張乘齊，黃文周，劉學(xué)偉，潘容，周江鋒，楊軍剛

低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張乘齊1，黃文周1，劉學(xué)偉2，潘容1，周江鋒1，楊軍剛3

(1.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500；2.空軍航空大學(xué)航空理論系，吉林長(zhǎng)春130022；3.西北工業(yè)大學(xué)中法并行工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)

論述了低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)載荷條件下，開展了帶雙輻板渦輪盤的低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。特別是針對(duì)雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)及其連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化得到的兩種雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)焊接的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)的制造工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。結(jié)果表明，低慣量渦輪轉(zhuǎn)子采用雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)可行，能有效減輕渦輪盤質(zhì)量，降低轉(zhuǎn)子熱慣性和機(jī)械慣性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；低慣量渦輪轉(zhuǎn)子；雙輻板渦輪盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；拓?fù)鋬?yōu)化；形狀優(yōu)化

1 引言

渦輪轉(zhuǎn)子作為典型的高溫?zé)岫瞬考蚱涓邷?、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作特點(diǎn)，及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和工藝的高難度，一直被航空發(fā)達(dá)國(guó)家列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。其設(shè)計(jì)難題在于，提供能承受超過(guò)現(xiàn)有水平AN2值的最小質(zhì)量的渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

渦輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量主要集中在渦輪盤上，傳統(tǒng)形式渦輪盤輪轂由于熱匯聚，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱慣量大。隨著優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)渦輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)技術(shù)已趨于成熟[1]，常規(guī)單輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)已無(wú)太多減重潛力可挖，迫切需要開展新結(jié)構(gòu)、新工藝研究。

美國(guó)在IHPTET計(jì)劃[2]中對(duì)雙輻板渦輪盤進(jìn)行了研究，證實(shí)采用焊接的雙輻板結(jié)構(gòu)可使渦輪盤質(zhì)量減輕17%，同時(shí)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高9%，且大大提高渦輪盤壽命。文獻(xiàn)[3]以專利的形式給出了一種雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)(圖1)，該雙輻板渦輪盤由左右兩個(gè)半盤構(gòu)成，通過(guò)盤緣焊接在一起。文獻(xiàn)[4]采用有限元對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出了盤上的關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)，即位于盤緣的焊縫位置。

圖1 國(guó)外雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)Fig.1 The external structure of twin web disk

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低慣量渦輪轉(zhuǎn)子作為一種新型結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)僅有少量研究且只處于原理探索階段[5，6]，可檢索的報(bào)告主要是雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度計(jì)算方面的內(nèi)容，關(guān)于帶雙輻板渦輪盤的渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝分析比較少見(jiàn)。因此，開展帶雙輻板渦輪盤的低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)很有必要。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要降低渦輪轉(zhuǎn)子慣量，首先要減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，其次要實(shí)現(xiàn)高效冷卻。渦輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量主要集中在渦輪盤上，而傳統(tǒng)形式渦輪盤的熱慣量和機(jī)械慣性均較大。因此，本文以雙輻板渦輪盤為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，選取某型發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)，利用已有技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)空間，在不改變?cè)锌諝庀到y(tǒng)和氣動(dòng)方案的前提下，開展帶雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)的低慣量渦輪轉(zhuǎn)子研究。限定約束條件包括：盤和葉片的冷卻、盤片連接方案、渦輪盤前后密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)的低慣量渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)初步方案如圖2所示。

盤與工作葉片采用盤片分離的連接結(jié)構(gòu)形式，渦輪盤盤緣前端設(shè)計(jì)有擋片，后端安裝擋板，通過(guò)擋片和擋板對(duì)渦輪葉片進(jìn)行軸向定位和封嚴(yán)。從高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子級(jí)間引氣，通過(guò)引氣管將冷卻氣引入高壓渦輪前安裝邊鼓筒內(nèi)。冷卻氣從盤心兩個(gè)輻板間的進(jìn)氣通道進(jìn)入兩個(gè)半盤間的空腔，再通過(guò)盤緣的徑向通氣孔進(jìn)入高壓渦輪葉片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓渦輪葉片的冷卻。從雙輻板渦輪盤內(nèi)部空腔引氣對(duì)高壓渦輪工作葉片進(jìn)行冷卻，還帶來(lái)一個(gè)額外的好處，即將來(lái)渦輪盤與渦輪工作葉片一體化連接工藝成熟后，可實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，取消前、后擋板。這樣不僅可減少零件數(shù)，而且可提高轉(zhuǎn)子可靠性，進(jìn)一步降低渦輪盤載荷，同時(shí)降低制造成本。

圖2 帶低慣量渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)方案Fig.2 The structure with low inertia turbine rotor

綜合考慮渦輪盤在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的流道高度、盤心孔徑、盤緣寬度、渦輪葉片定位、雙輻板盤冷氣布置等因素，并參考IHPTET計(jì)劃，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到雙輻板渦輪盤初步結(jié)構(gòu)方案，如圖3所示。

