第41卷第1期航空发动机
Vol.41No. 1粉末合金轮盘关键部位多圆弧转接降应力研究
万江艳
（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）
摘要：为了验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘低循环疲劳寿命，在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验。在试验过程中有轮缘凸块和配重块断裂飞出，导致试验失败，得出该低循环疲劳试验故障的主要原因是裂纹起始部位的局部应力偏高。通过建立故障部位的单圆弧、双圆弧和3圆弧局部模型进行有限元计算，研究了转接圆角处的应力与转接圆角半径的关系。研究结果表明：采用3圆弧转接方法对粉末合金涡轮盘寿命考核部位进行改进设计是最佳方案，降低了轮盘考核部位应力，提高了轮盘寿命，并通过了试验验证。
关键词：涡轮盘；粉末合金；低循环疲劳；多圆弧转接；第1主应力；当量应力；航空发动机中图分类号：V231.91
文献标识码：A
doi ：10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.011
Analysis of Stress Reducing on Powder Metallurgy Turbine Disk Using Multi-arcs Method
WAN Jiang-yan
( AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute, Shenyang 110015,China )
Abstract:In order to verify the low cycle fatigue (LCF)life of powder metallurgical turbine disk for an aeroengine, the LCF life experiment of turbine rotor was performed on the spin tester. The failure of test was due to the flange and counterweight fracture, and the intense local stress of the crack starting position resulted in the LCF life failure. The finite element calculation was conducted by building the single, double and multi-arcs of failure parts, and the relationship between the stress and radius of arcs was studied. The results show that the powder metallurgical turbine was improved using the multi-arcs method. It is the best mothod to reduce the turbine stress, which improved the turbine life, and the turbine passed the testing verification.
Key words:turbine disk; powder metallurgy; low cycle fatigue; multi-arcs; first principle stress; equivalent stress; aeroengine
0引言
轮盘是航空发动机的最关键部件之一，据美国对民用燃气涡轮发动机的统计，所有轮盘和绝大多数轮缘的破裂均属于非包容性故障，可导致灾难性的后果。轮盘破裂转速预测方法[1-4]用于轮盘静强度设计，确保轮盘在规定的超转转速下的变形在允许范围内，在规定的破裂转速下不被破坏[5]。在工作中轮盘的失效往往是由疲劳强度储备不足引起的，国内外学者在轮盘疲劳寿命研究领域开展了大量工作[6-17]。提高轮盘寿命的最有效方法是降低关键部位的局部应力。就国内外统计资料看，所有轮盘破裂均属于非包容性故
障，轮盘破裂后的碎块能够打穿发动机机匣，可能切断油路，破坏操作系统或击穿油箱，造成机毁人亡的严重后果。
为验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘[18-19]低循环疲劳寿命，在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验，并用电炉加热方法模拟轮盘在发动机工作状态下的温度及温度分布，叶片的离心载荷用配重块模拟。试验的峰值转速为发动机最高工作转速，为设计点转速的1.025倍，谷值转速1500r/min。试验尚未达到目标循环数时，涡轮盘上有5个轮缘凸块断裂飞出，6个配重块飞出。经断口分析认为断口源区没有冶金缺陷，断口性质为疲劳破坏。故障的主
收稿日期：2013-12-16
作者简介：万江艳（1973），女，工程师，从事航空发动机强度设计工作；E-mail ：[email protected]。
第41卷第1期航空发动机
Vol.41No. 1粉末合金轮盘关键部位多圆弧转接降应力研究
万江艳
（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）
摘要：为了验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘低循环疲劳寿命，在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验。在试验过程中有轮缘凸块和配重块断裂飞出，导致试验失败，得出该低循环疲劳试验故障的主要原因是裂纹起始部位的局部应力偏高。通过建立故障部位的单圆弧、双圆弧和3圆弧局部模型进行有限元计算，研究了转接圆角处的应力与转接圆角半径的关系。研究结果表明：采用3圆弧转接方法对粉末合金涡轮盘寿命考核部位进行改进设计是最佳方案，降低了轮盘考核部位应力，提高了轮盘寿命，并通过了试验验证。
关键词：涡轮盘；粉末合金；低循环疲劳；多圆弧转接；第1主应力；当量应力；航空发动机中图分类号：V231.91
文献标识码：A
doi ：10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.011
Analysis of Stress Reducing on Powder Metallurgy Turbine Disk Using Multi-arcs Method
WAN Jiang-yan
( AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute, Shenyang 110015,China )
Abstract:In order to verify the low cycle fatigue (LCF)life of powder metallurgical turbine disk for an aeroengine, the LCF life experiment of turbine rotor was performed on the spin tester. The failure of test was due to the flange and counterweight fracture, and the intense local stress of the crack starting position resulted in the LCF life failure. The finite element calculation was conducted by building the single, double and multi-arcs of failure parts, and the relationship between the stress and radius of arcs was studied. The results show that the powder metallurgical turbine was improved using the multi-arcs method. It is the best mothod to reduce the turbine stress, which improved the turbine life, and the turbine passed the testing verification.
Key words:turbine disk; powder metallurgy; low cycle fatigue; multi-arcs; first principle stress; equivalent stress; aeroengine
0引言
轮盘是航空发动机的最关键部件之一，据美国对民用燃气涡轮发动机的统计，所有轮盘和绝大多数轮缘的破裂均属于非包容性故障，可导致灾难性的后果。轮盘破裂转速预测方法[1-4]用于轮盘静强度设计，确保轮盘在规定的超转转速下的变形在允许范围内，在规定的破裂转速下不被破坏[5]。在工作中轮盘的失效往往是由疲劳强度储备不足引起的，国内外学者在轮盘疲劳寿命研究领域开展了大量工作[6-17]。提高轮盘寿命的最有效方法是降低关键部位的局部应力。就国内外统计资料看，所有轮盘破裂均属于非包容性故
障，轮盘破裂后的碎块能够打穿发动机机匣，可能切断油路，破坏操作系统或击穿油箱，造成机毁人亡的严重后果。
为验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘[18-19]低循环疲劳寿命，在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验，并用电炉加热方法模拟轮盘在发动机工作状态下的温度及温度分布，叶片的离心载荷用配重块模拟。试验的峰值转速为发动机最高工作转速，为设计点转速的1.025倍，谷值转速1500r/min。试验尚未达到目标循环数时，涡轮盘上有5个轮缘凸块断裂飞出，6个配重块飞出。经断口分析认为断口源区没有冶金缺陷，断口性质为疲劳破坏。故障的主
收稿日期：2013-12-16
作者简介：万江艳（1973），女，工程师，从事航空发动机强度设计工作；E-mail ：[email protected]。