轮盘强度设计和试验中的关键技术问题研究

轮盘强度设计和 试验中的关键技术问题研究

1.江帆 2，王艳丽

1.海装广州局贵阳军代室 贵州 贵阳 550014

2.中国航发贵阳所 贵州 贵阳550081

摘要：轮盘是发动机关键部件之一，轮盘的破裂大多会造成非包容性的毁坏,可导致灾难性后果，因此轮盘的强度设计与试验工作扎实与否十分重要。近几年来，随着新机研制的开展，在轮盘的强度设计及试验过程中暴露出，包括轮盘强度计算中材料数据选取、轮盘强度试验方案设计、轮盘超转/破裂强度试验转速修正、材料利用系数等方面的关键技术问题，对轮盘的强度设计与试验工作造成了一定影响，本文针对这些问题进行了分析思考，并提出相关建议，旨在总结经验、提高专业认识。

关键词：轮盘、强度设计；强度试验、试验方案、转速修正、材料利用系数

1 引言

盘类零件是航空发动机常见的关键件，轮盘的破裂大多会造成非包容性的毁坏，所造成的后果往往是灾难性的，轮盘破裂碎片打穿发动机机匣后可能切断油路或操纵系统，也可能穿透油箱与座舱，对飞机和成员构成威胁，因此在轮盘设计时能保证安全可靠的工作对于发动机以及飞机都是至关重要的。近两年，随着新机研制的开展，轮盘强度设计和试验方面暴露出了不少“问题”，但“问题”的出现却是我们转变观念和提高认识的契机，它使得我们不得不重新审视和思考一直以来在轮盘强度设计及试验中考虑很少甚至根本没有考虑和有争论的一些关键影响因素，本文针对在轮盘的强度设计及试验过程中暴露出，包括轮盘强度计算中材料数据选取、轮盘强度试验方案设计、轮盘超转/破裂强度试验时的转速修正、材料利用系数等方面的关键技术问题，进行了分析思考，并提出相关建议，旨在总结经验、提高专业认识。

2 强度计算中材料数据选用

在进行轮盘强度分析时，面对材料手册上给出的材料各性能基值（A、B、-3σ，），验收标准及零件图纸技术条件等众多材料性能数据，如何选用才能保证所有合格产品满足强度要求呢？主要有两方面内容：

（1）有专用材料标准的应将其要求的最低值用于强度计算，没有专用标准的应从国标、技术条件、出厂证中所列出的材料性能中选取最低值用于强度计算；

（2）采用最低值计算得到的应力储备要满足相关应力准则,由于零部件的使用工况各不相同，因此在制定相关标准时不能简单引用以往标准，必须根据使用情况进行应力分析，对标准进行修订，否则按标准生产出的产品在使用中会有安全隐患。

某型发动机涡轮盘使用材料为他型发动机粉末冶金材料，鉴于其成熟性，材料标准亦直接应用,验收要求见表2。

表2 室温性能

后期发现轮盘最大稳态下的平均周向应力水平为720MPa,根据试验测量值修正，其实际的应力水平可达到820MPa左右，按相关应力标准反推出室温下此材料制轮盘所有部位取样最低σ_b值应在1350MPa左右，1275MPa明显偏低，因此根据计算分析及参考相关标准，重新修订了涡轮盘材料的验收标准见表3。

表3 室温性能

上例说明，材料标准一般为通用标准或专用标准，不能涵盖所有工况，随着零件使用条件的不断变化，以往的标准有可能不再适用，因此在编制相关标准时强度设计员、材料设计员与材料试制单位人员应及时沟通，以保证制定的材料标准合理、可行。

3 轮盘强度试验方案设计要点

以往的涡喷发动机结构简单、转速低，试验做的不多，没出现过大的问题，技术认识不够，且没有专门文件规定试验方案设计的具体要求，因此对强度试验方案的设计并不重视，正规的强度分析也很少，但随着近几年新机研制轮盘强度试验中暴露出的问题，以及各试验评审会中，专家经常提出的“试验状态是否能代表发动机状态，试验考核是否正确”的疑问，使我们认识到轮盘强度试验方案设计的重要性，下面结合相关事例来分析和探讨轮盘强度试验方案设计要点：

（1）试验方案设计首要任务就是让试验转子满足试验器的使用技术要求

2014年某高压压气机在进行超转、破裂试验过程中发生事故，试验设备及试验件严重损坏。通过召开故障评审会，其中一条意见为：试验转子横向和轴向转动惯量之比为0.9，转子旋转时容易失稳，不宜在立式旋转器上进行试验。”此时才意识到立式试验器对试验转子的转动惯量是有要求的：试验转子（含转接段）的长、短轴转动惯量之比应控制在小于0.7或大于1.25，其主要目的是为了保证试验过程中转子运转稳定。从试验中转子的振动值与转速的曲线来看，试验转子在试验过程中，转子的振动值超出了限制值很多，造成了试验失败，表明不满足转动惯量比要求的转子稳定性差。

