BI3 CENTRIO70軸系的強度校核及試驗應用

張曉芳 高星偉 張 輝 焦俊俊 陳普飛

（陜西陜航環境試驗有限公司，西安 710299）

1 引言

超速試驗器是航空發動機渦輪或壓氣機輪盤進行超轉、破裂和低循環疲勞等試驗的重要設備，用以測試輪盤在一定轉速下的變形量和爆裂等情況[1～4]。柔性軸系作為超速試驗器的關鍵部件，在高速旋轉過程中的受力情況較為復雜，在開展試驗（尤其是破裂試驗）之前，必須對其強度進行校核，以確保試驗器的運轉平穩、安全。

本文以申克BI3 CENTRIO70 型超速試驗器的柔性軸系為研究對象，并結合某型發動機第五級整體葉盤的破裂試驗，通過ANSYS Workbench 有限元分析對其強度進行了校核，并研究分析了不平衡力對軸系強度、徑向位移的影響規律，確保了五級整體葉盤破裂試驗的安全實施。

2 BI3 CENTRIO 70 軸系結構簡介

BI3 CENTRIO70軸系主要由芯軸及連接法蘭組成。芯軸上端通過六方面與齒輪傳動系統連接，其支撐連接點可簡化為兩處剛性支點；阻尼軸承為滑動油膜軸承，裝配單邊間隙為2mm；連接法蘭的上端與限位軸承襯套間隙配合，單邊間隙為1mm，其條件接觸點簡化為支點，其下端通過連接法蘭與試驗工裝連接，裝配結構簡圖見圖1。

圖1 BI3 CENTRIO70軸系結構簡圖

3 試驗轉子的有限元分析

3.1 試驗參數

由第五級整體葉盤試驗件、陪試件1 及陪試件2組成的第五級整體葉盤試驗組件，其主要參數見表1。試驗溫度T=400℃；預設破裂轉速vp=26803r/min。

表1 第五級整體葉盤試驗組件主要參數

3.2 試驗轉子的建模

3.2.1 試驗轉子模型

由第五級整體葉盤試驗組件、轉接軸及BI3 CENTRIO70軸系組成的試驗轉子，其有限模型見圖2。第五級整體葉盤試驗組件與轉接軸之間為綁定接觸，轉接軸與BI3 CENTRIO70軸系之間為綁定接觸；限位軸承襯套與BI3 CENTRIO70軸系中的連接法蘭之間為無摩擦接觸；結合軸系的裝配關系及受力特點（即在限位軸承失效前，其柔性主軸與阻尼軸承不產生接觸），在此忽略與阻尼軸承的接觸。

圖2 試驗轉子的有限元模型

3.2.2 定義材料屬性及網格劃分

試驗轉子中第五級整體葉盤試驗件、陪試件2 及轉接軸的材料均為IN718，陪試件1 的材料為Ti17；芯軸及連接法蘭的材料均為GH80A；限位軸承襯套的材料為H62，材料的物理參數見表2。

表2 試驗條件下材料的物理參數

對試驗轉子及限位軸承襯套進行網格劃分，均采用體網格。其中第五級整體葉盤試驗件、陪試件1、陪試件2 及轉接軸的體網格單元尺寸均為6mm，在第五件整體葉盤試驗件葉片處、螺栓孔處進行局部細劃分網格，單元尺寸為1mm；芯軸、連接法蘭及限位軸承襯套的體單元尺寸均為3mm，在芯軸開槽處、連接法蘭倒角處進行局部細劃分網格，單元尺寸為0.25mm，劃分網格后如圖2所示。

3.2.3 約束與加載

試驗轉子在剛性支點1 及支點2 處設置為固定面，限位軸承襯套外表面設置為柱面固定；試驗轉子施加旋轉載荷vp=26803 r/min；試驗轉子整體施加重力加速度g=9.8m/s2；在第五級整體葉盤試驗件的質心施加徑向不平衡力F，其相位與最大徑向位移的保持一致。

3.3 靜力學分析結果

3.3.1 等效應力

第五級整體葉盤試驗件在vp=26803r/min 試驗條件下的等效應力分布云圖見圖3。第五級整體葉盤試驗件上自螺栓孔所在位置至中心孔的等效應力均超過1220MPa，高于其材料在試驗溫度下的抗拉強度值（Rm=1080MPa）；螺栓孔處均存在應力集中，最大應力為2401.5MPa，結合平均應力法及大變形法，可判定第五級整體葉盤試驗件在T=400℃，vp=26803 r/min的試驗條件下會產生破裂[5～13]。

圖3 第五級整體葉盤試驗件的等效應力

3.3.2 剪切應力

BI3 CENTRIO70軸系中的芯軸在第五級整體葉盤試驗件破裂試驗條件下的剪切應力分布云圖見圖4。由圖4a所示，芯軸上自缺口至法蘭裝配上端面間均為剪切應力集中區；其缺口處的最大剪切應力為72.102MPa，見圖4b，缺口處截面剪切應力平均值約50MPa，遠小于其材料的剪切強度[14，15]（τc=324MPa），該區域的安全系數不低于4.5。由此可見，BI3 CENTRIO70軸系（帶缺口）在第五級整體葉盤試驗件的破裂試驗條件下，不會在盤變形所引起的不平衡力作用下剪切斷裂。

