9 渦輪盤(pán)的網(wǎng)格劃分圖

4.2 載荷和邊界條件施加

溫度載荷：將熱分析計(jì)算得到的溫度場(chǎng)作為溫度載荷施加在模型節(jié)點(diǎn)上，由于沒(méi)有冷卻孔處的三維溫度場(chǎng)分布，因此計(jì)算時(shí)采用的是二維溫度場(chǎng)；

離心力載荷：葉片的離心力以均布力方式施加在輪盤(pán)榫槽工作面上；

位移邊界條件：軸向位移約束施加在輪盤(pán)右側(cè)與渦輪軸連接處，周向位移約束施加在輪盤(pán)盤(pán)心處。

載荷和邊界條件的施加位置如圖10所示。

4.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，渦輪盤(pán)備件應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖11～圖14，現(xiàn)用渦輪盤(pán)應(yīng)力分布與備件盤(pán)基本相同。

表5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖11 備件盤(pán)徑向應(yīng)力分布云圖 圖12 備件盤(pán)周向應(yīng)力分布云圖

圖13 備件盤(pán)軸向應(yīng)力分布云圖 圖14 備件盤(pán)等效應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)果對(duì)比

由二維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和三維應(yīng)力結(jié)果對(duì)比可以看出：由于槽底有冷卻孔導(dǎo)致位于榫槽下方的最大徑向應(yīng)力增大，而盤(pán)心部位附近的各分量應(yīng)力均略有減小。

根據(jù)圖6中二維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：備件盤(pán)各分量應(yīng)力結(jié)果與現(xiàn)用盤(pán)結(jié)果相當(dāng)。

根據(jù)圖7中三維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：備件盤(pán)在冷卻孔部位周向應(yīng)力略小于現(xiàn)用盤(pán)的結(jié)果。在其他部位，備件盤(pán)各分量應(yīng)力結(jié)果與現(xiàn)用盤(pán)結(jié)果相當(dāng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

某發(fā)動(dòng)機(jī)備件渦輪盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下，靜強(qiáng)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)用盤(pán)結(jié)果相當(dāng)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)航空材料手冊(cè).第2卷：變形高溫合金鑄造高溫合金[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

作者簡(jiǎn)介：韓冰（1978-），女，工程師， 2000年畢業(yè)于沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，工作單位：中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、排故等工作。