一種在渦輪盤心處開環槽的結構方案設計

楊晶

摘 要：航空發動機的渦輪盤是變厚盤，渦輪盤內徑處的軸向寬度大，外徑處的軸向寬度小。渦輪盤在高速旋轉過程中，會產生很大的離心載荷，需要渦輪盤自身承載相應離心載荷。由于渦輪盤是空心盤，在渦輪盤內徑處只有周向應力承受整個渦輪盤和渦輪葉片的離心載荷。內徑處的周向應力非常大，而且周向應力在軸向的分布也不均勻，呈現中間大，兩端小的現象。如果在渦輪盤中心孔的位置開盤心環槽，通過計算發現開合適尺寸的盤心環槽能降低中心孔處的最大周向應力，同時提高兩端的周向應力，使應力分布均勻，材料利用率提高，而且開槽能降低渦輪盤的重量。

關鍵詞：航空發動機渦輪盤 盤心環槽 減重

中圖分類號：V235.13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0094-03

A Design of Ring Slot at the Bore of Turbine Disc

Yang Jing

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，200436，China）

Abstract：The thickness of turbine disk is variable， the width at bore of the turbine disk is greater and the width at rim of the turbine disk is less. The turbine disk withstand the centrifugal stress which generated when the turbine disk works at high rotating speed. At the bore of disk， circumferential stress withstand the whole centrifugal load， the stress is enormous and variable along with axis of the disk which at the end is the minimum， at the right in the middle is the maximum. Ring slot at the bore of the disk can reduce the maximum circumferential stress and increase the minimum circumferential stress at the end of the axis of the disk. So the utilization rate of material can be improved and the weight of the disk can be reduced.

Key Words：Aero-engine turbine disk；Ring slot；Weight reduction

現代航空發動機渦輪盤在工作過程中高速旋轉，渦輪葉片和渦輪盤產生很大的離心載荷，旋轉產生的離心載荷需要渦輪盤自身來承載。從輪盤外緣沿著半徑向內緣的方向，離心載荷越來越大，越靠近盤中心孔區域所受載荷越大，因此實際輪盤不可能是等厚度的，而且在盤心處，盤心厚度最大。通過計算發現，輪盤沿著軸向的應力分布是不均勻的，如圖1所示，A—B—C是輪盤中心孔的最大半徑處，當渦輪盤在高速旋轉過程中，輪盤沿著A—B—C方向的應力分布是不均勻的，理論上分析此處只有周向應力，因此周向應力沿著A—B—C方向的分布是不均勻的。其中周向應力分布的特點為：B點的周向應力最大，沿著A—B—C的方向，越往兩端，周向應力越小，并且在A點和C點的周向應力達到最小值。在盤心處開環槽能改善應力的分布，降低B點的周向應力，提高A，C兩點的周向應力，該文主要探討盤心環槽的深度與寬度對應力分布的影響。

1 渦輪盤的建模和溫度場的分布

1.1 建模

參考一般的真實渦輪盤尺寸和渦輪盤的溫度場分布，建立一個渦輪盤模型，并且定義該輪盤的溫度場。再針對該渦輪盤的尺寸和溫度場，在渦輪盤中心開盤心環槽，來研究盤心環槽對周向應力的影響。圖2是渦輪盤的橫截面圖，渦輪盤內徑處的中心孔的半徑R2=60 mm，渦輪盤中心孔沿著軸線的寬度L1=100 mm，R1是輪盤的外徑，R1=300 mm。渦輪盤的材料采用FGH96粉末高溫合金。渦輪盤旋轉速為11 000 r/min。假定渦輪盤上的渦輪葉片在高速旋轉時，給渦輪盤外徑邊緣的離心載荷為100 MPa。

1.2 溫度場分布

一般渦輪盤在實際工作過程中，由于氣流冷卻等其他因素的影響，渦輪盤的溫度不可能是線性分布[3][4]。根據經驗假設渦輪盤的溫度沿著徑向呈四次方分布[5]，分布規律如以下公式：

