帶止動凸塊的動力渦輪工作葉片結構優化設計

于 博，張 傲，孫君君

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽）

航空發動機及燃氣輪機是一種高度復雜的熱力機械，其工作可靠性直接關系到飛行安全，體現了一個國家的科技、工業和國防實力[1-4]。渦輪葉片是航空發動機及燃氣輪機的重要零件，由于其工作環境惡劣，葉片出現失效的概率相對較高[5-6]，渦輪葉片與渦輪盤的連接形式，也是航空發動機及燃氣輪機中負荷較大的部分，在工程應用中該部分極易發生故障，因此該部分的結構設計和強度設計應十分注意。

渦輪葉片與渦輪盤安裝形式大多使用縱樹型榫頭，并利用一定的結構將渦輪葉片在渦輪盤上槽向限位，由于槽向方向相對于旋轉軸線較為平直，葉片篇離心力的槽向分力較小，因此槽向固定的設計方向是保證可靠性的基礎上結構盡可能的簡化。

本文通過某燃氣輪機動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂的故障現象，通過機理分析，有限元仿真計算，對該處結構進行了優化設計。

1 動力渦輪工作葉片安裝結構

某型燃氣輪機動力渦輪轉子結構見圖1，該轉子采用將動力渦輪級間封嚴環與盤前擋板進行一體化結構設計，主要由動力渦輪盤、動力渦輪工作葉片、前封嚴環組成。其中，動力渦輪工作葉片與動力渦輪盤通過縱樹型榫槽連接安裝，葉尖部位為鋸齒冠結構，同時設計有預扭角，以保證葉片裝配后相鄰葉冠嚙合面間相互擠壓頂緊。動力渦輪工作葉片前端（進氣端）有止動凸塊+前封嚴盤懸臂（過渡配合）槽向定位；前封嚴盤前端與渦輪盤后端通過精密螺栓連接到其它級動力渦輪盤上組成動力渦輪轉子組件。

圖1 動力渦輪葉片安裝結構

該結構的收益有：

（1） 結構簡單，便于裝配和拆分；

（2） 利用前封嚴盤連接處的結構特點，可以提供盤腔的冷卻氣冷卻葉片榫頭；

（3） 將動力渦輪級間封嚴環與盤前擋板進行一體化結構設計，最大限度降低了盤間封嚴環的應力水平，提高了結構可靠性和穩定性，達到了各級盤間軸向跨度大、轉子半徑高、控制徑向離心變形的目的。

2 故障原因及故障分析

2.1 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障

該結構動力渦輪工作葉片止動凸塊在試車后二次分解裝配時發現止動凸塊部位有部分轉接圓角處有裂紋（熒光檢查顯示）和斷裂現象，且渦輪盤榫槽與止動凸塊配合面上有不同程度的壓痕，且壓痕周向分布無規律。

2.2 理化分析

對燃機動力渦輪二級工作葉片斷裂的止動凸塊開展斷口分析，結論為瞬斷，見圖2。

圖2 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷口

開展斷裂凸塊的組織分析結果滿足相關標準的鑄造要求，斷裂部位無超出檢查要求的疏松或其他缺陷。

2.3 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障模式分析

本文根據動力渦輪工作葉片的安裝結構特點及試車情況，結合斷裂故障現象及理化分析結果開展止動凸塊斷裂故障機理分析工作，以動力渦輪葉片承載能力不足、載荷過大等兩個直接可能原因，最終列出15 種可能的止動凸塊斷裂故障模式，見圖3。

圖3 葉片凸塊斷裂故障模式分析圖

對15 種止動凸塊斷裂故障模式進行分析，通過對該處結構的設計、強度、選材、裝配、生產、試車過程全方位的分析和復查，無法排除止動凸塊局部壁厚不足、止動凸塊圓角過小、封嚴環與葉片配合緊度過大、加尺寸超差4 種斷裂故障模式。

通過動力渦輪盤上的壓痕情況判斷，動力渦輪工作葉片上的止動凸塊與盤端面存在擠壓，壓痕由盤片組件裝配時擋板對突出盤端面的葉片施加軸向載荷所產生。同時，動力渦輪工作葉片上的止動凸塊自身可能存在強度儲備偏低的可能。在較大軸向載荷作用下出現斷裂和裂紋。經檢測表明，止動凸塊轉接圓角加工粗糙度超過設計要求，部分轉接圓角加工超差，進一步降低了該處的承載能力。

