某发动机燃气涡轮模型涡轮转子轴向预紧分析

陈欢欢 赵艳云 熊望骄

摘 要：基于ANSYS/Workbench软件建立了某涡轴发动机燃气涡轮模型涡轮转子的二维有限元模型，采用有限元方法计算了该转子的松弛力，并与成熟发动机试验件转子进行了对比分析，研究两者松弛力差异较大的具体原因，对发动机试验件转子结构设计提出了合理化建议。

关键词：燃气涡轮;模型涡轮;松弛力;轴向预紧

中图分类号：V231.95 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0117-02

现代小型涡轴、涡桨发动机中各级转子之间多采用圆弧端齿及施加预紧力的中心拉杆连接，这种连接方式具有轴系同心精度好、装拆方便等优点[1-2]。发动机工作时，由于转子承受离心力、气动力（包含轴向力和扭矩）、热载荷以及机动载荷等，转子零部件存在轴向收缩或伸长的现象。为了保证转子安全可靠地工作，装配时需要通过调整压紧螺母的拧紧力矩来施加适当的轴向预紧力。预紧力过小，转子不能正常连接和运转;预紧力过大，会降低中心拉杆及其他零部件的强度储备。因此，进行转子轴向预紧力分析非常必要。

确定转子的轴向预紧力，须先确知转子的最大松弛力（压紧力），然后结合转子轴向预紧力规定值的确定准则和方法，计算并给出满足工程要求的轉子轴向预紧力（拧紧力矩）。端齿连接转子轴向预紧力的确定准则和确定方法[3]。一种确定端齿连接转子各接触面上松弛力和压紧力的简化计算方法[4]。

本文基于ANSYS/Workbench软件采用二维轴对称模型对某涡轴发动机燃气涡轮模型涡轮转子轴向松弛力进行了计算，并与成熟发动机试验件转子进行了对比，分析了松弛力差异较大的原因。

1 模型涡轮转子松弛力计算

1.1 结构简介

某涡轴发动机燃气涡轮模型涡轮转子支承方式为简支形式，左侧有一棒轴承，右侧有一球轴承，转子结构示意图见图1。两级涡轮整体叶片盘通过花键与涡轮轴连接，并通过螺母进行轴向预紧。

1.2 有限元模型

采用二维模型计算转子的松弛力，叶片部分采用八节点四边形平面应力单元划分网格，其余部分采用八节点四边形轴对称单元划分网格，并在各零部件连接处建立接触对。

计算时考虑了离心载荷、温度载荷、气动载荷及转子结构径向过盈/间隙。离心载荷以转速形式施加，温度载荷以节点温度形式施加，气动载荷以分布面压力形式施加在相应的腔面，径向过盈或间隙按设计值或实际值施加在相应位置处。

1.3 结果分析

对于单段预紧的转子，松弛力（压紧力）只与转子的结构、材料和工作载荷有关，而与转子所加的初始预紧力的大小无关。

有限元计算时，在压紧螺母与一级叶片盘轴向接触位置处施加过盈量以模拟初始预紧力，得到压紧螺母处的松弛力为97860N，比其他转子的松弛力大，如取预紧裕度为2.0，则需要195720N的预紧力，对装配工装及压紧螺母的螺纹强度要求较高。

为分析影响该处松弛力的主要原因，分别计算了转子仅在温度载荷、离心载荷、气动载荷单独作用下的松弛力，计算结果如表1所示。可以看出，离心载荷对压紧螺母处松弛力的影响最为明显。

图2给出仅离心载荷作用时转子的综合位移及变形分布。由于一、二级整体叶片盘轮心两侧均伸出了沿轴向跨度相对较长的轴段，在离心载荷下作用下叶片盘盘体会产生比轴段大的径向位移，由于泊松效应，轮盘轴段会产生较大的轴向收缩，从而使转子发生松弛，产生较大松弛力。

2 与成熟机转子松弛力对比分析

某成熟发动机试验件转子在结构形式上与本试验件颇为相似，亦通过花键将两级整体叶片盘与涡轮轴连接，采用压紧螺母对两级涡轮整体叶盘进行预紧，结构对比见图3。计算得到成熟机转子松弛力见表2。可以看出，本试验件转子因温度载荷、离心载荷产生的松弛力均比成熟机转子大。

2.1 几何结构分析

本试验件转子两级叶片盘上带有封严蓖齿，而成熟机转子采用“两级涡轮整体叶盘+两级封严蓖齿环”的形式，轴向跨度相对较长。本试验件转子涡轮轴半径大，压紧区间轴向长度短，导致涡轮轴刚度较大，产生相同的轴向变形量所需的载荷较大。

2.2 结构选材分析

两型转子结构选用材料对比见表3，试验温度下材料性能数据见表4。成熟机转子两级叶片盘及两级封严环的线膨胀系数均比本试验件两级叶片盘的大，在相同温度载荷下，成熟机转子盘类零件因热膨胀产生的轴向变形量大，盘类零件与涡轮轴间的轴向松脱量较小，有利于转子预紧，因此推断在温度载荷下成熟机转子松弛力较小。

2.3 轴向变形分析

表5为两型转子各结构仅在温度载荷下的轴向变形量。成熟机转子涡轮轴因热载荷产生的轴向膨胀量大，这是由于其涡轮轴压紧区间轴向跨度较大所致。对于盘类零件与涡轮轴之间的轴向相对松脱量，本试验件为0.021565mm，大于成熟机的0.012614mm，不利于转子预紧。

表6为两型转子仅在离心载荷下各结构轴向变形量。成熟机转子涡轮轴因离心载荷产生的轴向收缩量较大，有利于转子预紧;而盘类零件因离心载荷产生的收缩量较小，也有利于转子预紧。对于盘类零件与涡轮轴之间的轴向相对松脱量，本试验件转子为0.042855mm，大于成熟机转子0.032633mm，因而本试验件转子松弛力相对较大。

3 结论

本文开展了某涡轴发动机模型涡轮试验件转子松弛力分析，并与成熟发动机转子进行对比分析，得出结论如下：

（1）在结构设计时，转子上的盘类零件轴向跨度不应过大，否则会因为离心载荷产生较大的轴向收缩，不利于转子预紧。

（2）当转子承受温度载荷时，应注意转子上盘类零件和拉杆的材料选取，两者的材料线膨胀系数差别不应过大，否则不利于转子预紧。

参考文献

[1] 刘长福.航空发动机构造[M].北京：国防工业出版社，1980.

[2] 邓庆年.圆弧端齿联轴器浅析[C].中国航空学会第一届发动机结构强度振动学术会议文集，1981.

[3] 尹泽勇，胡柏安，吴建国，等.端齿连接转子轴向预紧力的确定[J].航空动力学报，1996，11（4）：355-357.

[4] 尹泽勇，胡柏安，吴建国，等.端齿连接转子轴向松弛力（压紧力）计算[J].航空学报，1996，17（5）：555-560.