航空发动机涡轮轴尺寸超差影响的分析

□ 张江伟 □ 沈 晨 □ 杜智博

中国航发西安航空发动机有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空发动机涡轮轴是航空发动机传递扭矩的主要部件之一,涡轮轴结构设计的好坏直接影响涡轮能否正常工作,并影响航空发动机的整体性能。涡轮轴工作环境较为恶劣,承受极复杂的外载荷,包括扭矩、弯矩、轴向力、横向力、振动等。涡轮轴失效,会导致非常严重的后果。国外曾发生过多起航空发动机涡轮轴断裂故障,导致飞行事故或人员伤亡。1987年,波兰一架伊尔-76客机发生涡轮轴折断故障,机上183人全部遇难。普惠公司的JT8D航空发动机由于涡轮轴折断故障,在1969至1990年间共引发28起事故。

涡轮轴结构和可靠性具有高要求,涡轮失效引起的后果严重。很多学者针对涡轮轴的结构设计和强度进行了大量研究工作。涡轮轴几何形状复杂,又承受复合载荷,因此仅依靠应力应变分析和材料试验方法,不能准确确定涡轮轴的疲劳寿命。所以,全尺寸涡轮轴的疲劳寿命试验仍是确定涡轮轴疲劳寿命的主要方法。世界各国军用航空发动机规范对涡轮轴疲劳寿命的要求不尽相同,进行试验验证的设备和方法也各异。英国军用航空发动机通用规范明确规定,用于疲劳试验的标准循环载荷应该是从零到最大扭矩再回到零的循环。笔者针对某型航空发动机涡轮轴尺寸超差,需要对其循环寿命进行预估这一实际工程问题,通过有限元计算、循环寿命估算、低循环疲劳试验,给出尺寸超差涡轮轴的使用意见。

2 研究对象

某型航空发动机涡轮轴结构如图1所示,工作载荷扭矩为14 970 N·m,轴向载荷为66 723.30 N。涡轮轴由GH901高温合金锻件经机械加工而成,材料性能参数见表1。尺寸超差部位为涡轮轴前端花键处圆角,设计要求圆角半径为1.5 mm,实测为0.6 mm。

▲图1 涡轮轴结构

表1 GH901高温合金性能参数

3 数值模拟方法

应用Unigraphics软件建立涡轮轴三维模型,并导入ANSYS有限元软件,采用20节点Solid186六面体单元进行网格划分,其中单元数为1 986 640,节点数为2 992 131。采用弹塑性计算,加载方式与工作载荷一致。涡轮轴网格划分模型如图2所示。

▲图2 涡轮轴网格划分模型

4 静强度对比

涡轮轴等效应力云图如图3、图4所示,涡轮轴前端花键处圆角应力见表2。

表2 涡轮轴圆角应力

▲图3 圆角半径1.5 mm时涡轮轴等效应力云图

由分析可知,在设计状态下涡轮轴最大应力部位为通气孔处,最大应力为726 MPa,大于材料的屈服强度。涡轮轴工作时,孔边产生塑性变形。随着涡轮轴的使用,孔边塑性变形损伤累积。在使用一定时间后,孔边会发生疲劳破坏,产生裂纹,因此需要对涡轮油的使用寿命进行限制。前端花键圆角处最大应力为604 MPa,与涡轮轴最大应力还有一定差距。当前端圆角半径为0.6 mm时,涡轮轴的最大应力部位转移至圆角部位,最大应力为740 MPa。圆角的局部点进入塑性变形状态,成为涡轮轴的最危险部位。

5 疲劳寿命预估

以有限元计算结果为基础,计算不同状态涡轮轴的疲劳寿命。基于临界平面的多轴疲劳理论,寿命评估计算式为:

▲图4 圆角半径0.6 mm时涡轮轴等效应力云图

(1)

式中:N为疲劳寿命;Δεeq为等效应变范围;σ′f为疲劳强度因数;E为弹性模量;ε′f为疲劳延性因数;b为疲劳强度指数;c为疲劳延性指数。

经计算,设计状态下涡轮轴的低循环疲劳寿命为24 602次循环,疲劳寿命限制位置为通气孔处。圆角半径超差至0.6 mm时,涡轮轴的低循环疲劳寿命为23 795次循环。涡轮轴的设计寿命为10 000次循环,根据预估结果,涡轮轴可以安全使用。

6 涡轮轴疲劳试验

通过试验来确定尺寸超差涡轮轴的循环疲劳寿命,试验件选取圆角半径为0.6 mm的涡轮轴。

两个试验循环载荷加载过程如图5所示,其中,主扭矩与轴向载荷按照工作载荷确定,振动扭矩按5%主扭矩加载。主扭矩从零到最大与轴向载荷从零到最大同步进行循环,振动扭矩在每个主循环到最大载荷时加载。每个循环的试验时间约为5 min。

试验件共完成10 000次低周、107次高周疲劳试验循环后,采用荧光检验,未发现裂纹,尺寸检查结果符合要求。说明圆角半径超差的涡轮轴可以安全使用至设计寿命。

▲图5 试验循环载荷加载过程

7 结束语

笔者通过有限元方法计算了设计状态和尺寸超差状态涡轮轴的应力分布,对循环寿命进行了预估,并对圆角半径超差的涡轮轴进行了扭转疲劳试验。

设计状态下涡轮轴的应力最大部位为通气孔处,最大应力为726 MPa,已进入材料的屈服状态。为保证材料塑性变形累积损伤不产生疲劳破坏,需要对涡轮轴的使用寿命进行限制。涡轮轴的预估疲劳寿命为24 602次循环,涡轮轴前端圆角处应力为604 MPa。

圆角半径0.6 mm的涡轮轴,最大应力产生在前端花键处圆角,最大应力为740 MPa。圆角成为涡轮轴发生疲劳破坏的最危险部位,涡轮轴的预估疲劳寿命为23 795次循环。

根据寿命预估和试验结果,尺寸超差的涡轮轴可以安全使用至设计寿命。