某型發(fā)動機(jī)渦輪盤溫度及應(yīng)力計算分析

李 釗，鄒 武

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

0 引言

由于發(fā)動機(jī)渦輪盤處于高溫、高轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，承受著由渦輪葉片的離心力和輪盤本身的離心力產(chǎn)生的離心應(yīng)力、由溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力及相關(guān)零件變形不協(xié)調(diào)所引起的附加應(yīng)力等，且上述應(yīng)力均隨發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)改變而變化，因此渦輪盤工作過程中存在著大量的低循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計，航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)故障占總故障的60%～70%，而疲勞破壞又占發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)故障的80%～90%，所以對渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行研究是十分必要的［1］。

渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命通常是在循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)確定的，而在進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)前首先要確定渦輪盤的考核部位和試驗(yàn)溫度，由于渦輪盤真實(shí)的工作應(yīng)力和溫度無法直接測量，采取有限元計算便是一條行之有效的方法［2，3］。

本文利用Patran／Nastran軟件建立某型發(fā)動機(jī)渦輪盤的有限元模型，參考相關(guān)文獻(xiàn)確定渦輪盤溫度場、應(yīng)力場分析的邊界條件，并對溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行計算分析，根據(jù)計算結(jié)果確定渦輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的考核部位。

1 渦輪盤模型的建立

某型發(fā)動機(jī)高壓二級渦輪盤由高溫合金GH901鍛造并經(jīng)過機(jī)械加工而成，渦輪盤在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期性，即繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動α＝2π／N（N為葉片數(shù)）角度后，結(jié)構(gòu)的幾何形狀和轉(zhuǎn)動前完全一樣。為計算盤的離心力和熱應(yīng)力，根據(jù)圣維南原理，可以先將盤的模型簡化，忽略榫槽和前端面安裝邊上的銷孔，簡化后渦輪盤的模型在Patran中建立，取1／5的扇形對稱體進(jìn)行三維有限元計算?！?br>