2.4 動力渦輪工作葉片止動凸塊有限元分析

根據故障樹機理分析得出的動力渦輪盤前封嚴環與葉片榫頭端面裝配時為軸向過盈狀態，裝配緊度較大，以及動力渦輪工作葉片強度儲備較低的兩種問題原因，對該結構進行有限元分析。冷態裝配狀態下，葉片處于非完全定位狀態，因此，在有限元分析時，引入50 r/min 的離心載荷，離心載荷不會在止動凸塊處產生附加應力，但可使得輪盤輪緣凸塊工作面和葉片榫頭工作面處于壓緊狀態，解決計算中的穩定性問題。

動力渦輪工作葉片榫頭端面與止動凸塊接觸面的加工初始公差，強度分析時考慮極限狀態，葉片榫頭端面與止動凸塊的初始公差給定為0.05 mm，對葉片止動凸塊進行裝配應力分析，分析模型見圖4，止動凸塊軸向應力分布見圖5，分析結果表明：在裝配狀態，動力渦輪工作葉片榫頭端面與止動凸塊接觸面過盈0.05 mm時，工作葉片止動凸塊處軸向應力最大為904 MPa，接近材料極限強度（1 180 MPa），該裝配應力水平偏高。

圖4 分析模型示意圖

圖5 止動凸塊處軸向應力分布

2.5 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂原因

綜合以上分析，動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂的主要原因是：

（1） 動力渦輪二級盤前封嚴環與葉片榫頭端面裝配時為軸向過盈狀態，且裝配緊度較大；止動凸塊設計轉角尺寸偏小、局部壁厚較薄，強度儲備較低，在較大軸向載荷的作用下發生斷裂；

（2） 止動凸塊轉接圓角表面加工質量超出設計要求，進一步降低了該處的承載能力。

3 動力渦輪工作葉片安裝方式優化設計

3.1 軸向安裝緊度優化設計

針對故障原因分析結論及有限元分析結果，優化設計主要方向為改善動力渦輪工作葉片與動力渦輪盤、前封嚴環裝配軸向緊度關系，使動力渦輪工作葉片端面與盤前封嚴環形成間隙配合，消除裝配預緊力，見圖6。

圖6 裝配關系改進對比示意圖

3.2 工作葉片止動凸塊強度儲備優化設計

對工作葉片止動凸塊的設計結構進行調整，提高止動凸塊部位的強度儲備也是優化設計的方向之一，見圖7。

圖7 葉片止動凸塊結構優化對比示意圖

3.3 需考慮到的其它因素

除上述因素外，還需考慮到在葉片的加工制造和發動機裝配時，還要監控以下可能造成葉片止動凸塊發生斷裂的影響因素：

（1） 應加強控制動力渦輪工作葉片止動凸塊圓角表面加工質量，保證該處的粗糙度的設計要求。

（2） 動力渦輪工作葉片使用銅錘敲擊的方式裝入渦輪盤中，裝配時應注意銅錘敲擊的力度及敲擊位置，避免銅錘直接對葉片止動凸塊施力，在裝配過程中發生損傷。

3.4 優化設計后葉片止動凸塊有限元分析

對結構改進后工作葉片止動凸塊進行裝配應力有限元分析，止動凸塊軸向應力分布見圖8。分析結果表明，改進后二級工作葉片止動凸塊處軸向應力最大為231 MPa，該裝配應力水平較低。與原方案相比，改進掛鉤結構承載能力明顯提升，見表1。

圖8 止動凸塊處軸向應力分布

表1 裝配狀態止動凸塊強度分析對比

4 結論

本文通過對動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障的機理分析及有限元分析, 對動力渦輪工作葉片安裝結構進行了改進，經故障樹方法分析總結出一套動力渦輪工作葉片安裝結構優化設計方法，該方法包含控制動力渦輪葉片與動力渦輪盤、封嚴環裝配軸向緊度的優化，提高葉片止動凸塊部位的強度儲備，同時還包含在發動機制造、裝配和分解過程中需要給予重點關注的部位。目前該方法已成功應用在國內自主研制的燃氣輪機動力渦輪工作葉片的結構設計中，累積試車千余小時，沒有再發生止動凸塊斷裂及裂紋故障，證明本方法是切實可行的。