1. 中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015
摘要：为研究航空发动机涡的应力情况，对涡进行温度载荷下的应力分析研究。研究不同结构参数下温度载荷对周向应力、径向应力和等效应力的影响和变化规律，分析应力的分布特点。结果表明：周向应力沿径向线性分布,线性变化的斜率和截距与温差正向相关；径向应力沿径向按二次曲线规律变化，最大径向应力值是温差的线性函数。同时这也是开展涡结构优化、缩短结构与强度迭代周期必要的技术储备，可为航空发动机涡的轻量化设计提供参考。
关键词：航空发动机；涡；应力分析
中图分类号:          文献标识代码：       
Stress Analysis of Aero-engine Turbine Disk under Temperature Load
ZHANGQian1LIGuo-jie1 NIUJun-tao1
(1. AECC Shenyang Engine Research Institution, Shenyang 110015, China)
Abstract:In order to study the stress of aero-engine turbine disk, conduct stress analysis and research of turbine disk under temperature load. The influence and variation of temperature load on circumferential stress, radial stress and equivalent stress under different structural parameters were studied, and the stress distribution characteristics were analyzed. The results show that: the circumferential stress is linearly distributed along the radial direction, and the slope and intercept of the linear change are positively related to the temperature difference; the radial stress changes along the radial direction according to the law of quadratic curve, and the maximum radial stress value is a linear function of temperature difference. At the same time, it is also the necessary technical reserve for carrying out the structural optimization of turbine disk and shortening the iteration cycle of structure and strength, which can provide a reference for the lightweight development of aero-engine turbine disk.
第　期                                                          1
0　引言
涡轮部件作为航空发动机的热端部件，长期处在高温、高负荷、高转速、大功率的工作环境下，工作条件十分苛刻。涡是涡轮部件中最重要的转子承力件，长期工作在高温和高转速条件下，承受着叶片离心载荷、热载荷、振动载荷以及气动载荷等多种载荷的耦合作用。
国内对涡结构设计的研究主要包括两个方面：一方面是结构优化设计研究；另一方面是可靠性分析和疲劳寿命计算。文献[1]给出了航空发动机涡榫槽的形状优化设计的数学模型，并用参变量评价函数法对该数学模型进行等价转换。文献[2]针对某型航空发动机发生的涡轮转子叶片和榫齿裂纹故障，进行了接触应力、振动特性及低循环疲劳寿命的计算分析，根据计算结果出了故障发生的原因。文献[3-7]对开展可靠性和疲劳寿命分析。
本文通过对涡的结构开展二维应力计算，分析径向应力与周向应力的分布特点，籍此加强对基本物理概念的了解；同时也是开展涡结构优化必要的技术准备，为航空发动机涡结构设计提供参考。
1　结构介绍
涡的结构设计需要综合考虑工作环境、材料工艺和既有的技术储备等多种因素。某型航空发动机涡的结构方案如图1所示。
综合考虑涡的载荷、耐温能力、材料的技术成熟度和经济性等因素，选定第二代粉末高温合金FGH96（使用温度是750℃）作为涡的结构选材。
图1  某型发动机涡结构方案
2  数值仿真分析
给定涡盘缘与盘心的径向温差500℃；计算状态转速为8100r/min；离心负荷为1.5×107N。FGH96材料的泊松比为0.3，密度r=8340kg/m3。应力计算软件采用ANSYS，涡在温度和惯性两种载荷作用下的径向应力σr、周向应力σt和等效应力σM如图2所示。
图2  温度和惯性载荷下涡的应力分布
涡应力计算结果见表1，可以看出在目前的载荷条件下的屈服强度储备和极限强度储备均满足使用要求。
涡轮发动机表1  涡应力计算结果
考察项
应力/MPa
n0.2
nb
辐板子午面平均周向
281
3.51
4.69
辐板圆柱面平均径向
747
1.32
1.77
局部当量应力
1220
0.84
-
接下来，本文将针对涡进一步开展应力分析。由图2可知，涡的等效应力、周向应力和径向应力沿轴向分布的梯度很小。为了分析方便，在辐板对称平面上沿径向选取7个等间距点，后续以这7个点的应力值为分析对象。点的选取如图3所示。
图3  应力分布点的选取
3  应力的单项分析
涡强度是否满足强度规范要求的主要考察项目是径向应力σr和周向应力σt。本节分析单一载荷下这两个应力指标的变化规律；据此讨论结构参数对应力的影响规律。
3.1  温度载荷下周向应力σt-T的分布特征
给定涡盘缘与盘心的温差依次为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃；不考虑温度沿轴向的分布。温度载荷下周向应力沿径向的分布如图4所示。
图4  不同温度载荷下涡周向应力的分布
由图4可知，温度载荷下周向应力大致呈线性分布；最大值（压应力）出现在盘缘处，最大值（拉应力）出现在盘心处。以周向应力为纵坐标y、径向高度为横坐标x，用最小二乘法拟合周向应力沿径向的分布如图5所示。
图5  周向应力沿径向分布的线性拟合
图5中通过拟合得到的直线需要进一步关注两个参数和一个截面：两个参数是斜率和截距（即轮缘处的周向应力）；一个截面是周向应力的零截面。斜率和截距显然与温差有关。以温度为自变量拟合这两个参数见图6。由图可知，周向应力沿径向变化的斜率和截距与温差呈线性关系。
图6  周向应力沿径向变化的斜率和截距与温差的拟合
接下来，进一步讨论截距的极值性和周向应力零截面的位置。引入一个等壁厚辐板的涡做为计算模型，如图7所示。计算和分析轮缘沿径向变化时槽底P6、P7点的周向应力。