某型航空發動機整體葉盤強度分析*

劉 濤，鄧 強，劉 源，龍 超

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 引言

葉盤是發動機的核心部件，它的性能水平對發動機的可靠性和安全性具有決定性的影響。隨著航空發動機推重比的提高，導致葉盤的負荷越來越大，對葉盤工作溫度、轉速、性能的要求越來越高。隨著第四代戰斗機的出現，開始采用整體葉盤結構，其優點是省去了榫頭減小了輪緣載荷、有效地減輕了葉盤的重量，可以增加發動機的推重比和改善冷卻效果，提高發動機的效率［1－3］。

國內外對發動機葉盤強度問題展開了大量的研究工作，特別是美國在1980年后隨著HOST計劃的推進，在提高渦輪葉盤等熱端部件耐久性和可靠性方面取得了豐碩成果［4－5］;我國在 80年代后對發動機熱端部件展開的研究工作，也取得了一定的成果［6－8］?，F如今隨著對發動機推重比要求的提高，渦輪葉盤研究的一大趨勢是既要保證葉盤的高強度又要降低葉盤的質量［1］?；诖?，筆者以質量更輕的整體葉盤為研究對象，對兩種不同斷面結構的整體葉盤的強度進行綜合分析，該計算對整體葉盤的結構設計具有借鑒意義。

1 計算模型的建立

1.1 葉盤的結構特點

基于預先研究的某型航空發動機上的整體葉盤，該整體葉盤上共有30片葉片，省去了榫頭連接形式，葉片通過先進焊接技術與渦輪盤連接在一起，渦輪盤中心開有一個孔，作為冷卻氣流流通用。忽略葉—盤焊接處的局部影響，在UG中建立實心葉盤模型，如圖1(a)所示。將UG中建立的葉盤模型導入ABAQUS中，采用四節點線性四面體單元對模型進行離散，得到葉盤的有限元模型，如圖1(b)所示。由于葉盤模型形狀不規則需要手工劃分網格，來防止所分網格包含奇異角單元，在計算過程中造成剛度矩陣奇異，導致計算失敗。

按質量更輕準則［1］，對實心葉盤的斷面進行優化，得到空心葉盤，優化后的空心葉盤和實心葉盤的斷面結構對比，如圖2所示。

圖1 整體葉盤計算模型

圖2 實心、空心葉盤斷面結構

1.2 葉盤的材料參數

葉盤的材料是某高溫合金，它是以鎳－鉻為機體并添加其它元素形成彌散強化的合金，在高溫下具有足夠的強度［9］，在各溫度下材料的彈性模量、泊松比、線膨脹系數、強度極限和密度等性能參數，如表1。

表1 某型高溫葉盤材料力學性能參數

1.3 邊界條件與計算載荷

(1)邊界條件 采用整體葉盤進行分析計算時，整個葉盤受到剛體約束，為防止葉盤軸向發生剛體位移，還需要對葉盤中心孔處的節點進行軸向約束。

(2)載荷施加 發動機工作時，葉盤承受的載荷主要有自身的離心力載荷、溫度梯度載荷，氣動載荷、葉盤振動時產生的振動載荷［3］。而其中氣動載荷和振動載荷數據比較有限，對葉盤強度影響不大，所以在葉盤強度計算時，主要考慮離心載荷和溫度載荷的影響。

本型整體葉盤的設計轉速為10 000 r/min(即1 046.67 rad/s)，葉盤自身離心載荷以角速度的形式施加在整個計算模型上，加載后的模型離心載荷分布，如圖3所示。

通過經驗公式與實驗數據相擬合，得到與半徑相關的溫度梯度載荷表達式為:

式中:r為葉盤半徑，其溫度載荷分布如圖4所示。

圖3 離心載荷分布

圖4 溫度載荷分布

2 葉盤應力計算與分析

2.1 單溫度載荷作用下的應力計算

單溫度場作用下實心整體葉盤和空心整體葉盤的等效應力分布如圖5所示。

計算結果表明，在單溫度場作用下，當葉緣溫度高于盤心溫度時，由溫度梯度引起的熱應力，實心整體葉盤和空心整體葉盤均沿半徑方向由外向內逐漸擴大，并在中心孔某位置處達到最大值，實心葉盤和空心葉盤等效熱應力最大值分別為959.2 MPa和1 000 MPa。

圖5 單溫度場作用下的等效應力分布云圖

2.2 單離心載荷作用下的應力計算

單離心力作用下實心整體葉盤和空心整體葉盤的等效應力分布如圖6所示。

圖6 單離心載荷作用下的等效應力分布云圖

計算結果表明，在單離心載荷作用下實心整體葉盤和空心整體葉盤，沿半徑方向的等效應力變化趨勢相同，均出現峰值波動，在葉緣和中心孔處應力值最低，應力沿半徑方向由外向內，在葉片部位應力逐漸增大，到盤體部位在逐漸減小后又增大，到中心孔附近再逐漸減小。不同的是實心葉盤應力最大值出現在葉－盤結合處，大小為565.3 MPa，而空心葉盤的應力最大值出現在空腔位置處，大小為791.2 MPa。

2.3 離心力和溫度場耦合作用下的應力計算

在離心力和溫度場耦合作用下，實心葉盤和空心葉盤的等效應力分布如圖7所示。應力－半徑變化曲線如圖8所示。

圖7 等效應力分布云圖

圖8 應力－半徑變化曲線圖

計算結果表明，無論是實心葉盤還是空心葉盤，葉緣處的應力水平都是最低的，而在葉－盤結合處，應力具有較高的水平，在制造時應注意葉－盤結合部的強度要求，該處對焊接技術要求極高，因為既要滿足接合部位的強度要求，又要保證焊接過程中不發生重熔現象而影響壽命，這正是整體葉盤相較于傳統渦輪制造工藝復雜的原因。實心整體葉盤的最大應力發生在中心孔處，其最大應力值1 056 MPa?？招恼w葉盤的最大應力發生在中心孔和空腔部位，其最大應力值為1 081 MPa，所以在設計過程中要特別重視中心孔處的強度分析，對于空心葉盤還須注意空腔部位的強度需求。

從應力－半徑變化曲線圖可以看出，實心整體葉盤和空心整體葉盤，均滿足工作溫度下合金材料屈服極限和強度極限的要求。結構優化后的空心葉盤與實心葉盤相比，除了質量更輕之外，在中心孔附近區域的應力值也有所下降，提高了葉盤中心孔這一應力最大區域的可靠性，進一步表明了優化后空心葉盤的結構更為合理。

3 結論

(1)整體葉盤應力水平低，能夠滿足葉盤強度要求;與實心整體葉盤相比，質量更輕的空心葉盤性能更優，對提高發動機的功率效果更加明顯。

(2)由于葉盤溫度分布不均勻，具有較大的溫度梯度，產生了較大的熱應力，在計算過程中不可忽略溫度的影響。

(3)實心葉盤最大應力集中發生在渦輪盤中心孔處;空心葉盤最大應力集中發生在空腔部位及中心孔處，因此在設計過程中要重視對最大應力集中部位的強度計算。

(4)與實心葉盤相比，結構優化后，質量更輕的空心葉盤，在同一工作載荷下能夠滿足工作強度的要求，且在中心孔附近區域的應力值也有所下降，提高了葉盤中心孔這一應力最大區域的可靠性。

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