[发明专利]盘片轴一体化超高转速涡轮转子三等分开槽预制方法

说明书

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：

3σbA+2σbR2h sinθ2=Fr,]]>

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