考慮軸向變形的錐形輪盤低循環疲勞試驗研究

王海舟，楊 雷，楊昌祺，盧 序

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

輪盤作為航空發動機的關鍵結構件之一，承載著復雜交變載荷的作用，一旦破裂失效將會對飛機的安全性和可靠性帶來嚴重威脅。其中低循環疲勞破壞是最主要的失效模式[1-2]，各航空大國均在發動機設計規范中明確了關鍵件安全循環壽命設計的要求，并按照關鍵件的定壽方法開展輪盤低循環疲勞試驗[3-4]。

國外，有關輪盤低循環疲勞壽命按常規方法和斷裂力學方法同時進行壽命分析[5-6]，按常規方法分析得到壽命N1，按斷裂力學方法分析得到壽命N2，取二者中的低值作為輪盤的壽命值。中國也開展了大量的研究工作，在輪盤低循環疲勞壽命預測方法[7-8]的基礎上，通過完善總應變壽命方程中參數的確定方法[9]并考慮應力梯度和尺寸效應對壽命的影響[10]，最終建立了1 套輪盤疲勞壽命評估流程，并在以渦輪轉子為模型的實例中分析了壽命評估流程的實施過程[11]。顯然，開展輪盤的低循環疲勞試驗是評定其壽命最直接、最可靠的方法。從最初開展單級渦輪盤低循環疲勞試驗[12]，到模擬扭矩載荷作用的渦輪盤低循環疲勞壽命試驗[13]，再到采用高壓2 級渦輪盤聯合低循環疲勞壽命試驗[14]，都證明試驗技術在沿著模擬發動機工作最真實狀態的方向發展。高壓壓氣機輪盤級數多，若采用整個多級輪盤轉子按發動機真實裝配狀態進行試驗，較難模擬真實的溫度狀況。因此，本試驗以壓氣機輪盤為研究對象，選擇強度儲備最低的第1 級輪盤進行單盤試驗，試驗結果所得的壽命可應用于其他級輪盤。某型發動機高壓壓氣機Ⅰ級盤采用錐形結構設計，在1 個壽命循環過程中，在裝配預緊力和離心力的共同作用下，輪盤會產生軸向變形。在中國，采用單盤進行試驗時，只施加離心載荷，導致錐形輪盤軸向變形不足或過大，難以真實地模擬發動機工作狀態時考核部位的應力情況，影響應力分布的邊界條件約束、變形等，從而使輪盤的定壽工作產生較大的誤差。劉大成等[15]提出采用油缸式旋轉試驗器進行高壓壓氣機Ⅹ級盤試驗的方案，通過調整油腔中油的體積實現軸向力的變化，完成了對壓氣機Ⅹ級盤的疲勞壽命試驗。但在試驗過程中需嚴格控制油量的精度，且需反復拆裝試驗組件，對此產生的較大平衡問題難以解決。

本文基于傳統輪盤低循環疲勞試驗技術，提出了考慮軸向變形的錐形輪盤低循環疲勞試驗技術，并在臥式旋轉試驗器上完成試驗件的低循環疲勞試驗。

1 錐形輪盤結構

早期的壓氣機轉子多級輪盤間采用長螺栓連接，在各級輪盤輻板上加工螺栓孔，導致輪盤的承載能力降低，使用壽命縮短；改進后的壓氣機為無螺栓轉子結構，避免了螺栓孔處應力過于集中萌生裂紋而影響使用壽命[16]，某典型發動機高壓壓氣機轉子結構如圖1 所示。

圖1 高壓壓氣機轉子結構

該高壓壓氣機轉子共11 級輪盤，采用前后螺母壓緊的方式固定于高壓壓氣機轉子軸上，其中Ⅰ級盤為錐形結構（如圖2 所示），中心孔帶有套齒，既可通過轉子軸傳遞扭矩，又能適當改善前端壓緊螺母的受力情況。Ⅰ級盤后端通過中介環（外緣處）和轉接短管（內孔處）與另外10 級輪盤間能平滑過渡連接。

在高壓壓氣機轉子裝配時，先將中間2 級輪盤與轉子軸安裝在一起，然后由內向外逐級推入壓氣機輪盤，為使整個轉子軸向定位，約需3×105N 的力分別壓緊Ⅰ級盤和Ⅺ級盤的盤心端面，在壓緊力作用下使用約2000 N·m 的力矩擰緊轉子軸兩端的螺母，使之成為整體。

