某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器強(qiáng)度、振動(dòng)分析

馬龍 韓欣誠(chéng) 趙小全

摘 要：燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器位于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的后側(cè)，引導(dǎo)燃?xì)鈱?duì)自由渦輪轉(zhuǎn)子做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為飛機(jī)提供動(dòng)力。針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器暴露的問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器進(jìn)行材料優(yōu)化，并進(jìn)行強(qiáng)度、振動(dòng)校核，確保滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器;材料優(yōu)化;強(qiáng)度;振動(dòng)

引 言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在定型批產(chǎn)后，在多年服役生涯中，發(fā)揮了重大作用，也暴露出一些問(wèn)題，如燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器裂紋和腐蝕剝落。為更好地便于客戶使用，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并將燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器K418B合金材料優(yōu)化為K438合金。

1.問(wèn)題描述

某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器長(zhǎng)期的服役生涯中，容易產(chǎn)生裂紋，見(jiàn)圖1，失效分析認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生與葉片振動(dòng)有關(guān);由于外場(chǎng)服役環(huán)境的特殊性，燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器在進(jìn)氣邊局部會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，是由于K418B合金基體抗氧化性能不足導(dǎo)致，且葉片表面沒(méi)有防護(hù)涂層，熱腐蝕致葉身中部基體氧化。

2.改進(jìn)方案

根據(jù)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器暴露出的裂紋和腐蝕特點(diǎn)，以及其他成熟發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向器材料體系，將某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器材料K418B合金更改為綜合力學(xué)性能較好的K438合金[1]，有利于改善燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器裂紋和腐蝕問(wèn)題。

3.強(qiáng)度、振動(dòng)校核

燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器在高溫燃?xì)庵泄ぷ?，受熱不均勻，?dǎo)向葉片前后受到前后轉(zhuǎn)子氣流擾動(dòng)，需對(duì)更改材料的燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器進(jìn)行強(qiáng)度和振動(dòng)校核。

根據(jù)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器工作環(huán)境特點(diǎn)，選取其工作狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)分析，工作狀態(tài)參考溫度場(chǎng)分布，靜止?fàn)顟B(tài)下的溫度為室溫。燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)具有循環(huán)對(duì)稱的特點(diǎn)，截取燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器的基本扇區(qū)建立有限元子結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)基本扇區(qū)進(jìn)行計(jì)算，可提高計(jì)算精度。

3.1強(qiáng)度校核

根據(jù)EGD-3應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，渦輪導(dǎo)向葉片應(yīng)力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：在所有正常的工作條件下，最大的彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)0.1%屈服強(qiáng)度的75%。燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為775Mpa，有限元計(jì)算結(jié)果391Mpa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2振動(dòng)校核

在發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的不同工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，可能會(huì)發(fā)生共振，一般采取的原則是以低階頻率作為優(yōu)先考慮，高階頻率振動(dòng)因需要的激振能量較大，次之考慮。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文考慮的激振源和激振倍頻數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)激振與節(jié)徑的關(guān)系，需繪制不同節(jié)徑下的Campbell圖，圖3為3節(jié)徑Campbell圖，其中3節(jié)徑某頻率高階共振的等效應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

4.結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器的材料更改為K438是可行的，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，且強(qiáng)度的儲(chǔ)備系數(shù)較大。某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器低階時(shí)的共振裕度滿足設(shè)計(jì)要求;高階頻率共振裕度較小，存在共振可能，但因需要的激振能量較大，引發(fā)共振的可能性較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.中國(guó)高溫合金手冊(cè).2012