CN105512408A - 盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种破裂转速预测技术，涉及盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法，通过预制凹槽可准确获得所需的破裂转速。主要采用平均应力法进行理论计算得出初始开槽结构。结合非线性有限元分析方法对盘片轴一体化的超高转速涡轮转子三等分破裂转速进行数值仿真分析，确定开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度h的影响因子，进一步优化开槽结构。进行破裂试验时采用逐步开槽法，且继续开槽后的剩余截面积为(破裂转速下限/破裂转速上限)²×开槽前剩余截面积，直至获取所需的破裂转速。采用该方法大幅度减少试验次数，提高试验效率，降低试验成本，具有较高的实际应用价值，同时提高起动机系统可靠性、优化起动机性能。

Description

盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法

技术领域

本发明涉及航空辅助动力领域，特别是涉及一种用于航空起动机的涡轮转子。

背景技术

空气涡轮起动机转子以非常高的转速运转，当转子零件(叶片、轮盘、封严环等)在工作中意外脱落或破坏时，就会在巨大的离心力作用下，以巨大的能量甩出来。此时，若包容装置不能包容，则高速高能飞出的碎片会对周围产品和人员造成极大地威胁。大型发动机的转速在10000～20000rpm，中型发动机的转速在40000rpm左右，而起动机涡轮转速大多在60000rpm或更高。因此确定包容环的包容能力对保证飞机安全是非常重要的，转子破裂转速预测技术作为包容性设计的核心技术其重要性不言而喻。

空气涡轮起动机的工作环境和工作性质决定了其涡轮转子结构的独特性和包容性研究的必要性，因而迫切需要一种针对盘片轴一体化超高转速涡轮转子破裂转速预测方法为其提供必要的技术支持。

发明内容

本发明的目的是：提供一种盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法，提高涡轮转子破裂转速预测技术的精确度和破裂试验的效率。

本发明的技术方案是：盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法发明专利涉及一种破裂转速预测方法，主要采用平均应力法进行理论计算得出初始开槽结构，再结合非线性有限元分析方法对盘片轴一体化的超高转速涡轮转子三等分破裂转速进行数值仿真分析，确定开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度a的影响因子，进一步优化开槽结构。而后进行破裂试验时采用逐步开槽法，且继续开槽后的剩余截面积为(破裂转速下限/破裂转速上限)²×开槽前剩余截面积，直至获取所需的破裂转速。该方法的具体技术方案为：(1)根据空气涡轮起动机涡轮转子的结构特性，结合三分之一涡轮转子受力简图(如图1)，提出简化的平均应力计算方法：

$\sqrt{3}{\mathrm{\σ}}_{b}A+2{\mathrm{\σ}}_b\frac{R}{2}hsin\frac{\mathrm{\θ}}{2}=F_r,$

式中：A——径向截面的承载面积；

R——破裂轮盘的内径；

h——破裂内径处轴向厚度；

θ——周向承载截面的弧度；

F_r——破裂轮盘的离心力；

σ_b——涡轮转子材料强度极限。

根据实际工况确定初始开槽半径R、周向开槽角度α，借助三维造型软件可方便的获得三分之一涡轮转子的质量m和质心半径r_c，涡轮转子破裂转速ω_n作为已知条件，根据离心力计算公式和平均应力计算公式可得到径向截面的承载面积A，再借助三维造型软件可获得径向开槽长度L；

不断调整R、α、L的取值，找出一对相对合理的值作为初始开槽结构的参数。该算法与复杂的应力积分法相比更适用于工程应用，且计算偏差在1％以内。(2)根据理论计算获得的参数建立涡轮转子三维模型，采用非线性有限元分析方法对三维模型进行数值仿真分析，通过数值仿真获得不同开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度b对破裂转速的影响机理。根据涡轮转子的具体结构形式确定合理的开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度b。从而进一步优化开槽结构(如图2)。

(3)进行破裂试验时采用逐步开槽法，通过对不同开槽进程的仿真研究，确定试验过程中的常量和变量。通过逐步改变开槽的结构获取所需的破裂转速，且改变后截面积S₂与改变前截面积S₁的关系为

本发明的有益效果：采用该方法预制凹槽可精确控制涡轮转子破裂转速，大幅度减少试验次数，提高试验效率，降低试验成本，具有较高的实际应用价值，同时对提高起动机系统可靠性、优化起动机性能也具有重要意义。

附图说明：

图1三分之一涡轮转子受力简图。

图2开槽结构示意图

具体实施方式

以某型空气涡轮起动机为例，包容环的包容能力需要通过精确的涡轮转子破裂转速进行验证，即通过开槽使涡轮转子在规定的转速下破裂，破裂的碎片撞击包容环，以此验证包容环的包容能力。如何准确获取涡轮转子的破裂转速是包容性试验的核心。