圖2 錐形結構輪盤

2 錐形輪盤軸向變形分析

2.1 裝配時的軸向變形要求

按照高壓壓氣機轉子的裝配要求，在裝配前測量自由狀態下Ⅰ級盤盤緣與盤心端面間相對尺寸T1。在轉子裝配后，在盤心壓緊力及盤緣中介環的共同作用下，Ⅰ級盤外緣端面與盤心端面間相對尺寸增大，通過調整盤心壓緊力、壓緊螺母的擰緊力矩及轉接短管的軸向長度，保證裝配完成后盤緣端面與盤心端面相對尺寸T1′較T1的變形量ΔS在+0.55～+0.80 mm 范圍內，在裝配時Ⅰ級盤軸向變形趨勢如圖3 所示。

圖3 在裝配時軸向變形趨勢

2.2 在工作狀態下的軸向變形趨勢

在工作狀態下，Ⅰ級盤受裝配預緊力、離心力共同作用，由于輪盤為錐形結構，盤緣向后變形壓縮后10 級盤緣與中介環，盤心向前變形拉伸轉子軸，在工作狀態下Ⅰ級盤T1" 尺寸較T1′變化趨勢如圖4 所示。

圖4 在工作狀態下軸向變形趨勢

2.3 在工作狀態下的軸向變形定量分析

建立高壓壓氣機轉子2 維有限元模型，如圖5 所示。通過ANSYS 軟件模擬Ⅰ級盤在裝配預緊力下的變形條件，分別調整固定螺母過盈量、間隔套尺寸，使變形量ΔS=+0.79 mm。在裝配狀態下，對高壓壓氣機轉子施加離心載荷、溫度載荷，獲得在工作狀態下Ⅰ級盤的軸向變形，如圖6 所示。通過分析表明，在工作狀態下Ⅰ級盤T1"較在裝配狀態下T1′變化量ΔS′在-0.85～-0.90 mm 范圍內。

圖5 高壓壓氣機轉子2 維有限元模型

圖6 在工作條件下Ⅰ級盤軸向變形量

3 試驗方案

3.1 設計思路

輪盤低循環疲勞試驗的主要目的是用試驗件準確地模擬實際發動機輪盤危險部位應力應變的循環過程。鑒于試驗器的能力和試驗成本，對高壓壓氣機Ⅰ級盤在專門設計的陪試件配合下進行單盤試驗。錐形結構的輪盤在離心力的作用下產生軸向變形，同時受到其他級輪盤的影響，變形情況及應力狀態難以有效模擬。為考慮Ⅰ級輪盤所受主要載荷，有效考核輪盤壽命關鍵考核部位，設計試驗方案（如圖7 所示），包括如下內容：

圖7 試驗方案

（1）考慮試驗在臥式轉子試驗器上進行，設計雙支點試驗軸模擬發動機軸，通過套齒對Ⅰ級盤傳扭，為盡可能模擬Ⅰ級盤的邊界條件，保留了Ⅰ級盤前端的壓緊螺母和后端的中介環及轉接短管。

（2）為模擬裝配狀態變形條件，設計了錐盤模擬高壓壓氣機后10 級輪盤的剛性，錐盤前端分別通過Ⅰ級中介環和轉接短管與Ⅰ級盤相連，盤心后端設計梯臺結構與轉子軸上的T 型凸臺配合。

（3）軸上的T 型凸臺設計對轉子起到軸向和徑向雙定位的作用。裝配時以T 形凸臺為基準，如圖7 所示依次向前安裝錐盤、Ⅰ級中介環、轉接短管、Ⅰ級盤、測試環和壓緊螺母，在施加壓緊力和T 形凸臺的共同作用下，保證Ⅰ級盤在裝配狀態下的軸向變形。

（4）在工作狀態下Ⅰ級盤盤緣向后變形（圖4），為此設計了1 級擋盤和后端螺母來控制錐盤盤緣在工作中的軸向變形量，在裝配時選擇適當尺寸的調整墊圈并擰緊后端螺母，使壓緊后Ⅱ級中介環和擋盤之間保留一定間隙；在工作狀態下，Ⅰ級盤和錐盤的盤緣在離心力作用下向后變形，直到被擋盤擋住，利用位移傳感器測量Ⅰ級盤的軸向變形量，若不滿足要求，則停車后下臺分解T 形凸臺后端螺母與擋盤，維持Ⅰ級盤的裝配狀態，通過調整墊圈的軸向尺寸來控制Ⅰ級盤工作狀態下的變形量。