2016年某发动机一级风扇转子在进行超转、破裂时直接使用了二级风扇转子超转破裂试验转接段，而未考虑试验转子1的转动惯量要求，在进行超转（115%n）试验，转速达到13221r/min时，振动值接近超转试验器试验规范要求的限制值，为了保证实验转子和试验器的安全，试验暂停。经计算分析发现，试验转子的长、短轴转动惯量之比为=1.0，不能满足试验器的使用要求，随后立刻进行转接段的重新设计，将转接段轴向缩短,计算新试验件2的长、短轴转动惯量之比为=1.52，满足要求，后续用转子2重新进行了超转、破裂试验，试验中转子的振动值均小于试验器限制值，试验安全完成。

上述两个例子足以说明，试验方案设计的首要任务就是要满足试验器的相关要求，否则不能进行试验。

（2） 试验方案设计的第二项重要任务就是要保证轮盘试验考核的正确性

为保证轮盘试验考核的正确性，就要保证轮盘试验状态下力的边界条件应与发动机的试验转子的基本一致，因此轮盘要配挂发动机状态下的全部配挂零件，试验转接段的刚度不应对盘有明显的加强和削弱作用，换句话说就是要使试验状态下被考核轮盘的应力分布与发动机状态的基本一致（偏差在±5%以内），而其余零件的强度满足要求，才能做到考核正确。

以某发动机高压6级压气机轮盘超转破裂试验方案为例，若将6级盘与转接段直接相连，由于转接段的刚性较大，且无法模拟第六、七级转接环对其的影响，导致计试验状态6级盘的应力与发动机状态的相差很大，试验状态计算结果显示其径向应力为494MPa，周向应力为443MPa，明显小于工作状态下的应力（径向应力为628MPa，周向应力为529MPa）。

按力的边界条件相一致的理念，试验转接段不动，重新设计试验方案，选取第五～七级盘及后封严蓖麻齿盘作为试验件，第六、七级盘安装第六、七级叶片，第五级盘作为试验转接段，不安装叶片，试验状态下被考核轮盘的最大应力部位与发动机状态下的相同，应力分布趋势基本一致。试验状态下最大径向变形位于第六级转接环后端面，变形量为1.107mm，与工作装配状态下最大径向变形位置相同最大径向变形量为1.149mm，偏差在3.6%。

两种状态下试验件应力最大值见表4。由表4可以看出试验件中各轮盘的径向应力水平相当，5级盘、后封严篦齿盘的应力较试验状态的略低些，考核轮盘6级盘的应力水平与发动机状态的相当，偏差最大为1.6%，同时对各级盘及试验转接段进行了强度校核均满足要求，因此，试验方案的设计能够保证轮盘考核的正确性。

表4 两状态下轮盘应力最大值比较

4 轮盘超转/破裂试验时的材料性能转速修正

在进行轮盘超转/破裂试验时，是否需要考虑材料性能进行转速修正，一直存在争议，一些研究所在进行轮盘超转、破裂试时已考虑转速的材料修正，并编有专门的规范，一些研究所目前没有相应的规范，转速是否需要修正由型号总师

定，仍存在有的修、有的不修的情况。一些研究所多年来研制发动机参考的都是GJB241，但它对试验转速修正没有相关要求，因此，没有考虑过对试验转速进行材料性能的修正，从而导致试验转速偏低。

材料合格是零件合格的前提条件。合格成品零件的材料力学性能，都应该大于或者至少应该等于材料技术条件规定的最低值。试验件应该从合格成品零件中任意抽取，所以试验件的材料力学性能，一般都大于技术条件规定的最低值，极少遇到恰好等于最低值的情况。为了通过试验验证材料力学性能等于最低值的零件，也能满足强度要求，原则上任何试验，都应该考虑试验件材料力学性能高于最低值的影响，相应增大试验载荷。

最新的欧洲航空安全局（EASA）的发动机合格证规范CS-E840和AMC E840、美国联邦航空局（FAA）的发动机适航性标准FAR33.27和AC33.27都明确规定，“每个风扇、压气机和涡轮转子在型号设计允许的材料性能和尺寸容差最不利组合的条件下，”验证完整性。“对非材料性能和尺寸容差的最不利组合的试验转子，必须适当调整试验参数，如转速、温度、载荷。”美军标JSGS-87231A的4.4.1.6.6和MIL-STD-1783的5.8.b都提到轮盘破裂转速试验应能验证具有最低拉伸强度的盘满足破裂转速要求。英民标BCAR-C3-4章22和欧共体民标JAR-E840都明确规定，压气机和涡轮转子完整性试验，“转速是适用于技术条件允许的最低材料性能和制造成最不利尺寸容差的盘，如果情况不是这样，则应将转速相应提高”。

