某型發動機燃氣渦輪二級導向器強度、振動分析

馬龍 韓欣誠 趙小全

摘 要：燃氣渦輪導向器位于發動機燃燒室的后側，引導燃氣對自由渦輪轉子做功，將化學能轉化為機械能，為飛機提供動力。針對某型發動機燃氣渦輪二級導向器暴露的問題，對改進型發動機的燃氣渦輪二級導向器進行材料優化，并進行強度、振動校核，確保滿足發動機使用要求。

關鍵詞：燃氣渦輪二級導向器;材料優化;強度;振動

引 言

某型發動機在定型批產后，在多年服役生涯中，發揮了重大作用，也暴露出一些問題，如燃氣渦輪二級導向器裂紋和腐蝕剝落。為更好地便于客戶使用，對某型發動機進行改進優化，并將燃氣渦輪二級導向器K418B合金材料優化為K438合金。

1.問題描述

某型發動機燃氣渦輪二級導向器長期的服役生涯中，容易產生裂紋，見圖1，失效分析認為裂紋的產生與葉片振動有關;由于外場服役環境的特殊性，燃氣渦輪二級導向器在進氣邊局部會產生金屬剝落，是由于K418B合金基體抗氧化性能不足導致，且葉片表面沒有防護涂層，熱腐蝕致葉身中部基體氧化。

2.改進方案

根據燃氣渦輪二級導向器暴露出的裂紋和腐蝕特點，以及其他成熟發動機導向器材料體系，將某改進型發動機的燃氣渦輪二級導向器材料K418B合金更改為綜合力學性能較好的K438合金[1]，有利于改善燃氣渦輪二級導向器裂紋和腐蝕問題。

3.強度、振動校核

燃氣渦輪二級導向器在高溫燃氣中工作，受熱不均勻，導向葉片前后受到前后轉子氣流擾動，需對更改材料的燃氣渦輪二級導向器進行強度和振動校核。

根據燃氣渦輪二級導向器工作環境特點，選取其工作狀態和靜止狀態分析，工作狀態參考溫度場分布，靜止狀態下的溫度為室溫。燃氣渦輪二級導向器結構具有循環對稱的特點，截取燃氣渦輪二級導向器的基本扇區建立有限元子結構模型，通過對基本扇區進行計算，可提高計算精度。

3.1強度校核

根據EGD-3應力標準，渦輪導向葉片應力評判標準為：在所有正常的工作條件下，最大的彎曲應力不應超過0.1%屈服強度的75%。燃氣渦輪二級導向器葉片強度設計要求為775Mpa，有限元計算結果391Mpa，滿足標準要求。

3.2振動校核

在發動機常見的不同工作轉速狀態下，可能會發生共振，一般采取的原則是以低階頻率作為優先考慮，高階頻率振動因需要的激振能量較大，次之考慮。根據發動機結構特點，本文考慮的激振源和激振倍頻數見表1。

根據激振與節徑的關系，需繪制不同節徑下的Campbell圖，圖3為3節徑Campbell圖，其中3節徑某頻率高階共振的等效應力分布見圖4。

4.結論

根據計算結果，某改進型發動機的燃氣渦輪二級導向器的材料更改為K438是可行的，滿足強度設計要求，且強度的儲備系數較大。某改進型發動機的燃氣渦輪二級導向器低階時的共振裕度滿足設計要求;高階頻率共振裕度較小，存在共振可能，但因需要的激振能量較大，引發共振的可能性較小。

參考文獻：

[1]中國標準出版社.中國高溫合金手冊.2012