盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分開(kāi)槽預(yù)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空輔助動(dòng)力領(lǐng)域，特別是涉及一種用于航空起動(dòng)機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以非常高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子零件(葉片、輪盤、封嚴(yán)環(huán)等)在 工作中意外脫落或破壞時(shí)，就會(huì)在巨大的離心力作用下，以巨大的能量甩出來(lái)。此時(shí)，若包 容裝置不能包容，則高速高能飛出的碎片會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)品和人員造成極大地威脅。大型發(fā)動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000~20000rpm，中型發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在40000rpm左右，而起動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速大多 在60000rpm或更高。因此確定包容環(huán)的包容能力對(duì)保證飛機(jī)安全是非常重要的，轉(zhuǎn)子破裂 轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)技術(shù)作為包容性設(shè)計(jì)的核心技術(shù)其重要性不言而喻。
[0003] 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境和工作性質(zhì)決定了其渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和包容 性研究的必要性，因而迫切需要一種針對(duì)盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方 法為其提供必要的技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是：提供一種盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分開(kāi)槽預(yù)制方 法，提高渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)技術(shù)的精確度和破裂試驗(yàn)的效率。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分開(kāi)槽預(yù)制方法發(fā)明 專利涉及一種破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)方法，主要采用平均應(yīng)力法進(jìn)行理論計(jì)算得出初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu)， 再結(jié)合非線性有限元分析方法對(duì)盤片軸一體化的超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行 數(shù)值仿真分析，確定開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深度a的影響因子，進(jìn)一步優(yōu)化 開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。而后進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)采用逐步開(kāi)槽法，且繼續(xù)開(kāi)槽后的剩余截面積為(破裂轉(zhuǎn)速 下限/破裂轉(zhuǎn)速上限) 2X開(kāi)槽前剩余截面積，直至獲取所需的破裂轉(zhuǎn)速。該方法的具體技術(shù) 方案為：（1)根據(jù)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合三分之一渦輪轉(zhuǎn)子受力簡(jiǎn)圖 (如圖1)，提出簡(jiǎn)化的平均應(yīng)力計(jì)算方法：
[0006]
[0007] 式中:A-一徑向截面的承載面積；
[0008] R--破裂輪盤的內(nèi)徑；
[0009] h--破裂內(nèi)徑處軸向厚度；
[0010] Θ--周向承載截面的弧度；
[0011] Fr 一一破裂輪盤的離心力；
[0012] 〇b-一渦輪轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度極限。
[0013] 根據(jù)實(shí)際工況確定初始開(kāi)槽半徑R、周向開(kāi)槽角度α，借助三維造型軟件可方便的 獲得三分之一渦輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m和質(zhì)心半徑rc，渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速ω η作為已知條件，根據(jù)離 心力計(jì)算公式I； = 1?、Μ?、re和平均應(yīng)力計(jì)算公式可得到徑向截面的承載面積Α，再借助 三維造型軟件可獲得徑向開(kāi)槽長(zhǎng)度L;
[0014] 不斷調(diào)整R、a、L的取值，找出一對(duì)相對(duì)合理的值作為初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該算法 與復(fù)雜的應(yīng)力積分法相比更適用于工程應(yīng)用，且計(jì)算偏差在1 %以內(nèi)。（2)根據(jù)理論計(jì)算獲 得的參數(shù)建立渦輪轉(zhuǎn)子三維模型，采用非線性有限元分析方法對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真分 析，通過(guò)數(shù)值仿真獲得不同開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深度b對(duì)破裂轉(zhuǎn)速的影響 機(jī)理。根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)形式確定合理的開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深 度b。從而進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)槽結(jié)構(gòu)(如圖2)。