TR=T0+Cm（Rm-R2m）

式中，T0為R=R2處的溫度；m為狀態參數，因為渦輪盤呈四次方分布，所以m=4，Cm為對應于m狀態下的溫升率。根據實際經驗，假定渦輪盤外緣的溫度為680 ℃，渦輪盤內緣處的溫度為380 ℃。將外徑與外徑處的溫度代入上述公式中，可以計算得到：C4=3.71×104（℃/m4）。所以溫度分布按公式：

TR=380+3.71×104×（R4-0.064）

2 無盤心環槽時，渦輪盤內徑處的周向應力沿軸線方向的分布

根據以上描述的渦輪盤尺寸和渦輪盤溫度場的分布，在ANSYS中進行計算，計算得到的渦輪盤在沒有盤心環槽時，渦輪盤內徑處的周向應力沿軸線的分布如圖3所示。

3 渦輪盤心環槽對渦輪盤中心孔處周向應力的影響

3.1 盤心環槽的尺寸

渦輪處盤心環槽的尺寸由兩個主要參數決定，如圖4所示，D為環槽的深度，L3為環槽的寬度。在該文中，D/L2為環槽的深度，L3/L4為環槽的寬度，分別針對環槽的深度和寬度開了4種方案的環槽形狀。具體方案見表1。

3.2 盤心環槽對渦輪盤中心孔處的應力分布影響

圖5所描述的是，同一個渦輪盤在相同工況下，不同尺寸的盤心環槽對渦輪盤中心孔處的周向應力沿著軸向分布的影響曲線圖。case0是沒有盤心環槽的曲線圖，從圖中可以看出，4種盤心環槽的方案都能提高渦輪盤中心孔處的最低周向應力值。而caes1、case3、case4都能降低渦輪盤中心孔處的最大周向應力值。而case1和case4已經改變了渦輪盤的最大周向應力發生的位置，沒有盤心環槽的渦輪盤最大周向應力在渦輪盤軸向的對稱面上，但case1和case4的最大周向應力值的位置沿著軸向方向向兩側移動了。從case1可以看出，當盤心環槽的寬度較小時，盤心環槽不僅不能改善渦輪盤中心孔處的周向應力分布，反而會增大最大周向應力。因此盤心環槽的寬度和深度要在一定的比例之內才能起到改善周向應力的效果，見表2。

3.3 盤心環槽對渦輪盤外緣榫槽底部應力影響

渦輪葉片與渦輪盤是通過榫槽連接的，因此渦輪盤的外緣有榫槽結構，而且渦輪的工作環境導致渦輪盤的中心孔處溫度低，渦輪盤外緣溫度高。因此由溫度不均勻導致的榫槽底部受壓，渦輪盤中心孔處受拉，在盤心開環槽之后，能有效降低渦輪盤中心的拉應力，從而降低榫槽底部的壓應力，進一步改善了整個渦輪盤的受力情況。

4 結論

該文以變厚渦輪盤為研究對象，在渦輪盤的中心孔處開盤心環槽之后，針對不同尺寸的環槽對渦輪盤應力分布的影響，得出的研究結論如下。

（1）在渦輪盤上開合適尺寸的盤心環槽后，能降低渦輪盤中心孔處的最大拉應力，同時可以提高中心孔兩端的最小拉應力，改善應力的分布，從而有可能提高輪盤的壽命。

（2）盤心環槽的深度與寬度應該在一定的比例以內，否則有可能導致最大應力的位置轉移，而且還有可能提高中心孔處的最大拉應力。

（3）因為渦輪盤存在很大的溫度應力，通過分析，在渦輪盤上開合適尺寸的盤心環槽之后，不僅能改善中心孔處的應力分布，還能改善渦輪盤外緣榫槽底部的壓應力。

（4）盤心環槽不僅能改善渦輪盤的應力分布，還能降低渦輪盤的重量。

參考文獻

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