帶止動凸塊的動力渦輪工作葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

于 博，張 傲，孫君君

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽）

航空發(fā)動機及燃氣輪機是一種高度復(fù)雜的熱力機械，其工作可靠性直接關(guān)系到飛行安全，體現(xiàn)了一個國家的科技、工業(yè)和國防實力[1-4]。渦輪葉片是航空發(fā)動機及燃氣輪機的重要零件，由于其工作環(huán)境惡劣，葉片出現(xiàn)失效的概率相對較高[5-6]，渦輪葉片與渦輪盤的連接形式，也是航空發(fā)動機及燃氣輪機中負荷較大的部分，在工程應(yīng)用中該部分極易發(fā)生故障，因此該部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計應(yīng)十分注意。

渦輪葉片與渦輪盤安裝形式大多使用縱樹型榫頭，并利用一定的結(jié)構(gòu)將渦輪葉片在渦輪盤上槽向限位，由于槽向方向相對于旋轉(zhuǎn)軸線較為平直，葉片篇離心力的槽向分力較小，因此槽向固定的設(shè)計方向是保證可靠性的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)盡可能的簡化。

本文通過某燃氣輪機動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂的故障現(xiàn)象，通過機理分析，有限元仿真計算，對該處結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 動力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)

某型燃氣輪機動力渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1，該轉(zhuǎn)子采用將動力渦輪級間封嚴環(huán)與盤前擋板進行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由動力渦輪盤、動力渦輪工作葉片、前封嚴環(huán)組成。其中，動力渦輪工作葉片與動力渦輪盤通過縱樹型榫槽連接安裝，葉尖部位為鋸齒冠結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計有預(yù)扭角，以保證葉片裝配后相鄰葉冠嚙合面間相互擠壓頂緊。動力渦輪工作葉片前端（進氣端）有止動凸塊+前封嚴盤懸臂（過渡配合）槽向定位；前封嚴盤前端與渦輪盤后端通過精密螺栓連接到其它級動力渦輪盤上組成動力渦輪轉(zhuǎn)子組件。

圖1 動力渦輪葉片安裝結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的收益有：

（1） 結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配和拆分；

（2） 利用前封嚴盤連接處的結(jié)構(gòu)特點，可以提供盤腔的冷卻氣冷卻葉片榫頭；

（3） 將動力渦輪級間封嚴環(huán)與盤前擋板進行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度降低了盤間封嚴環(huán)的應(yīng)力水平，提高了結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性，達到了各級盤間軸向跨度大、轉(zhuǎn)子半徑高、控制徑向離心變形的目的。

2 故障原因及故障分析

2.1 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障

該結(jié)構(gòu)動力渦輪工作葉片止動凸塊在試車后二次分解裝配時發(fā)現(xiàn)止動凸塊部位有部分轉(zhuǎn)接圓角處有裂紋（熒光檢查顯示）和斷裂現(xiàn)象，且渦輪盤榫槽與止動凸塊配合面上有不同程度的壓痕，且壓痕周向分布無規(guī)律。

2.2 理化分析

對燃機動力渦輪二級工作葉片斷裂的止動凸塊開展斷口分析，結(jié)論為瞬斷，見圖2。

圖2 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷口

開展斷裂凸塊的組織分析結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鑄造要求，斷裂部位無超出檢查要求的疏松或其他缺陷。

2.3 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障模式分析

本文根據(jù)動力渦輪工作葉片的安裝結(jié)構(gòu)特點及試車情況，結(jié)合斷裂故障現(xiàn)象及理化分析結(jié)果開展止動凸塊斷裂故障機理分析工作，以動力渦輪葉片承載能力不足、載荷過大等兩個直接可能原因，最終列出15 種可能的止動凸塊斷裂故障模式，見圖3。

圖3 葉片凸塊斷裂故障模式分析圖

對15 種止動凸塊斷裂故障模式進行分析，通過對該處結(jié)構(gòu)的設(shè)計、強度、選材、裝配、生產(chǎn)、試車過程全方位的分析和復(fù)查，無法排除止動凸塊局部壁厚不足、止動凸塊圓角過小、封嚴環(huán)與葉片配合緊度過大、加尺寸超差4 種斷裂故障模式。

通過動力渦輪盤上的壓痕情況判斷，動力渦輪工作葉片上的止動凸塊與盤端面存在擠壓，壓痕由盤片組件裝配時擋板對突出盤端面的葉片施加軸向載荷所產(chǎn)生。同時，動力渦輪工作葉片上的止動凸塊自身可能存在強度儲備偏低的可能。在較大軸向載荷作用下出現(xiàn)斷裂和裂紋。經(jīng)檢測表明，止動凸塊轉(zhuǎn)接圓角加工粗糙度超過設(shè)計要求，部分轉(zhuǎn)接圓角加工超差，進一步降低了該處的承載能力。

