某渦軸發動機離心葉輪低循環疲勞試驗研究

鮑冬冬 艾書民

摘 要：本文針對某渦軸發動機的離心葉輪試驗轉接段進行試驗方案設計，通過有限元分析和試驗驗證，對比了兩種試驗方案的結果，可以看出方案二的結構中壓塊所受應力較低，且疲勞壽命有了明顯提升，說明方案二中的結構設計能滿足使用需求，本項工作為渦軸發動機部件試驗的研制提供了支持，并為今后轉接段的設計工作提供了參考。

關鍵詞：航空發動機;離心葉輪;低循環疲勞

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0060-02

輪盤是航空發動機的旋轉部件之一。輪盤工作時承受著高溫、高離心載荷等作用，輪盤的失效直接影響航空發動機的可靠性、使用性能和維護成本，甚至危及飛機和乘員的安全，導致災難性的后果，因此，輪盤被列為發動機的關鍵件，對發動機工作的安全性、可靠性[1]、耐久性有重要影響，而低循環疲勞破壞是發動機輪盤壽命損耗的最大問題之一，據統計，航空發動機結構故障占總故障的60%～70%，疲勞破壞占發動機結構故障的80%～90%。

通常輪盤破壞會產生巨大的碎塊功能，發動機無法包容，所以會產生很嚴重的后果，離心葉輪作為發動機的壽命關鍵件，通常需要通過低循環疲勞試驗來進行壽命評估，而離心葉輪的低循環疲勞試驗轉接段是專門用于離心葉輪試驗的轉接裝置，其作用是將試驗件與試驗器相連接，一般情況下為保證試驗結果真實可靠，應當在條件允許的情況下盡可能模擬試驗件在發動機上的連接形式，應通過對比分析計算，確認試驗件的在試驗條件下的受力狀態與發動機使用條件下的受力狀態相同，關鍵部位的裝配應力及其分布，接近發動機條件下的裝配應力，應避免由于變形協調情況不同和裝配應力不同而產生附加載荷，所以轉接段的設計應當考慮參考發動機的連接方式，并且轉接段不應該對輪盤有明顯的加強和削弱的作用。

1 試驗方案設計

在試驗方案設計的過程中，會考慮很多因素，為了解決試驗轉接段的動力學特性問題，同時綜合考慮試驗轉接段與試驗器的連接通用性，轉接段與試驗件的連接方式及加工等問題，對本次試驗方案的設計重點在以下兩個方面：（1）根據離心葉輪的應力分析，確定考核部位;（2）在保證與離心葉輪在發動機上連接方式的相同之余，優化試驗轉接段本身的動力學特性。

1.1 考核部位的確定

對離心葉輪進行了相關分析，采用UG建立計算用實體模型，采用ANSYS進行前后處理以及有限元分析。對離心葉輪計算模型進行簡化處理，去除花鍵及端齒等特征，簡化后的離心葉輪結構和載荷均具有循環對稱性，采用循環對稱方法進行計算，取包含一對大小葉片在內的整個試驗件的1/15循環對稱段作為計算模型。

本次計算分析主要考慮了離心載荷、溫度載荷、氣動力、預緊力和腔壓：離心載荷以轉速的形式施加在整個計算模型上;溫度載荷以節點溫度的形式施加在所有節點上，詳細應力計算結果見表1。

經計算發現，試驗件在發動機工作狀態下最大當量應力位置在輪盤上，而在此狀態下輪盤的應力計算結果見表2。可以發現輪心和前端齒的最大當量應力較大，故將輪心和前端齒確定為考核部位。

1.2 試驗轉接段結構的確定

根據試驗件在發動機上連接方式，設計了兩種結構的試驗轉接段，這兩種結構主要區別在于壓塊結構的不同，分別見圖1和圖2所示。

試驗方案一的思路主要是模擬了發動機上與離心葉輪相連接的二三級盤的結構，材料也與二三級盤相同，其目的是完全模擬離心葉輪在發動機上的受力狀態和協調變形，二三級盤的結構見圖3，可以看出第一種試驗方案的壓塊與二三級盤的結構是完全相同的。

試驗方案二的思路主要是模擬了發動機上與離心葉輪相連接的端齒結構，結構與二三級盤結構不同。由于前端齒的應力較大，所以與之相連接的壓塊的結構對于試驗的影響較大，在試驗中體現得較為明顯。

2 試驗驗證

2.1 試驗結果對比

將離心葉輪分別與兩種結構的轉接段裝配后，進行低速動平衡合格后與試驗器連接后進行試驗，試驗載荷譜見圖4。

方案一離心葉輪在完成了31605次試驗循環后，轉接段中的壓塊端齒部分產生了裂紋，見圖5所示，經過理化分析可知，壓塊端齒薄壁部位可能是較早期的源區，而方案二則順利完成試驗。

結合兩種方案的試驗結果，可以看出方案二中的壓塊結構更加穩定。

2.2 試驗轉接段疲勞壽命對比分析

疲勞壽命計算過程如下：用Goodman曲線（見圖6）把已知的工作循環（M點）轉換到應力比R為0.1的循環（N點），按照以下三式聯立求出應力比R為0.1時的最大應力，然后利用S-N曲線方程即可求出相應的循環次數。

式中： 為應力幅; 為平均應力;R為應力比。

根據文獻[2]：300℃下應力比R=0.1的軸向光滑疲勞S-N曲線：

lgNf=38.42139-11.6983×lg（中值）

450℃下應力比R=0.1的軸向光滑疲勞S-N曲線[3]：

lgNf=53.4037-17.148×lg（中值），試驗轉接段壽命[4]對比計算結果見表3。

經過模擬計算可以看出，兩種結構都可以保證試驗狀態下的離心葉輪與發動機狀態下的離心葉輪所受的應力狀態相同，而方案一中壓塊結構所受應力比方案二中壓塊結構所受應力大，且壽命短，說明方案二中的壓塊不會發生比試驗件更早出現疲勞裂紋的現象，與試驗結果相符。

3 結論

針對兩種試驗方案的結果對比，得到結論：

（1）經過計算和試驗結果可以表明：方案二中試驗轉接段的結構可以達到預期效果;

（2）在保證與原工作狀態一致的情況下，試驗轉接段的結構不是必須要設計與連接件相同的結構;

（3）在保證應力狀態不變的情況下，應該將轉接段所受的當量應力降低，這樣可以相應延長其疲勞壽命，從而達到考核試驗件的目的。

參考文獻

[1] 《中國航空材料手冊》（第4卷）[M].北京：中國標準出版社，2001.

[2] 李鋼.發動機設計用材料性能數據手冊[D].株洲：第六〇八研究所，2010.

[3] 宋兆泓.航空燃氣渦輪發動機強度設計[M].北京：北京航空學院出版社，1988.

[4] 曹鳳梅.倒圓對產品質量的影響[J].論壇集萃，2012：56-57.