[0015] (3)進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)采用逐步開(kāi)槽法，通過(guò)對(duì)不同開(kāi)槽進(jìn)程的仿真研究，確定試驗(yàn) 過(guò)程中的常量和變量。通過(guò)逐步改變開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)獲取所需的破裂轉(zhuǎn)速，且改變后截面積S 2 與改變前截面積31的關(guān)系為；
[0016] 本發(fā)明的有益效果:采用該方法預(yù)制凹槽可精確控制渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速，大幅度 減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)提高起動(dòng) 機(jī)系統(tǒng)可靠性、優(yōu)化起動(dòng)機(jī)性能也具有重要意義。
【附圖說(shuō)明】：
[0017] 圖1三分之一渦輪轉(zhuǎn)子受力簡(jiǎn)圖。
[0018]圖2開(kāi)槽結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)為例，包容環(huán)的包容能力需要通過(guò)精確的渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn) 速進(jìn)行驗(yàn)證，即通過(guò)開(kāi)槽使渦輪轉(zhuǎn)子在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下破裂，破裂的碎片撞擊包容環(huán)，以此驗(yàn) 證包容環(huán)的包容能力。如何準(zhǔn)確獲取渦輪轉(zhuǎn)子的破裂轉(zhuǎn)速是包容性試驗(yàn)的核心。
[0020] (1)通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)獲得渦輪轉(zhuǎn)子材料的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，為理論計(jì)算 及仿真建模提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)三分之一渦 輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，利用簡(jiǎn)化的平均應(yīng)力計(jì)算方祛
艮據(jù) 實(shí)際工況確定初始開(kāi)槽位置R=13、周向開(kāi)槽角度α = 60°，借助三維造型軟件可方便的獲得 三分之一禍輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m = 0.2789kg和質(zhì)心半徑1·。= 28.97mm，禍輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速ω η = 9000rad/s作為已知條件，根據(jù)離心力計(jì)算公式盡=%和平均應(yīng)力計(jì)算公式可得 到連接面積191_2,再借助三維造型軟件可獲得徑向開(kāi)槽長(zhǎng)度L = 25.7mm。
[0021] 不斷調(diào)整R、a、L的取值，找出一對(duì)相對(duì)合理的值作為初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該算法 與復(fù)雜的應(yīng)力積分法相比更適用于工程應(yīng)用，且計(jì)算偏差在1 %以內(nèi)。
[0022] (2)根據(jù)理論計(jì)算獲得的參數(shù)建立渦輪轉(zhuǎn)子三維模型，采用非線性有限元分析方 法對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，通過(guò)數(shù)值仿真獲得不同開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑 r、開(kāi)槽深度b對(duì)破裂轉(zhuǎn)速的影響機(jī)理。
[0023]對(duì)于該型渦輪轉(zhuǎn)子得出如下結(jié)論:初始開(kāi)槽位置R= 13、周向開(kāi)槽角度α = 60°、開(kāi) 槽長(zhǎng)度L = 27.5mm，開(kāi)槽寬度d = 1mm，開(kāi)槽半徑r = 0.5mm，開(kāi)槽深度為通槽；由于周向凹槽敏 感度高于徑向凹槽敏感度，所以開(kāi)槽進(jìn)程為周向固定、逐步增大徑向凹槽的長(zhǎng)度。
[0024] (3)考慮材料特性變化、切割深度誤差、加工缺陷等的影響，渦輪實(shí)際破裂轉(zhuǎn)速與 目標(biāo)值會(huì)存在一定偏差。因而在目標(biāo)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上給出3000r/min的裕度，故設(shè)定渦輪破裂 轉(zhuǎn)速的范圍為85943~88943r/min。根據(jù)仿真分析確定開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，采用電火花線切割機(jī)，在 渦輪上預(yù)制三條均勻的徑向、周向復(fù)合凹槽。渦輪轉(zhuǎn)子預(yù)制凹槽上臺(tái)后，逐步增加轉(zhuǎn)速，緩 推到渦輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速上限，保持30秒后拉停，渦輪未破裂。