（5）為降低試驗成本、減小高速旋轉時葉片的鼓風影響，采用配重塊替代真實葉片進行試驗。

3.2 測試方案

在Ⅰ級盤的盤緣和盤心的前端分別安裝位移傳感器，用于實時監測Ⅰ級盤的軸向變形。考慮在Ⅰ級盤盤心處安裝壓緊螺母，因徑向空間不滿足位移傳感器測量范圍要求，為此設計了與Ⅰ級盤材質相同的測試環，在工作狀態下測量測試環與盤緣處的相對軸向位移來反映ΔS′的變化。測試方案如圖8 所示。

圖8 測試方案

3.3 有效性分析

3.3.1 在工作狀態下應力分析

圖9 整機狀態下應力分布

采用有限元計算軟件ANSYS 建立2 維模型（圖5）。通過調整轉接短管的軸向尺寸和Ⅰ級盤左側壓緊螺母的過盈量來滿足裝配條件，再對輪盤施加離心載荷、溫度載荷，得到整機工作狀態下高壓Ⅰ級盤的應力分布，如圖9 所示。在工作狀態下Ⅰ級盤平均應力較低，局部存在應力較高的情況，集中出現在槽底銷釘孔和腹板排氣側與輪緣轉接圓角處（脖頸部位），確定為考核部位。

建立試驗方案的有限元模型，當滿足裝配條件后，對輪盤施加離心載荷，得到試驗工作狀態下高壓Ⅰ級盤的應力分布，如圖10 所示。

圖10 試驗狀態下應力分布

3.3.2 考核部位載荷系數確定

為驗證試驗設計方案的有效性，對比試驗件考核部位分別在整機與試驗狀態下的應力結果，需要確定載荷系數（試驗器系數）

式中：σr為試驗狀態下最大應力；σst為整機狀態下的最大應力；σbst為整機溫度下材料的強度極限；σbr為試驗溫度下材料的強度極限；σr/σst為應力比；σbst/σbr為考慮溫度差異對應力比值的修正。

根據式（1）確定考核部位的載荷系數，結果見表1。從表中可見在工作狀態下載荷系數符合試驗方案的設計要求[17]，該試驗方案能模擬Ⅰ級盤在整機狀態下的應力水平。

表1 考核部位的載荷系數

4 錐形輪盤低循環疲勞試驗

4.1 試驗過程

為滿足試驗件在工作狀態下的變形條件，試驗前需進行調試。將平衡后的Ⅰ級盤試驗組件以簡支的形式安裝在臥式旋轉試驗器真空箱內的2 個單支點上，通過聯軸節與設備的傳動雙支點相連，如圖11 所示。并按照圖12 所示的試驗調試流程對Ⅰ級盤工作狀態下的軸向變形進行調試。

圖11 試驗裝置

圖12 試驗調試流程

經過多次更換不同軸向尺寸的墊圈，保證了Ⅰ級盤在規定的轉速下滿足工作狀態的變形要求，然后進行正式試驗。試驗轉速下限為500 r/min，上限為11970 r/min；上升時間為20 s，下降時間為17 s，由于試驗器控制原因，需要載荷穩定使得材料變形充分，確定上、下限轉速各保載時間為2 s，試驗全程對盤緣、盤心的端面軸向位移變化進行監控并記錄。

4.2 試驗結果

選取試驗各階段上限轉速對應Ⅰ級盤軸向變形，結果記錄見表2。試驗結果表明，Ⅰ級盤到達上限轉速要求的軸向變形ΔS′均在-0.85～-0.90 mm 范圍內，試驗方案可行且結果有效。

表2 Ⅰ級盤軸向變形結果

在試驗前進行目視檢查，在試驗過程中使用振動傳感器對試驗器狀態進行監測，經驗表明振動變化能有效監測輪盤裂紋產生，經過3 個階段下臺熒光著色檢查，共完成9240 次標準循環，在檢查中未發現試驗件尺寸變化和裂紋出現。

按照上述方法對輪盤進行延壽試驗，每隔500 次循環后，使用孔探儀對輪盤進行無損檢測，當輪盤出現長裂紋或輪盤破裂時，停止試驗，根據完成的試驗循環數來確定輪盤壽命。

5 結論

（1）提出了1 種模擬錐形輪盤軸向變形的低循環疲勞壽命試驗方法，試驗結果驗證了采用該方法可使該輪盤試驗轉子在旋轉試驗器上進行有效考核；

（2）錐盤和軸上T 型凸臺的設計在保證Ⅰ級盤裝配狀態的同時，避免了在工作狀態下試驗件調試反復拆裝，提高了效率；

（3）對擋盤和調整墊圈軸向尺寸的設計，有效解決了輪盤在工作狀態下軸向變形控制難題；

（4）高壓Ⅰ級盤的安全循環壽命通過了試驗考核，通過該試驗方法結合裂紋監測等方法可持續進行輪盤延壽工作研究。