某型航空发动机压气机轮盘定寿试验研究

鲍冬冬

摘 要：本文为了某型发动机压气机轮盘定寿，设计了定寿试验方案。该方案充分考虑了该盘在发动机上工作时的边界条件模拟以及进行了一系列的相关计算，并针对可能出现的危险情况，在此基础上对轮盘进行了相应的改制，该试验方案对定寿试验设计有一定的参考价值。

关键词：边界条件;关键部位;临界转速

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0106-02

0引言

对于航空发动机来说，轮盘是关键转动部件之一，属于耐久性关键件和断裂性关键件，轮盘的失效和破裂会直接影响到航空发动机的可靠性，从而危及到飞机和乘客的人身安全，甚至会导致灾难性的后果，而低循环疲劳则是轮盘最主要的失效模式。

在中国目前条件下，确定轮盘类关键件的安全寿命，实际上只有一种方法，国外称其为传统安全寿命法[1]。主要内容是通过成品零件的低循环疲劳试验进行定寿，主要流程是，选择典型飞行剖面，进行发动机条件下的应力分析，确定关键部位及其标准循环;确定试验方案;进行试验器条件下的应力分析，选择合适的应力系数，进行零件疲劳试验;选择散度系数，确定预定安全循环寿命和使用寿命[2]等。

1 试验方案总体设计

1.1试验简介

某型发动机压气机轮盘低循环疲劳试验方案设计要求模拟轮盘在发动机中的边界条件，并保证轮盘在完成循环次数前不发生破裂，且不产生工程裂纹。

试验将在高速试验台上进行，该设备为立式旋转试验器，包含仓盖、动力输出系统、测试系统等系統，试验件通过柔性轴与试验器相连。

1.2被试品确定

在该型发动机中，压气机是由1-9级轮盘连接在一起构成，采用有限元软件进行有限元前、后处理，对模型进行简化，接下来进行线弹性有限元计算，计算了6个工况下在瞬态温度载荷[3]与离心载荷作用下的最大当量应力，最后通过对比，选取典型的轮盘进行试验，通过图1可以看出第1级轮盘当量应力最大，最后选取压气机第1级轮盘作为被试品进行试验。

1.3关键部位确定

在旋转试验器上用离心应力模拟轮盘在发动机上的工作应力，在一般情况下，不可能同时模拟整个轮盘的应力，只能针对各关键部位进行试验。关键部位指关键件上有可能发生低循环疲劳破坏、并导致危险性发动机影响的高应力区。关键件各部位的应力飞行剖面不同，应力幅值和应力分布不同，温度和温度梯度也不同。

该型发动机轮盘有2个可能的关键部位：中心孔和偏心孔。轮盘中心孔应力水平较高，起源于中心孔的裂纹会导致轮盘失效，产生非包容的高能碎片，造成危险性影响，严重危及乘客安全，中心孔总是第一关键部位;偏心孔（即螺栓孔）为高应力区，其裂纹向内扩展可能导致轮盘破裂，因此螺栓孔应定为关键部位[4]。

1.4边界条件模拟

方案主要考虑轮盘在发动机中装配时的边界条件与总体布局，为了完全模拟轮盘在发动机工作状态下的边界条件，轮盘通过连接螺栓与试验器连接。

1.5 整体设计

1.5.1模拟件设计

在该型发动机中，第1级轮盘是通过螺栓与第2级轮盘联接在一起，且接触部分为过盈接触，故为了更好地模拟发动机上真实的工作状态，设计了模拟2级盘与其一起进行低循环疲劳试验，即采用等效方法确定模拟2级盘的外径，模拟2级盘的材料与实际第2级轮盘的材料相同，如表1所示。

模拟2级盘质量与第2级盘相当，质心位置重合，模拟2级盘几何模型及位移计算结果见图2，通过计算验证模拟2级盘与第2级盘在n1转速下螺栓孔位置径向位移均为0.215mm。

1.5.2被试品改制与转速的确定

第1级盘主要承受离心载荷及温度载荷，离心载荷以转速形式施加在整个计算模型上，温度载荷以节点温度形式施加，第1级盘计算模型有限元网格图见图3。

在以下两个工况（如表2）下计算了中心孔、偏心孔以及轮盘榫槽的当量应力（见表3）。

由表2和表3可以看出榫槽的当量应力较大，由于本试验将中心孔及偏心孔作为关键部位，所以需要对试验方案进行相应的改进，最后通过计算决定对轮盘的叶片进行改制，以降低榫槽当量应力，最后通过计算得到了方案，即配重叶片自榫头底部平面至顶端截面高度为30.0mm，可以看出榫槽的当量应力是降低了的，最后确定试验上限转速，计算结果如表4。

2 结论

试验方案充分考虑了压气机第1级轮盘的边界条件模拟，通过计算，确定被试品、关键部位、试验转速及轮盘的叶片改制，模拟了发动机真实的安装条件，并对轮盘转接件进行了强度校核，且强度满足要求。

为了模拟真实的边界条件，设计了模拟二级盘，使之与在发动机上第1级轮盘的协调变形相同。

通过计算，发现了相应的问题，最后对试验件进行了相关改制，进行正式试验后达到了满足试验目的的效果。

参考文献

[1] 钱文学，尹晓伟，谢里阳.轮盘疲劳可靠性分析的Monte-Carlo数字仿真[J].系统仿真学报，2007（1）：25-32.

[2] [英]罗尔斯·罗伊斯公司编著.斯贝MK202发动机应力标准（EGD—3）[M].丁爱祥，吴君可，译.北京：国际航空编辑部，1979.

[3] 吴学仁.航空发动机设计用材料数据手册（第三册）[M].北京：航空工业出版社，2008.

[4] 欧园霞.航空燃气涡轮发动机转子动力学设计规范[M].北京：中国航空工业第六零八研究所，2003.