圖3 雙輻板渦輪盤初步方案Fig.3 The initial scheme of twin web disk structure

設(shè)定盤緣溫度550℃，盤心溫度430℃，盤體材料選用In718，轉(zhuǎn)速13 300 r/min。通過(guò)二次插值得到雙輻板渦輪盤的溫度場(chǎng)，如圖4所示。葉片和榫槽凸塊產(chǎn)生的離心力通過(guò)離心力計(jì)算公式得到，并轉(zhuǎn)化為盤緣的均布?jí)毫?。?duì)雙輻板渦輪盤方案進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，盤體的等效應(yīng)力分布如圖5所示?？梢?jiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生在雙輻板渦輪盤內(nèi)腔左、右輻板連接位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的強(qiáng)度極限。后經(jīng)多輪結(jié)構(gòu)調(diào)整，該問(wèn)題仍然存在，且盤體應(yīng)力分布無(wú)規(guī)律可循。故此種結(jié)構(gòu)形式不可行，需開展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 雙輻板渦輪盤溫度場(chǎng)Fig.4 The temperature field of twin web disk

圖5 設(shè)計(jì)方案等效應(yīng)力分布Fig.5 The distribution of SEQV of the design scheme

3 雙輻板盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1模型簡(jiǎn)化

渦輪盤工作狀態(tài)下承受的力有：葉片和榫頭的離心力，自身因較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，盤前后壓差，飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩，渦輪盤擋板與盤裝配處由于接觸擠壓產(chǎn)生的壓力，以及渦輪盤上由于熱分布不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。

對(duì)渦輪盤進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略影響較小的渦輪盤前后壓差及前后擋板對(duì)盤產(chǎn)生的接觸力，只考慮盤自身的離心力及熱應(yīng)力，葉片和榫頭產(chǎn)生的拉力等影響。

葉片位于輪盤外緣，通常優(yōu)化設(shè)計(jì)的渦輪盤外緣取在榫槽槽底。假設(shè)葉片載荷均勻分布于輪盤外緣表面，則其計(jì)算公式應(yīng)為：

式中：F為葉片和榫頭凸塊產(chǎn)生的離心力，R為榫槽槽底半徑，H為輪盤外緣軸向?qū)挾?。F的計(jì)算式為：

式中：r1、m1分別為單個(gè)榫頭凸塊的質(zhì)心半徑和質(zhì)量，r2、m2分別為單個(gè)葉片的質(zhì)心半徑和質(zhì)量，ω為渦輪盤旋轉(zhuǎn)角速度，n為葉片數(shù)。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

先通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化得到雙輻板渦輪盤基礎(chǔ)輪廓，再通過(guò)形狀優(yōu)化對(duì)雙輻板渦輪盤形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)拓?fù)鋬?yōu)化

通常情況下，盤緣軸向?qū)挾仍谝欢ǖ陌l(fā)動(dòng)機(jī)條件下固定，盤心孔直徑不能小于裝配要求的最小孔徑，輪轂軸向?qū)挾瓤筛鶕?jù)渦輪盤前后靜子件的安裝形式有一定范圍的調(diào)整。雙輻板渦輪盤的拓?fù)鋬?yōu)化，簡(jiǎn)化了安裝邊和盤體細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，主要以優(yōu)化輻板輪廓和雙輻板渦輪盤內(nèi)腔為重點(diǎn)。

在簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上，結(jié)合圖2中雙輻板渦輪盤的設(shè)計(jì)空間，開展渦輪盤拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。其初始設(shè)計(jì)域見(jiàn)圖6，優(yōu)化需要的主要載荷參數(shù)及約束條件如表1所示，優(yōu)化目標(biāo)為盤體體積最小。

圖6 雙輻板渦輪盤優(yōu)化設(shè)計(jì)初始設(shè)計(jì)域Fig.6 The initial design area of twin web disk

表1 優(yōu)化需要的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 The parameters used for optimization design

優(yōu)化得到的雙輻板渦輪盤如圖7所示?？梢?jiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果顯然不具有工藝性，也不可能達(dá)到低循環(huán)壽命要求，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。不過(guò)，拓?fù)鋬?yōu)化所得雙輻板渦輪盤基本形狀與圖1所示的國(guó)外專利有共同之處，即優(yōu)化得到的雙輻板渦輪盤由左右兩個(gè)輻板構(gòu)成，驗(yàn)證了雙輻板渦輪盤傳力路徑的合理可靠，并再次驗(yàn)證了使用雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重的可行性。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.7 The result of topological optimization

(2)形狀優(yōu)化

結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，開展盤心開槽和盤體內(nèi)部開孔兩種結(jié)構(gòu)形式的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。同樣采用表1中參數(shù)作為設(shè)計(jì)邊界和約束，以比同等載荷條件下單輻板渦輪盤減重10%為目標(biāo)，考慮避開焊接結(jié)構(gòu)和左右半盤對(duì)焊結(jié)構(gòu)兩種減重方式，得到兩種雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)及其等效應(yīng)力分布(圖8)。

圖8 形狀優(yōu)化的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布Fig.8 The structure result and distribution of SEQV of optimized twin-web disk

