某發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪模型渦輪轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊分析

陳歡歡 趙艷云 熊望驕

摘 要：基于ANSYS/Workbench軟件建立了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪模型渦輪轉(zhuǎn)子的二維有限元模型，采用有限元方法計(jì)算了該轉(zhuǎn)子的松弛力，并與成熟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子進(jìn)行了對(duì)比分析，研究?jī)烧咚沙诹Σ町愝^大的具體原因，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了合理化建議。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪;模型渦輪;松弛力;軸向預(yù)緊

中圖分類號(hào)：V231.95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0117-02

現(xiàn)代小型渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中各級(jí)轉(zhuǎn)子之間多采用圓弧端齒及施加預(yù)緊力的中心拉桿連接，這種連接方式具有軸系同心精度好、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于轉(zhuǎn)子承受離心力、氣動(dòng)力（包含軸向力和扭矩）、熱載荷以及機(jī)動(dòng)載荷等，轉(zhuǎn)子零部件存在軸向收縮或伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。為了保證轉(zhuǎn)子安全可靠地工作，裝配時(shí)需要通過(guò)調(diào)整壓緊螺母的擰緊力矩來(lái)施加適當(dāng)?shù)妮S向預(yù)緊力。預(yù)緊力過(guò)小，轉(zhuǎn)子不能正常連接和運(yùn)轉(zhuǎn);預(yù)緊力過(guò)大，會(huì)降低中心拉桿及其他零部件的強(qiáng)度儲(chǔ)備。因此，進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊力分析非常必要。

確定轉(zhuǎn)子的軸向預(yù)緊力，須先確知轉(zhuǎn)子的最大松弛力（壓緊力），然后結(jié)合轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊力規(guī)定值的確定準(zhǔn)則和方法，計(jì)算并給出滿足工程要求的轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊力（擰緊力矩）。端齒連接轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊力的確定準(zhǔn)則和確定方法[3]。一種確定端齒連接轉(zhuǎn)子各接觸面上松弛力和壓緊力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[4]。

本文基于ANSYS/Workbench軟件采用二維軸對(duì)稱模型對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪模型渦輪轉(zhuǎn)子軸向松弛力進(jìn)行了計(jì)算，并與成熟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子進(jìn)行了對(duì)比，分析了松弛力差異較大的原因。

1 模型渦輪轉(zhuǎn)子松弛力計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪模型渦輪轉(zhuǎn)子支承方式為簡(jiǎn)支形式，左側(cè)有一棒軸承，右側(cè)有一球軸承，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。兩級(jí)渦輪整體葉片盤通過(guò)花鍵與渦輪軸連接，并通過(guò)螺母進(jìn)行軸向預(yù)緊。

1.2 有限元模型

采用二維模型計(jì)算轉(zhuǎn)子的松弛力，葉片部分采用八節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)力單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，其余部分采用八節(jié)點(diǎn)四邊形軸對(duì)稱單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并在各零部件連接處建立接觸對(duì)。

計(jì)算時(shí)考慮了離心載荷、溫度載荷、氣動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向過(guò)盈/間隙。離心載荷以轉(zhuǎn)速形式施加，溫度載荷以節(jié)點(diǎn)溫度形式施加，氣動(dòng)載荷以分布面壓力形式施加在相應(yīng)的腔面，徑向過(guò)盈或間隙按設(shè)計(jì)值或?qū)嶋H值施加在相應(yīng)位置處。

1.3 結(jié)果分析

對(duì)于單段預(yù)緊的轉(zhuǎn)子，松弛力（壓緊力）只與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、材料和工作載荷有關(guān)，而與轉(zhuǎn)子所加的初始預(yù)緊力的大小無(wú)關(guān)。

有限元計(jì)算時(shí)，在壓緊螺母與一級(jí)葉片盤軸向接觸位置處施加過(guò)盈量以模擬初始預(yù)緊力，得到壓緊螺母處的松弛力為97860N，比其他轉(zhuǎn)子的松弛力大，如取預(yù)緊裕度為2.0，則需要195720N的預(yù)緊力，對(duì)裝配工裝及壓緊螺母的螺紋強(qiáng)度要求較高。