圖4 芯軸的剪切應力分布云圖

芯軸在第五級整體葉盤試驗件破裂試驗條件下，當受到因試驗件破裂產生的徑向不平衡力F作用時，其缺口處截面剪切應力平均值與不平衡力F的對應關系見圖5。由圖5 可見，芯軸缺口截面上的剪切應力平均值隨著不平衡力F的增大而明顯升高。在F≥356N時，其剪切應力平均值超過其材料的剪切強度。由此預見，當第五級整體葉盤試驗件在破裂瞬間引起的不平衡力F≥356N 時，BI3 CENTRIO70軸系（帶缺口）將會在缺口處或其剪切應力集中區域出現剪切斷裂。

圖5 芯軸缺口處在不平衡力條件下的剪切應力曲線

BI3 CENTRIO70軸系中的連接法蘭在第五級整體葉盤試驗件破裂試驗條件下的應變云圖見圖6。由圖6所示，連接法蘭與限位軸承襯套處的最大徑向位移約0.9mm，小于其裝配單邊間隙1mm；軸系在缺口上段的最大徑向位移＜0.6mm，遠小于其與阻尼軸承間的裝配單邊間隙2mm。由此可見，在第五級整體葉盤試驗件的破裂試驗條件下，BI3 CENTRIO70軸系所產生的徑向位移較小，未觸碰限位軸承及阻尼軸承。

圖6 BI3 CENTRIO70軸系的應變云圖

連接法蘭在第五級整體葉盤試驗件破裂試驗條件下，當受到因試驗件破裂產生的徑向不平衡力F作用時，連接法蘭在限位軸承襯套處的最大徑向位移與不平衡力F的對應關系見圖7。由圖7 可知，連接法蘭在限位軸承襯套處的最大徑向位移隨著不平衡力F的增大而增大。在F＜200N 時，該處的最大徑向位移增大明顯，并在F≥59.6N 時，其最大徑向位移超過1mm，大于其裝配單邊間隙；在F≥200N 時，該處的最大徑向位移的增大趨向平穩，限位軸承的限位作用愈趨明顯。由此預見，當第五級整體葉盤試驗件在破裂瞬間引起的不平衡力F≥59.6N 時，BI3 CENTRIO70軸系將觸碰限位軸承；同時隨著不平衡力的增大，限位軸承的限位作用愈趨明顯。

圖7 連接法蘭在不平衡力條件下的最大徑向位移

4 破裂試驗

結合第五級整體葉盤試驗轉子的有限元分析結果，采用了BI3 CENTRIO70（帶缺口）軸系進行其破裂試驗。試驗時，試驗件通過轉接芯軸與軸系相連，在超速試驗器上為懸掛立式安裝，轉接芯軸上段配置冷卻裝置，控制軸系溫度處于常溫；試驗件置于恒溫加熱爐內，通過控溫裝置實現試驗溫度；試驗器上配置有轉速及振動傳感器，用于監測試驗件的轉速及軸系的振動值，其工作原理見圖8。

圖8 超速試驗器工作原理圖

試驗時，試驗溫度為T=(400±10)℃，當轉速逐階提升至26038+1000r/min 并保載過程中，轉子瞬間爆裂，破裂轉速為26080r/min，主軸振動值突增至245μm，試驗過程中的轉速與振動曲線，如圖9所示。

圖9 試驗過程轉速與振動曲線

整個試驗過程中，設備運轉正常；試驗結束時，軸系觸碰限位軸承并于剪切應力集中區出現剪切斷裂，上段未觸碰阻尼軸承，確保了試驗過程中的安全性，其試驗前及試驗后現場照片，見圖10。

圖10 試驗現場照片

試驗后，對BI3 CENTRIO70軸系進行外觀檢查，其芯軸于法蘭安裝上端面處出現剪切斷裂，芯軸缺口上段表面光滑，無劃痕；其法蘭在限位軸承安裝高度處存在碰傷凹痕，見圖10d，凹痕深度≤2mm。結合有限元分析結果，可見第五級整體葉盤試驗件在破裂瞬間產生的不平衡力不低于356N，BI3 CENTRIO70軸系在試驗過程中觸碰限位軸承，且未觸碰阻尼軸承，與有限元分析結果相吻合。

5 結束語

a.BI3 CENTRIO70軸系（帶缺口）在第五級整體葉盤試驗轉子的破裂轉速條件下，不會在盤變形所引起的不平衡力作用下斷裂；當試驗件破裂瞬間產生的不平衡力F≥356N 時，其缺口處的剪切應力將超過其材料的剪切強度，軸系將會在其剪切應力集中區域剪切斷裂。

b.BI3 CENTRIO70軸系（帶缺口）在第五級整體葉盤試驗轉子的破裂轉速條件下，其連接法蘭在限位軸承處的最大徑向位移小于其裝配單邊間隙。當試驗件破裂瞬間產的不平衡力F≥59.6N 時，該處的最大徑向位移超過其裝配單邊間隙，軸系將觸碰限位軸承。

c.有限元分析的基礎上，采用BI3 CENTRIO70軸系（帶缺口）進行第五級整體葉盤的破裂試驗。試驗過程中，設備運轉正常；試驗結束時，軸系觸碰限位軸承并于剪切應力集中區剪切斷裂，且未觸碰阻尼軸承，確保了試驗過程中的安全性。