(1)通过材料力学性能试验获得涡轮转子材料的相关力学性能参数，为理论计算及仿真建模提供数据支持。根据该型空气涡轮起动机涡轮转子的结构特性，对三分之一涡轮转子进行受力分析，利用简化的平均应力计算方法根据实际工况确定初始开槽位置R＝13、周向开槽角度α＝60°，借助三维造型软件可方便的获得三分之一涡轮转子的质量m＝0.2789kg和质心半径r_c＝28.97mm，涡轮转子破裂转速ω_n＝9000rad/s作为已知条件，根据离心力计算公式和平均应力计算公式可得到连接面积191mm²，再借助三维造型软件可获得径向开槽长度L＝25.7mm。

不断调整R、α、L的取值，找出一对相对合理的值作为初始开槽结构的参数。该算法与复杂的应力积分法相比更适用于工程应用，且计算偏差在1％以内。

(2)根据理论计算获得的参数建立涡轮转子三维模型，采用非线性有限元分析方法对三维模型进行数值仿真分析，通过数值仿真获得不同开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度b对破裂转速的影响机理。

对于该型涡轮转子得出如下结论：初始开槽位置R＝13、周向开槽角度α＝60°、开槽长度L＝27.5mm，开槽宽度d＝1mm，开槽半径r＝0.5mm，开槽深度为通槽；由于周向凹槽敏感度高于径向凹槽敏感度，所以开槽进程为周向固定、逐步增大径向凹槽的长度。

(3)考虑材料特性变化、切割深度误差、加工缺陷等的影响，涡轮实际破裂转速与目标值会存在一定偏差。因而在目标转速的基础上给出3000r/min的裕度，故设定涡轮破裂转速的范围为85943～88943r/min。根据仿真分析确定开槽结构，采用电火花线切割机，在涡轮上预制三条均匀的径向、周向复合凹槽。涡轮转子预制凹槽上台后，逐步增加转速，缓推到涡轮转子破裂转速上限，保持30秒后拉停，涡轮未破裂。

(4)进一步增加径向预制凹槽L的长度，根据公式S₂＝0.933×S₁计算得出需将L增大0.6mm，重新切割后，逐步增加转速直至缓推到涡轮转子破裂转速上限，在转速达到96005r/min时涡轮转子破裂。

Claims (3)

1.盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法，其特征在于：通过预制凹槽可准确获得所需的破裂转速，该方法采用平均应力法进行理论计算得出初始开槽结构，再结合非线性有限元分析方法对盘片轴一体化的超高转速涡轮转子三等分破裂转速进行数值仿真分析，确定开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度a的影响因子，进一步优化开槽结构，而后进行破裂试验时采用逐步开槽法，且继续开槽后的剩余截面积为(破裂转速下限/破裂转速上限)²×开槽前剩余截面积，直至获取所需的破裂转速，该方法具体步骤如下：

步骤1：根据空气涡轮起动机涡轮转子的结构特性，提出简化的平均应力计算方法： $\sqrt{3}{\mathrm{\σ}}_{b}A+2{\mathrm{\σ}}_b\frac{R}{2}h\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}=F_r,$

式中：A——径向截面的承载面积；

R——破裂轮盘的内径；

h——破裂内径处轴向厚度；

θ——周向承载截面的弧度；

F_r——破裂轮盘的离心力；

σ_b——涡轮转子材料强度极限；

步骤2：采用非线性有限元分析方法对盘片轴一体化的超高转速涡轮转子三等分破裂转速进行数值仿真分析，通过数值仿真获得不同开槽进程、开槽宽度d、开槽半径r、开槽深度b对破裂转速的影响机理，从而进一步优化开槽结构；

步骤3：进行破裂试验时采用逐步开槽法，通过对不同开槽进程的仿真研究，确定试验过程中的常量和变量。通过逐步改变开槽结构获取所需的破裂转速，且改变后截面积S₂与改变前截面积S₁的关系为

2.如权利要求1所述的三等分开槽预制方法，其特征在于：步骤1中根据实际工况确定初始开槽半径R、周向开槽角度α，借助三维造型软件可方便的获得三分之一涡轮转子的质量m和质心半径r_c，涡轮转子破裂转速ω_n作为已知条件，根据离心力计算公式和平均应力计算公式可得到径向截面的承载面积A，再借助三维造型软件可获得径向开槽长度L；不断调整R、α、L的取值，找出一对相对合理的值作为初始开槽结构的参数。

3.如权利要求2所述的三等分开槽预制方法，其特征在于：该算法与复杂的应力积分法相比更适用于工程应用，且计算偏差在1％以内。