對(duì)比兩種方案，方案1有效避免了焊縫的存在，可直接通過(guò)機(jī)械加工的方式制造，但輪轂位置由于需要開環(huán)槽，輪轂會(huì)設(shè)計(jì)得較寬，且盤心環(huán)槽的加工會(huì)受盤心孔尺寸的限制。此方案的結(jié)構(gòu)與國(guó)外驗(yàn)證過(guò)的專利[7]的類似。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，方案1在輻板與輪轂連接位置的應(yīng)力梯度偏大，渦輪盤輻板顯得過(guò)于單薄，盤緣徑向變形大，要開展工程應(yīng)用，還需對(duì)輻板位置的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

與方案1相比，方案2在輻板位置的應(yīng)力更加均勻，輻板與輪轂部位有多處環(huán)腔，其厚度過(guò)渡也更為均勻。從盤內(nèi)部孔的加工性考慮，必須采用焊接結(jié)構(gòu)，即先加工左右半盤再通過(guò)焊接連接在一起。

方案1較傳統(tǒng)渦輪盤結(jié)構(gòu)形式具有一定的減重效果，但輪轂部分較傳統(tǒng)單輻板渦輪盤并無(wú)太大改變，熱慣量和機(jī)械慣量仍較大。因此，優(yōu)選方案2為雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)方案。由于左右半盤各有5個(gè)焊接面，因此需開展雙輻板渦輪盤焊接工藝研究。

4 制造工藝分析

本文得到的雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)方案，與國(guó)外專利中提及的雙輻板渦輪盤都分為左右兩個(gè)半盤，需通過(guò)焊接連接在一起。由于焊接面的存在，雙輻板渦輪盤在試驗(yàn)或工作過(guò)程中，可能會(huì)因焊縫力學(xué)性能不足導(dǎo)致輪盤在焊縫位置開裂，因此要選擇合理的焊接方法，優(yōu)化焊接工藝，保證焊接后母材和焊接接頭的力學(xué)性能良好，確保雙輻板渦輪盤安全可靠工作。從工藝難度角度分析，為保證焊縫質(zhì)量，在雙輻板渦輪盤焊接過(guò)程中，需保證焊接表面貼合良好，且不能有明顯的錯(cuò)位和臺(tái)階等特征存在。這對(duì)焊接面的表面粗糙度和平面度加工提出了很高的要求，加工難度大。另外，由于焊接后雙輻板渦輪盤左右半盤之間的空腔無(wú)法再進(jìn)行機(jī)械加工，因此需合理安排雙輻板渦輪盤制造流程，焊接工序與機(jī)械加工工序需交叉進(jìn)行，在焊接前完成內(nèi)腔的加工。

5 結(jié)束語(yǔ)

低慣量渦輪轉(zhuǎn)子技術(shù)是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文的研究表明，低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)渦輪盤采用雙輻板渦輪盤的結(jié)構(gòu)形式合理可行，能有效實(shí)現(xiàn)減重，但其工程應(yīng)用還需建立在焊接工藝成熟的基礎(chǔ)之上。建議繼續(xù)開展雙輻板渦輪盤的工程化應(yīng)用研究，及雙輻板渦輪盤焊接工藝關(guān)鍵技術(shù)和制造工藝技術(shù)攻關(guān)。

致謝：感謝西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院張衛(wèi)紅教授及其學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的技術(shù)支持。

[1]張乘齊，何愛(ài)杰，張衛(wèi)紅，等.基于BOSS平臺(tái)的熱力耦合場(chǎng)渦輪盤優(yōu)化[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(2)：53—56.

[2]US Department of Defence.Intergrated High Performance Turbine Engine Technology(IHPTET)[R].Gas Turbine Forecast，Archived，2006.

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[5]王如根，高坤華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[6]陳光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[7]Harding B R，Curtiss D H.Contoured Disk Bore：US，7241111B2[P].2007-07-10.

Design and Optimization of Low Inertia Turbine Rotor Structure

ZHANG Cheng-qi1，HUANG Wen-zhou1，LIU Xue-wei2，PAN Rong1，ZHOU Jiang-feng1，YANG Jun-gang3
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Department of Aviation Theory，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China；3.Sino-French Laboratory of Concurrent Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

The design features and requirements of low inertia turbine rotor structure were presented.The research about low inertia turbine rotor was done on an engine platform;especially for the design features of the twin-web disks and the connection structures,the empirical design,the topological optimization design and shape optimization investigation were developed.Comparative analysis about the two kinds of twin-web disk structure after optimization has been made.The welding and manufacture methods of twin-web disks were also studied.The results show that low inertia turbine rotor using twin-web disk structure is feasible, the twin-web disk structure can not only effectively reduce the weight of the rotor,but also the heat inertia and mechanical inertia.

aero-engine；low inertia turbine rotor；twin-web disk；structure analysis；topological optimization；shape optimization

V232

A

1672-2620(2013)04-0033-04

2013-02-27；修改日期：2013-07-22

張乘齊(1983-)，男，四川南溪人，碩士，工程師，從事燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件設(shè)計(jì)工作。