由此可见，试验中进行材料性能的转速修正是需要的，下面以轮盘子午面破裂转速为例来讨论轮盘在破裂试验时转速如何修正。从轮盘的破裂转速的计算公式见式（1）看，由于 分散性的存在，材料最低要求 轮盘对应的破裂转速为n_p1式（2），用于试验轮盘的破裂转速n_p2式（3），将式（2）带入式（3）就可得到n_p2跟n_p1的关系式（4）,公式（4）也表明为了保证试验轮盘的试验考核结果能够代表所有其它轮盘，那么试验轮盘的转速必须进行修正，否则试验结果只能代表性能高于试验盘的那部分轮盘，而隐藏了性能参数差的那部份轮盘破裂转速低于试验结果的情况，这样就高估了轮盘破裂转速，因为试验时不可能保证用以进行试验的轮盘材料性能刚好就是最低标准的，导致轮盘在实际使用中将存在安全隐患。同理轮盘的超转试验也需按公式（5）进行修正。

(1)

（2）

（3）

（4）

(5)

其中n_p为破裂转速，n_max为最大稳态转速, 为最大稳态转速下轮盘的子午面平均应力，n_p1为材料最低的轮盘对应的破裂转速(即材料性能修正前试验转速)，n_p2为试验盘对应的破裂转速（即材料性能修正后的试验转速），n_c1为材料最低的轮盘对应的超转转速(即材料性能修正前试验转速)，n_c2为试验盘对应的超转转速（即材料性能修正后的试验转速）。

5 材料利用系数

轮盘的一个重要的设计准则就是防止其破裂，因此对轮盘破裂转速计算的准确性就显得尤为重要。目前各所在进行轮盘子午面破裂转速计算时,通常采用平均周向应力法根据公式（1）计算轮盘的破裂转速，一些研究所考虑材料利用系数ξ进行修正,即 ，但使用的材料利用系数直接引用各规范和指南中的经验值。材料利用系数如何使用，又如何获取呢？

《航空涡喷、涡扇发动机结构强度设计准则》（研究报告）第二册中给出的轮盘材料利用系数的定义为：轮盘破裂时的平均周向应力与盘材料试验件极限强度之比。《航空发动机设计手册》第18册中指出：材料利用系数_， 为材料修正系数，其取值一般为0.7～1.0； 为轮盘几何形状的修正系数，其取值一般为0.8～1.0。材料利用系数x既反映了对非理想塑性材料的修正，同时也反映了对实际轮盘几何形状非规则型的修正，同时指出要获得此系数，需要进行大量破裂试验才能得到。《结构强度设计准则及指南》第六篇给出了不同材料的材料利用系数：对钛合金、不锈钢和变形高温合金锻件，材料利用系数x一般取0.9；对粉末合金一类轮盘，在无试验数据之前，建议材料利用系数取0.85。

从上述的定义和表达式可知材料利用系数取决于结构、材料、制造及加工工艺等多方面的因素。当材料成熟，制造及加工工艺稳定，轮盘结构相似，且经过了较多的试验验证的情况下，利用系数的取值范围会相对稳定，对一个新的相似结构、相似材料、相似加工工艺轮盘破裂转速设计时，采用此利用系数设计出的轮盘破裂转速与试验结果也会吻合较好，但当轮盘结构差异较大、材料不成熟、制造及加工工艺不稳定时，材料利用系数的取值分散性较大，若此时按成熟材料利用系数设计的粉末盘破裂转速会使试验破裂转速与设计破裂转速相差较大，可能导致试验中粉末盘提前破裂，预测的破裂模式也可能失真。当然不修正也就相当于材料利用系数取1，会导致计算的破裂转速值便高。

因此，可见在进行轮盘子午面破裂转速分析时，要得到准确的轮盘破裂转速，选用经验系数存在较大风险，最可靠、最准确的方法就是使用轮盘的实际材料利用系数，但获得此系数是需要进行大量的轮盘破裂试验才能实现，建议开展专项课题研究，按同系列发动机，选取典型盘进行，此系数也可用于以后相同材料，相似结构轮盘的破裂转速设计中。

5 结束语

发动机型号研制中碰到各种各样的问题是必然的，解决问题的过程就是不断学习和提升专业认识的过程，只有不断的总结经验教训形成相应规范，完善强度专业体系建设，才能保证在以后的型号研制过程中少走弯路，事半功倍。因此，针对文中分析的几个关键技术提出如下建议：

（1） 强度计算时要选取标准文件中所列出的材料性能最低值进行，并且要满足相关应力准则。（应编入规范）

（2） 轮盘强度试验方案设计要点：首要任务就是设计的试验转子满足试验器的使用技术要求；其次，要保证轮盘试验考核的正确性。（正编入规范）

（3）轮盘在超转、破裂试验时应按材料最低标准值进行试验转速的修正。（建议编入规范）

（4）建议开展专项研究，通过对轮盘进行破裂试验（做到破坏），统计分析出其真实材料利用系数，以保证轮盘破裂转速计算的准确性

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