[0025] (4)進(jìn)一步增加徑向預(yù)制凹槽L的長(zhǎng)度，根據(jù)公式S2 = 0.933 XSi計(jì)算得出需將L增 大0.6mm，重新切割后，逐步增加轉(zhuǎn)速直至緩?fù)频綔u輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速上限，在轉(zhuǎn)速達(dá)到 96005r/min時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子破裂。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速滿輪轉(zhuǎn)子=等分開(kāi)槽預(yù)制方法，其特征在于:通過(guò)預(yù)制凹槽 可準(zhǔn)確獲得所需的破裂轉(zhuǎn)速，該方法采用平均應(yīng)力法進(jìn)行理論計(jì)算得出初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，再 結(jié)合非線性有限元分析方法對(duì)盤片軸一體化的超高轉(zhuǎn)速滿輪轉(zhuǎn)子=等分破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù) 值仿真分析，確定開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深度a的影響因子，進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi) 槽結(jié)構(gòu)，而后進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)采用逐步開(kāi)槽法，且繼續(xù)開(kāi)槽后的剩余截面積為(破裂轉(zhuǎn)速下 限/破裂轉(zhuǎn)速上限） 2 X開(kāi)槽前剩余截面積，直至獲取所需的破裂轉(zhuǎn)速，該方法具體步驟如 下： 步驟1:根據(jù)空氣滿輪起動(dòng)機(jī)滿輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性，提出簡(jiǎn)化的平均應(yīng)力計(jì)算方法：式中:A-一徑向截面的承載面積； R--破裂輪盤的內(nèi)徑； h--破裂內(nèi)徑處軸向厚度； 0一一周向承載截面的弧度； Fr--破裂輪盤的離屯、力； Ob--滿輪轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度極限； 步驟2:采用非線性有限元分析方法對(duì)盤片軸一體化的超高轉(zhuǎn)速滿輪轉(zhuǎn)子=等分破裂 轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)值仿真分析，通過(guò)數(shù)值仿真獲得不同開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深 度b對(duì)破裂轉(zhuǎn)速的影響機(jī)理，從而進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)槽結(jié)構(gòu)； 步驟3:進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)采用逐步開(kāi)槽法，通過(guò)對(duì)不同開(kāi)槽進(jìn)程的仿真研究，確定試驗(yàn) 過(guò)程中的常量和變量。通過(guò)逐步改變開(kāi)槽結(jié)構(gòu)獲取所需的破裂轉(zhuǎn)速，且改變后截面積S2與 改變前截面積Si的關(guān)系為；,2. 如權(quán)利要求1所述的=等分開(kāi)槽預(yù)制方法，其特征在于：步驟1中根據(jù)實(shí)際工況確定 初始開(kāi)槽半徑R、周向開(kāi)槽角度借助=維造型軟件可方便的獲得=分之一滿輪轉(zhuǎn)子的質(zhì) 量m和質(zhì)屯、半徑r。，滿輪轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速COn作為已知條件，根據(jù)離屯、力計(jì)算公式 巧平均應(yīng)力計(jì)算公式可得到徑向截面的承載面積A，再借助S維造型軟件 可獲得徑向開(kāi)槽長(zhǎng)度レ不斷調(diào)整R、a、L的取值，找出一對(duì)相對(duì)合理的值作為初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu) 的參數(shù)。3. 如權(quán)利要求2所述的=等分開(kāi)槽預(yù)制方法，其特征在于:該算法與復(fù)雜的應(yīng)力積分法 相比更適用于工程應(yīng)用，且計(jì)算偏差在1 % W內(nèi)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于一種破裂轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)技術(shù)，涉及盤片軸一體化超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分開(kāi)槽預(yù)制方法，通過(guò)預(yù)制凹槽可準(zhǔn)確獲得所需的破裂轉(zhuǎn)速。主要采用平均應(yīng)力法進(jìn)行理論計(jì)算得出初始開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。結(jié)合非線性有限元分析方法對(duì)盤片軸一體化的超高轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子三等分破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)值仿真分析，確定開(kāi)槽進(jìn)程、開(kāi)槽寬度d、開(kāi)槽半徑r、開(kāi)槽深度h的影響因子，進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)采用逐步開(kāi)槽法，且繼續(xù)開(kāi)槽后的剩余截面積為(破裂轉(zhuǎn)速下限/破裂轉(zhuǎn)速上限)2×開(kāi)槽前剩余截面積，直至獲取所需的破裂轉(zhuǎn)速。采用該方法大幅度減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)提高起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可靠性、優(yōu)化起動(dòng)機(jī)性能。
【IPC分類】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105512408
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510926653
【發(fā)明人】閆歡松, 楊雯雯, 陳利強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月14日