2.4 動力渦輪工作葉片止動凸塊有限元分析

根據(jù)故障樹機理分析得出的動力渦輪盤前封嚴環(huán)與葉片榫頭端面裝配時為軸向過盈狀態(tài)，裝配緊度較大，以及動力渦輪工作葉片強度儲備較低的兩種問題原因，對該結(jié)構(gòu)進行有限元分析。冷態(tài)裝配狀態(tài)下，葉片處于非完全定位狀態(tài)，因此，在有限元分析時，引入50 r/min 的離心載荷，離心載荷不會在止動凸塊處產(chǎn)生附加應(yīng)力，但可使得輪盤輪緣凸塊工作面和葉片榫頭工作面處于壓緊狀態(tài)，解決計算中的穩(wěn)定性問題。

動力渦輪工作葉片榫頭端面與止動凸塊接觸面的加工初始公差，強度分析時考慮極限狀態(tài)，葉片榫頭端面與止動凸塊的初始公差給定為0.05 mm，對葉片止動凸塊進行裝配應(yīng)力分析，分析模型見圖4，止動凸塊軸向應(yīng)力分布見圖5，分析結(jié)果表明：在裝配狀態(tài)，動力渦輪工作葉片榫頭端面與止動凸塊接觸面過盈0.05 mm時，工作葉片止動凸塊處軸向應(yīng)力最大為904 MPa，接近材料極限強度（1 180 MPa），該裝配應(yīng)力水平偏高。

圖4 分析模型示意圖

圖5 止動凸塊處軸向應(yīng)力分布

2.5 動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂原因

綜合以上分析，動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂的主要原因是：

（1） 動力渦輪二級盤前封嚴環(huán)與葉片榫頭端面裝配時為軸向過盈狀態(tài)，且裝配緊度較大；止動凸塊設(shè)計轉(zhuǎn)角尺寸偏小、局部壁厚較薄，強度儲備較低，在較大軸向載荷的作用下發(fā)生斷裂；

（2） 止動凸塊轉(zhuǎn)接圓角表面加工質(zhì)量超出設(shè)計要求，進一步降低了該處的承載能力。

3 動力渦輪工作葉片安裝方式優(yōu)化設(shè)計

3.1 軸向安裝緊度優(yōu)化設(shè)計

針對故障原因分析結(jié)論及有限元分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計主要方向為改善動力渦輪工作葉片與動力渦輪盤、前封嚴環(huán)裝配軸向緊度關(guān)系，使動力渦輪工作葉片端面與盤前封嚴環(huán)形成間隙配合，消除裝配預(yù)緊力，見圖6。

圖6 裝配關(guān)系改進對比示意圖

3.2 工作葉片止動凸塊強度儲備優(yōu)化設(shè)計

對工作葉片止動凸塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，提高止動凸塊部位的強度儲備也是優(yōu)化設(shè)計的方向之一，見圖7。

圖7 葉片止動凸塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比示意圖

3.3 需考慮到的其它因素

除上述因素外，還需考慮到在葉片的加工制造和發(fā)動機裝配時，還要監(jiān)控以下可能造成葉片止動凸塊發(fā)生斷裂的影響因素：

（1） 應(yīng)加強控制動力渦輪工作葉片止動凸塊圓角表面加工質(zhì)量，保證該處的粗糙度的設(shè)計要求。

（2） 動力渦輪工作葉片使用銅錘敲擊的方式裝入渦輪盤中，裝配時應(yīng)注意銅錘敲擊的力度及敲擊位置，避免銅錘直接對葉片止動凸塊施力，在裝配過程中發(fā)生損傷。

3.4 優(yōu)化設(shè)計后葉片止動凸塊有限元分析

對結(jié)構(gòu)改進后工作葉片止動凸塊進行裝配應(yīng)力有限元分析，止動凸塊軸向應(yīng)力分布見圖8。分析結(jié)果表明，改進后二級工作葉片止動凸塊處軸向應(yīng)力最大為231 MPa，該裝配應(yīng)力水平較低。與原方案相比，改進掛鉤結(jié)構(gòu)承載能力明顯提升，見表1。

圖8 止動凸塊處軸向應(yīng)力分布

表1 裝配狀態(tài)止動凸塊強度分析對比

4 結(jié)論

本文通過對動力渦輪工作葉片止動凸塊斷裂故障的機理分析及有限元分析, 對動力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)進行了改進，經(jīng)故障樹方法分析總結(jié)出一套動力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，該方法包含控制動力渦輪葉片與動力渦輪盤、封嚴環(huán)裝配軸向緊度的優(yōu)化，提高葉片止動凸塊部位的強度儲備，同時還包含在發(fā)動機制造、裝配和分解過程中需要給予重點關(guān)注的部位。目前該方法已成功應(yīng)用在國內(nèi)自主研制的燃氣輪機動力渦輪工作葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，累積試車千余小時，沒有再發(fā)生止動凸塊斷裂及裂紋故障，證明本方法是切實可行的。