航空發動機雙合金渦輪整體葉盤結構分析及參數選取

于 晶，張 琴，歐陽志高

（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）

雙合金整體葉盤是將葉片與葉盤通過特殊工藝制成的一個整體，在航空發動機高溫高壓的渦輪部件中應用較少。它與常規采用榫頭榫槽連接的葉盤相比有轉子重量輕，氣體逸漏少，效率高，結構簡單，發動機零件數量少等優點[1]。

在發動機工作過程中，渦輪盤中心部位與邊緣部位的受力和環境狀態不同，盤轂、盤輻部位因在較低的溫度下承受大的拉應力而要求具有高強度、高塑性和高的低周疲勞性能，盤緣部位因工作溫度高、承受應力小而要求具有高的高溫蠕變抗力和斷裂韌性，因此需要同時滿足輪輻和輪緣的不同力學性能。位于流道中被燃氣包圍的葉片可選擇鑄造高溫合金，以滿足高溫環境下渦輪葉片的持久、蠕變性能要求；輪盤不直接接觸燃氣，且一般會由來自壓氣機的冷氣進行冷卻，溫度相對較低，則可選擇粉末高溫合金或鍛造合金，以滿足高屈服強度和良好的低循環疲勞性能要求。雙合金整體葉盤可以更大程度地發揮兩種合金各自的優良性能，在更大的溫度梯度與應力梯度條件下工作，很好的解決了葉盤雙性能的要求。

某型發動機渦輪應用了整體葉盤結構，整體葉環采用等軸晶鑄造高溫合金，盤體選用粉末高溫合金，兩者通過熱等靜壓（HIP）擴散連接方式焊接。為便于連接界面的加工，連接界面設計為圓柱面，為利于兩個零件的相互擴散，選擇大過盈配合。整體葉環與渦輪整體葉盤的結構如圖1、2 所示。

圖1 整體葉環圖

圖2 渦輪整體葉盤

在連接處開了細槽，并相應設置止裂孔，為避免大量的冷氣損失，在止裂孔兩頭用雙頭止裂進行封嚴。結構如圖3 所示。本文主要研究止裂孔的結構參數對雙合金渦輪盤強度的影響，并對其進行分析討論。

圖3 渦輪盤轉子組件

1 止裂孔的作用

（1）止裂作用：為補償兩種材料線膨脹系數的差異，避免在高溫下兩者接頭處產生附加熱應力，在連接處開了細槽，為防止細槽沿盤體在工作時產生開裂，設置止裂孔就起到了止裂作用。

（2）減振作用。由于雙合金葉盤的葉片和盤是一個整體，渦輪葉片沒有榫頭和緣板，無法像常規盤片分離結構那樣設計阻尼片，如果渦輪葉片振動阻尼很小，容易產生裂紋，因此在相鄰葉片根部的輪緣上沿徑向切縫，安裝雙頭止裂，由于離心載荷的作用，雙頭止裂與輪緣相互摩擦產生阻尼，從而消耗振動能量。

（3）防止轉子飛轉：航空發動機輪盤破裂將會造成很嚴重的事故，在設計渦輪盤時必須考慮如何避免此現象發生。雙合金整體葉盤增加止裂孔后，輪盤被削弱，從表1 中可以看出輪盤當量應力有所提高，但開孔后輪盤的圓柱破裂轉速低于子午破裂轉速，可以保證葉片先于輪盤破裂，防止輪盤破裂飛轉造成危險。

表1 破裂轉速對

2 止裂孔的主要結構參數

熱等靜壓擴散連接界面的直徑ΦA 大小（圖4）直接影響接頭處的離心載荷，直徑A 的選取一方面要求考慮區域溫度要求，還需考慮整體葉環焊接的工藝性及其結構強度要求。對于本論文具體的研究對象，分析認為ΦA 選定為100 mm 為宜。

雙合金整體葉盤止裂孔的主要特征參數包括孔位置h 與孔徑ΦB、線切割傾角α。具體如圖5 所示。

圖4 熱等靜壓擴散連接界面的直徑ΦA

圖5 止裂孔主要結構特征參數

3 止裂孔結構參數選取

3.1 止裂孔孔徑ΦB 的選擇

為研究止裂孔的直徑對葉片、輪盤的應力分布和破裂轉速的影響，對RA - h = 3.3 mm（RA 代表ΦA 的半徑值）位置下，不同的止裂孔孔徑Φ2、Φ2.5、Φ3、Φ3.2、Φ3.5、Φ4 進行ANSYS 有限元計算，計算結果見圖6～圖7。

圖6 止裂孔孔徑ΦB 對強度影響

圖7 應力分布圖（開孔Φ3.2mm）

計算結果顯示，隨著孔徑的增大，葉片當量應力呈線性增加，增大量有限，不超過0.5%；輪盤的當量應力與徑向應力呈先降低后增大的趨勢，在孔徑為Φ3.2 mm 附近應力達到最小，且此時圓柱破裂轉速低于子午破裂轉速，可以保障防止轉子飛轉帶來的危險。綜上所述本例中渦輪盤鉚釘孔孔徑選擇Φ3.2 mm 為宜。

3.2 止裂孔位置h 的選擇

對ΦB = 3.2 mm 時，不同止裂孔位置進行有限元計算，考慮到熱變形的作用，所以止裂孔的位置必須開在輪盤上，因此選定RA-h 分別為2.5、2.9、3.3、3.7、4.1 mm 進行計算，計算結果見圖8。

圖8 不同止裂孔位置RA-h 對強度影響

隨著RA-h 的增大，葉片的當量應力基本保持不變，輪盤的當量應力和徑向應力呈先減小后增大的趨勢，在RA-h = 3.3 mm 時達到最小，圓柱破裂轉速和子午破裂轉速都呈下降趨勢，圓柱破裂轉速下降更明顯。本例渦輪盤止裂孔位置選擇RA-h 選擇3.3 mm 為宜。

根據上述結論，可以根據止裂孔當量應力值最小，圓柱破裂轉速低于子午破裂轉速來確定止裂孔直徑以及位置。

3.3 線切割角傾角α 的選擇

線切割傾角α 在滿足包住葉片葉型的前提下，也有多種選擇，為研究其對葉片和輪盤應力的影響，對ΦB = 3.2 mm，RA-h = 3.3 mm 時不同的線切割傾角α 進行有限元計算，計算結果見圖9、圖10。

圖9 線切割傾角α 對強度影響

隨著傾角的增大，葉片的當量應力與輪盤當量應力和徑向應力均呈先下降后增大的趨勢，這是因為不同的傾角影響了葉片的質心位置，針對本模型的葉型特點，選擇傾角為14°，能保證質心偏離Y 軸最小，此時因偏離葉片質心所帶來的葉片彎矩最小。該結論對于該類型的葉片盤在設計線切割傾角α 時提供了參考，在保證可以包住葉片葉型的前提下，根據葉型選擇葉片質心偏離最小的角度作為α 角為宜。

圖10 應力分布圖（α=14°）

4 結束語

本文對某型航空發動機雙合金整體葉盤進行了結構分析，并以止裂孔的設計參數選取為例，對不同止裂孔結構參數下葉盤的強度進行了計算分析，選定了一組適宜的雙合金葉盤止裂孔結構參數，目前該雙合金渦輪盤已經完成實際加工及相應的試驗驗證，對后續該類型的整體葉片盤的設計提供了一定的參考依據。