某型航空發動機壓氣機輪盤定壽試驗研究

鮑冬冬

摘 要：本文為了某型發動機壓氣機輪盤定壽，設計了定壽試驗方案。該方案充分考慮了該盤在發動機上工作時的邊界條件模擬以及進行了一系列的相關計算，并針對可能出現的危險情況，在此基礎上對輪盤進行了相應的改制，該試驗方案對定壽試驗設計有一定的參考價值。

關鍵詞：邊界條件;關鍵部位;臨界轉速

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0106-02

0引言

對于航空發動機來說，輪盤是關鍵轉動部件之一，屬于耐久性關鍵件和斷裂性關鍵件，輪盤的失效和破裂會直接影響到航空發動機的可靠性，從而危及到飛機和乘客的人身安全，甚至會導致災難性的后果，而低循環疲勞則是輪盤最主要的失效模式。

在中國目前條件下，確定輪盤類關鍵件的安全壽命，實際上只有一種方法，國外稱其為傳統安全壽命法[1]。主要內容是通過成品零件的低循環疲勞試驗進行定壽，主要流程是，選擇典型飛行剖面，進行發動機條件下的應力分析，確定關鍵部位及其標準循環;確定試驗方案;進行試驗器條件下的應力分析，選擇合適的應力系數，進行零件疲勞試驗;選擇散度系數，確定預定安全循環壽命和使用壽命[2]等。

1 試驗方案總體設計

1.1試驗簡介

某型發動機壓氣機輪盤低循環疲勞試驗方案設計要求模擬輪盤在發動機中的邊界條件，并保證輪盤在完成循環次數前不發生破裂，且不產生工程裂紋。

試驗將在高速試驗臺上進行，該設備為立式旋轉試驗器，包含倉蓋、動力輸出系統、測試系統等系統，試驗件通過柔性軸與試驗器相連。

1.2被試品確定

在該型發動機中，壓氣機是由1-9級輪盤連接在一起構成，采用有限元軟件進行有限元前、后處理，對模型進行簡化，接下來進行線彈性有限元計算，計算了6個工況下在瞬態溫度載荷[3]與離心載荷作用下的最大當量應力，最后通過對比，選取典型的輪盤進行試驗，通過圖1可以看出第1級輪盤當量應力最大，最后選取壓氣機第1級輪盤作為被試品進行試驗。

1.3關鍵部位確定

在旋轉試驗器上用離心應力模擬輪盤在發動機上的工作應力，在一般情況下，不可能同時模擬整個輪盤的應力，只能針對各關鍵部位進行試驗。關鍵部位指關鍵件上有可能發生低循環疲勞破壞、并導致危險性發動機影響的高應力區。關鍵件各部位的應力飛行剖面不同，應力幅值和應力分布不同，溫度和溫度梯度也不同。

該型發動機輪盤有2個可能的關鍵部位：中心孔和偏心孔。輪盤中心孔應力水平較高，起源于中心孔的裂紋會導致輪盤失效，產生非包容的高能碎片，造成危險性影響，嚴重危及乘客安全，中心孔總是第一關鍵部位;偏心孔（即螺栓孔）為高應力區，其裂紋向內擴展可能導致輪盤破裂，因此螺栓孔應定為關鍵部位[4]。

1.4邊界條件模擬

方案主要考慮輪盤在發動機中裝配時的邊界條件與總體布局，為了完全模擬輪盤在發動機工作狀態下的邊界條件，輪盤通過連接螺栓與試驗器連接。

1.5 整體設計

1.5.1模擬件設計

在該型發動機中，第1級輪盤是通過螺栓與第2級輪盤聯接在一起，且接觸部分為過盈接觸，故為了更好地模擬發動機上真實的工作狀態，設計了模擬2級盤與其一起進行低循環疲勞試驗，即采用等效方法確定模擬2級盤的外徑，模擬2級盤的材料與實際第2級輪盤的材料相同，如表1所示。

模擬2級盤質量與第2級盤相當，質心位置重合，模擬2級盤幾何模型及位移計算結果見圖2，通過計算驗證模擬2級盤與第2級盤在n1轉速下螺栓孔位置徑向位移均為0.215mm。

1.5.2被試品改制與轉速的確定

第1級盤主要承受離心載荷及溫度載荷，離心載荷以轉速形式施加在整個計算模型上，溫度載荷以節點溫度形式施加，第1級盤計算模型有限元網格圖見圖3。

在以下兩個工況（如表2）下計算了中心孔、偏心孔以及輪盤榫槽的當量應力（見表3）。

由表2和表3可以看出榫槽的當量應力較大，由于本試驗將中心孔及偏心孔作為關鍵部位，所以需要對試驗方案進行相應的改進，最后通過計算決定對輪盤的葉片進行改制，以降低榫槽當量應力，最后通過計算得到了方案，即配重葉片自榫頭底部平面至頂端截面高度為30.0mm，可以看出榫槽的當量應力是降低了的，最后確定試驗上限轉速，計算結果如表4。

2 結論

試驗方案充分考慮了壓氣機第1級輪盤的邊界條件模擬，通過計算，確定被試品、關鍵部位、試驗轉速及輪盤的葉片改制，模擬了發動機真實的安裝條件，并對輪盤轉接件進行了強度校核，且強度滿足要求。

為了模擬真實的邊界條件，設計了模擬二級盤，使之與在發動機上第1級輪盤的協調變形相同。

通過計算，發現了相應的問題，最后對試驗件進行了相關改制，進行正式試驗后達到了滿足試驗目的的效果。

參考文獻

[1] 錢文學，尹曉偉，謝里陽.輪盤疲勞可靠性分析的Monte-Carlo數字仿真[J].系統仿真學報，2007（1）：25-32.

[2] [英]羅爾斯·羅伊斯公司編著.斯貝MK202發動機應力標準（EGD—3）[M].丁愛祥，吳君可，譯.北京：國際航空編輯部，1979.

[3] 吳學仁.航空發動機設計用材料數據手冊（第三冊）[M].北京：航空工業出版社，2008.

[4] 歐園霞.航空燃氣渦輪發動機轉子動力學設計規范[M].北京：中國航空工業第六零八研究所，2003.