為分析影響該處松弛力的主要原因，分別計(jì)算了轉(zhuǎn)子僅在溫度載荷、離心載荷、氣動(dòng)載荷單獨(dú)作用下的松弛力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。可以看出，離心載荷對(duì)壓緊螺母處松弛力的影響最為明顯。

圖2給出僅離心載荷作用時(shí)轉(zhuǎn)子的綜合位移及變形分布。由于一、二級(jí)整體葉片盤輪心兩側(cè)均伸出了沿軸向跨度相對(duì)較長(zhǎng)的軸段，在離心載荷下作用下葉片盤盤體會(huì)產(chǎn)生比軸段大的徑向位移，由于泊松效應(yīng)，輪盤軸段會(huì)產(chǎn)生較大的軸向收縮，從而使轉(zhuǎn)子發(fā)生松弛，產(chǎn)生較大松弛力。

2 與成熟機(jī)轉(zhuǎn)子松弛力對(duì)比分析

某成熟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)形式上與本試驗(yàn)件頗為相似，亦通過(guò)花鍵將兩級(jí)整體葉片盤與渦輪軸連接，采用壓緊螺母對(duì)兩級(jí)渦輪整體葉盤進(jìn)行預(yù)緊，結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖3。計(jì)算得到成熟機(jī)轉(zhuǎn)子松弛力見(jiàn)表2。可以看出，本試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子因溫度載荷、離心載荷產(chǎn)生的松弛力均比成熟機(jī)轉(zhuǎn)子大。

2.1 幾何結(jié)構(gòu)分析

本試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子兩級(jí)葉片盤上帶有封嚴(yán)蓖齒，而成熟機(jī)轉(zhuǎn)子采用“兩級(jí)渦輪整體葉盤+兩級(jí)封嚴(yán)蓖齒環(huán)”的形式，軸向跨度相對(duì)較長(zhǎng)。本試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子渦輪軸半徑大，壓緊區(qū)間軸向長(zhǎng)度短，導(dǎo)致渦輪軸剛度較大，產(chǎn)生相同的軸向變形量所需的載荷較大。

2.2 結(jié)構(gòu)選材分析

兩型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選用材料對(duì)比見(jiàn)表3，試驗(yàn)溫度下材料性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。成熟機(jī)轉(zhuǎn)子兩級(jí)葉片盤及兩級(jí)封嚴(yán)環(huán)的線膨脹系數(shù)均比本試驗(yàn)件兩級(jí)葉片盤的大，在相同溫度載荷下，成熟機(jī)轉(zhuǎn)子盤類零件因熱膨脹產(chǎn)生的軸向變形量大，盤類零件與渦輪軸間的軸向松脫量較小，有利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊，因此推斷在溫度載荷下成熟機(jī)轉(zhuǎn)子松弛力較小。

2.3 軸向變形分析

表5為兩型轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)僅在溫度載荷下的軸向變形量。成熟機(jī)轉(zhuǎn)子渦輪軸因熱載荷產(chǎn)生的軸向膨脹量大，這是由于其渦輪軸壓緊區(qū)間軸向跨度較大所致。對(duì)于盤類零件與渦輪軸之間的軸向相對(duì)松脫量，本試驗(yàn)件為0.021565mm，大于成熟機(jī)的0.012614mm，不利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊。

表6為兩型轉(zhuǎn)子僅在離心載荷下各結(jié)構(gòu)軸向變形量。成熟機(jī)轉(zhuǎn)子渦輪軸因離心載荷產(chǎn)生的軸向收縮量較大，有利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊;而盤類零件因離心載荷產(chǎn)生的收縮量較小，也有利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊。對(duì)于盤類零件與渦輪軸之間的軸向相對(duì)松脫量，本試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子為0.042855mm，大于成熟機(jī)轉(zhuǎn)子0.032633mm，因而本試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子松弛力相對(duì)較大。

3 結(jié)論

本文開展了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)模型渦輪試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子松弛力分析，并與成熟發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子上的盤類零件軸向跨度不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)因?yàn)殡x心載荷產(chǎn)生較大的軸向收縮，不利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)子承受溫度載荷時(shí)，應(yīng)注意轉(zhuǎn)子上盤類零件和拉桿的材料選取，兩者的材料線膨脹系數(shù)差別不應(yīng)過(guò)大，否則不利于轉(zhuǎn)子預(yù)緊。

參考文獻(xiàn)

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