航空發(fā)動機渦輪軸尺寸超差影響的分析

□ 張江偉 □ 沈 晨 □ 杜智博

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空發(fā)動機渦輪軸是航空發(fā)動機傳遞扭矩的主要部件之一,渦輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響渦輪能否正常工作,并影響航空發(fā)動機的整體性能。渦輪軸工作環(huán)境較為惡劣,承受極復(fù)雜的外載荷,包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力、振動等。渦輪軸失效,會導(dǎo)致非常嚴重的后果。國外曾發(fā)生過多起航空發(fā)動機渦輪軸斷裂故障,導(dǎo)致飛行事故或人員傷亡。1987年,波蘭一架伊爾-76客機發(fā)生渦輪軸折斷故障,機上183人全部遇難。普惠公司的JT8D航空發(fā)動機由于渦輪軸折斷故障,在1969至1990年間共引發(fā)28起事故。

渦輪軸結(jié)構(gòu)和可靠性具有高要求,渦輪失效引起的后果嚴重。很多學(xué)者針對渦輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度進行了大量研究工作。渦輪軸幾何形狀復(fù)雜,又承受復(fù)合載荷,因此僅依靠應(yīng)力應(yīng)變分析和材料試驗方法,不能準確確定渦輪軸的疲勞壽命。所以,全尺寸渦輪軸的疲勞壽命試驗仍是確定渦輪軸疲勞壽命的主要方法。世界各國軍用航空發(fā)動機規(guī)范對渦輪軸疲勞壽命的要求不盡相同,進行試驗驗證的設(shè)備和方法也各異。英國軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范明確規(guī)定,用于疲勞試驗的標準循環(huán)載荷應(yīng)該是從零到最大扭矩再回到零的循環(huán)。筆者針對某型航空發(fā)動機渦輪軸尺寸超差,需要對其循環(huán)壽命進行預(yù)估這一實際工程問題,通過有限元計算、循環(huán)壽命估算、低循環(huán)疲勞試驗,給出尺寸超差渦輪軸的使用意見。

2 研究對象

某型航空發(fā)動機渦輪軸結(jié)構(gòu)如圖1所示,工作載荷扭矩為14 970 N·m,軸向載荷為66 723.30 N。渦輪軸由GH901高溫合金鍛件經(jīng)機械加工而成,材料性能參數(shù)見表1。尺寸超差部位為渦輪軸前端花鍵處圓角,設(shè)計要求圓角半徑為1.5 mm,實測為0.6 mm。

▲圖1 渦輪軸結(jié)構(gòu)

表1 GH901高溫合金性能參數(shù)

3 數(shù)值模擬方法

應(yīng)用Unigraphics軟件建立渦輪軸三維模型,并導(dǎo)入ANSYS有限元軟件,采用20節(jié)點Solid186六面體單元進行網(wǎng)格劃分,其中單元數(shù)為1 986 640,節(jié)點數(shù)為2 992 131。采用彈塑性計算,加載方式與工作載荷一致。渦輪軸網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

▲圖2 渦輪軸網(wǎng)格劃分模型

4 靜強度對比

渦輪軸等效應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示,渦輪軸前端花鍵處圓角應(yīng)力見表2。

表2 渦輪軸圓角應(yīng)力

▲圖3 圓角半徑1.5 mm時渦輪軸等效應(yīng)力云圖

由分析可知,在設(shè)計狀態(tài)下渦輪軸最大應(yīng)力部位為通氣孔處,最大應(yīng)力為726 MPa,大于材料的屈服強度。渦輪軸工作時,孔邊產(chǎn)生塑性變形。隨著渦輪軸的使用,孔邊塑性變形損傷累積。在使用一定時間后,孔邊會發(fā)生疲勞破壞,產(chǎn)生裂紋,因此需要對渦輪油的使用壽命進行限制。前端花鍵圓角處最大應(yīng)力為604 MPa,與渦輪軸最大應(yīng)力還有一定差距。當前端圓角半徑為0.6 mm時,渦輪軸的最大應(yīng)力部位轉(zhuǎn)移至圓角部位,最大應(yīng)力為740 MPa。圓角的局部點進入塑性變形狀態(tài),成為渦輪軸的最危險部位。

5 疲勞壽命預(yù)估

以有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ),計算不同狀態(tài)渦輪軸的疲勞壽命。基于臨界平面的多軸疲勞理論,壽命評估計算式為:

▲圖4 圓角半徑0.6 mm時渦輪軸等效應(yīng)力云圖

(1)

式中:N為疲勞壽命;Δεeq為等效應(yīng)變范圍;σ′f為疲勞強度因數(shù);E為彈性模量;ε′f為疲勞延性因數(shù);b為疲勞強度指數(shù);c為疲勞延性指數(shù)。

經(jīng)計算,設(shè)計狀態(tài)下渦輪軸的低循環(huán)疲勞壽命為24 602次循環(huán),疲勞壽命限制位置為通氣孔處。圓角半徑超差至0.6 mm時,渦輪軸的低循環(huán)疲勞壽命為23 795次循環(huán)。渦輪軸的設(shè)計壽命為10 000次循環(huán),根據(jù)預(yù)估結(jié)果,渦輪軸可以安全使用。

6 渦輪軸疲勞試驗

通過試驗來確定尺寸超差渦輪軸的循環(huán)疲勞壽命,試驗件選取圓角半徑為0.6 mm的渦輪軸。

兩個試驗循環(huán)載荷加載過程如圖5所示,其中,主扭矩與軸向載荷按照工作載荷確定,振動扭矩按5%主扭矩加載。主扭矩從零到最大與軸向載荷從零到最大同步進行循環(huán),振動扭矩在每個主循環(huán)到最大載荷時加載。每個循環(huán)的試驗時間約為5 min。

試驗件共完成10 000次低周、107次高周疲勞試驗循環(huán)后,采用熒光檢驗,未發(fā)現(xiàn)裂紋,尺寸檢查結(jié)果符合要求。說明圓角半徑超差的渦輪軸可以安全使用至設(shè)計壽命。

▲圖5 試驗循環(huán)載荷加載過程

7 結(jié)束語

筆者通過有限元方法計算了設(shè)計狀態(tài)和尺寸超差狀態(tài)渦輪軸的應(yīng)力分布,對循環(huán)壽命進行了預(yù)估,并對圓角半徑超差的渦輪軸進行了扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。

設(shè)計狀態(tài)下渦輪軸的應(yīng)力最大部位為通氣孔處,最大應(yīng)力為726 MPa,已進入材料的屈服狀態(tài)。為保證材料塑性變形累積損傷不產(chǎn)生疲勞破壞,需要對渦輪軸的使用壽命進行限制。渦輪軸的預(yù)估疲勞壽命為24 602次循環(huán),渦輪軸前端圓角處應(yīng)力為604 MPa。

圓角半徑0.6 mm的渦輪軸,最大應(yīng)力產(chǎn)生在前端花鍵處圓角,最大應(yīng)力為740 MPa。圓角成為渦輪軸發(fā)生疲勞破壞的最危險部位,渦輪軸的預(yù)估疲勞壽命為23 795次循環(huán)。

根據(jù)壽命預(yù)估和試驗結(jié)果,尺寸超差的渦輪軸可以安全使用至設(shè)計壽命。