某發動機渦輪盤降應力設計

段兵兵 馮 磊 張立章

（1.中國航發湖南動力機械研究所,湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0 引言

渦輪盤作為發動機的關鍵零件，工作條件惡劣，工作載荷大，設計難度較高。大量學者對渦輪盤展開了研究工作。劉延星等[1]通過有限元法研究應變速率突增條件下微觀組織的演變規律及其調控策略，結果表明，應變速率突增后，臨界應變突增，動態再結晶速度有所減緩。劉博志等[2]針對某航空發動機在工作過程中發生的渦輪盤輪緣凸塊局部異常塑性變形故障，對故障渦輪盤進行失效分析，研究了加熱溫度、時間、應力3 種因素對δ 相析出的影響規律。權立寶[3]對輪盤結構進行了優化設計，將焊接結構改為螺栓連接結構，對改進后的螺栓連接結構進行了強度校核和傳扭可靠性分析。由于對渦輪盤的性能要求越來越高，不少學者從各個方面對渦輪盤展開了優化工作[4-8]。

渦輪盤需承受較大離心力，通常情況下應力危險點位于榫槽底部和螺栓孔部位，在滿足強度設計準則的基礎上，應盡量減輕輪盤的重量，提高發動機功重比，但輪盤重量和應力水平在設計上存在矛盾。因此，有必要對結構進行優化設計，從這些矛盾中尋求最優的平衡，通過優化結構降低螺栓孔和榫槽應力，同時使重量在可接受范圍內。

1 問題及優化思路

渦輪盤主要存在兩個問題。第一，與其他成熟型號計算和試驗數據相比，渦輪盤螺栓孔、榫槽應力偏大，達到設計安全壽命存在風險。第二，由于渦輪盤輻板優化前為錐形，實際加工時必須采用五軸數銑，導致加工成本高、周期長，需要通過優化設計輻板處結構，降低成本，提高工藝性和經濟性。

渦輪盤結構優化設計方案的總體思路是在發動機總體方案不變、重量不增加或增加可接受的前提下，只優化渦輪盤局部結構；同時配合參數也不改變，確保與渦輪盤配合的對象件尺寸無需調整，從而使優化的技術風險降到最低。

2 結構優化設計與分析

2.1 螺栓孔降應力結構優化

螺栓孔應力偏大的主要原因在于離心力使螺栓孔變形，為此制定了兩種優化方案。

方案1：對螺栓孔部位進行了拓撲優化設計，得到了最適合的螺栓孔部位設計方案，螺栓孔外形重新設計優化后與優化前對比的模型見圖1。除對螺栓孔外形優化外，對輻板也進行了優化，優化前輻板截面為錐形，優化后為等厚的柱形，柱形輻板加工工藝性優于錐形。

圖1 方案1螺栓孔優化前、后局部模型對比示意圖

方案2：僅對渦輪盤輻板處的厚度加厚優化，螺栓孔外形等其余特征未改變，優化前、后截面對比示意圖見圖2。

圖2 方案2優化前（實線）、后（虛線）截面對比示意圖

2.2 螺栓孔降應力計算分析

渦輪盤材料為GH4720Li，其材料性能數據見表1，密度ρ為8140kg/m3。

表1 GH4720Li材料性能數據

渦輪盤上均布有5 個螺栓孔，結構和載荷具有循環對稱性。計算模型忽略工作葉片和榫槽后，取包含一個完整螺栓孔在內的整個渦輪轉子的1/5 循環對稱段作為計算模型，對計算模型進行網格劃分，有限元網格模型示意圖見圖3。

圖3 有限元網格模型示意圖

渦輪盤本身的離心載荷以轉速形式施加，葉片的離心載荷以面壓力形式施加在榫槽榫齒接觸面上；溫度載荷以節點溫度的形式施加，前、后擋板與輪盤的接觸力以面壓力的形式施加在對應的輪盤接觸面上。

優化前、后螺栓孔當量應力計算結果對比如表2 所示，可見優化方案1 螺栓孔最大當量應力降幅高于方案2，重量增加幅度低于方案2，且重量增加在可接受范圍內。同時，將輻板結構由錐形改為圓柱形改善了工藝性，故針對螺栓孔應力偏大問題采用方案1 進行優化。

表2 優化前后對比表

2.3 榫槽降應力結構優化

通常情況下，加大榫槽大應力區域圓弧半徑可降低應力水平，且圓弧半徑越大，榫槽當量應力越低，但加大圓弧半徑會導致輪盤重量增加，輪心離心載荷加重，進而導致輪心當量應力增大。考慮到重量、裝配和輪心部位應力的要求，單純加大圓弧半徑難以將應力降低到所要求的范圍，結合在其他型號上的應用驗證，對榫槽底部圓弧進行了結構優化，即在榫槽高應力區域采用較大的圓弧半徑，低應力區域采用較小的圓弧半徑，如圖4 所示。榫槽圓弧結構優化前、后與榫頭裝配順利，并未出現干涉現象，此外通過計算得出榫槽優化后使輪盤增重0.018kg。

圖4 榫槽結構優化前（虛線）、后（實線）對比示意

2.4 榫槽降應力計算分析

渦輪盤上均布有43 個榫槽，結構和載荷具有循環對稱性，取包含一個完整榫槽在內的整個渦輪轉子1/43 循環對稱段作為計算模型，對計算模型進行網格劃分。優化前、后榫槽當量應力計算結果見圖5，由結果可知，最大當量應力由1357MPa 降至1195MPa，降幅11.94%。

圖5 榫槽優化前、后當量應力分布

3 結論

（1）針對螺栓孔應力偏大問題，采取了兩種方案對其進行優化分析比較，其中較優的方案1 使最大當量應力由1552MPa 降至1180MPa，降幅為23.97%，同時提高了工藝性和經濟性；雖然增重0.315kg，但仍在設計要求范圍內。

（2）針對榫槽應力偏高問題，對榫槽圓弧結構進行了優化，即在高應力區域采用較大的圓弧半徑，低應力區域采用較小的圓弧半徑，結果使最大當量應力由1357MPa降至1195MPa，降幅為11.94%，重量僅增加0.018kg，很好地滿足了設計要求。