[發明專利]航空發動機轉子的超轉破裂試驗的試驗件構型方法

有效

• 申請號: 201811435309.8
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN111238804B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 齊曉東;陳國光
• 申請（專利權）人: 中國航發商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: G01M13/02
• 分類號: G01M13/02;G01M13/025
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳亮

本發明提供了一種航空發動機轉子的超轉破裂試驗的試驗件構型方法，其包括以下步驟：S₁、對航空發動機的轉子組件進行超轉分析；S₂、確定所述轉子組件中最小破裂裕度輪盤；S₃、構建試驗件構型的初步設計方案；S₄、對所述試驗件構型進行超轉破裂分析；S₅、判斷所述試驗件構型設計是否滿足準則要求；S₆、確定試驗件構型；S₇、完成試驗件加工裝配；S₈、確定轉子部件的破裂轉速。本發明基于極限應變法，不包含任何系數和因子，試驗驗證簡單、直接，可以節省大量的試驗經費和時間。可以準確預測轉子的破裂起始位置，因此可直接選取該位置公差范圍內的最不利組合作為破裂的最不利尺寸，可操作性強，有理論依據，適合應用于工程研制過程。

技術領域

本發明涉及航空發動機領域，特別涉及一種航空發動機轉子的超轉破裂試驗的試驗件構型方法。

背景技術

航空發動機轉子是民用航空發動機的主要承力部件之一，其長期工作在高溫(最高可達650℃)、高轉速(3000～17000r/min)等嚴苛工作條件下。對于航空發動機轉子的設計，除了滿足靜強度、低周疲勞壽命、高周疲勞壽命等要求外，還要滿足適航條款CCAR33.27超轉要求，因為輪盤一旦破裂失效，其產生的高能碎塊將會擊穿機匣，有可能會擊中發動機管路、油箱等，甚至是擊中機艙，這些情況都將嚴重危及飛行安全。

超轉適航AC文件CFR 33.27AC No.33.27-1中要求：“必須通過分析或者試驗的方法(1)確定轉子的破裂轉速；(2)確定每一發動機模塊中承受最小破裂裕度的轉子級；(3)并且預測關鍵轉子位置處對應于轉子速度的尺寸增長。超轉條件和關鍵轉子級確定后，必須通過超轉試驗進行符合性驗證”。

在超轉試驗之前，必須進行超轉試驗件設計。試驗件設計是轉子超轉試驗成敗的關鍵。如果試驗件構型設計不當，轉子超轉試驗不能反映轉子實際的超轉性能，不僅不能達到驗證設計的目的，甚至可能誤導設計，增大輪盤超轉破裂的風險。

轉子超轉試驗件的設計方法與輪盤的超轉分析方法密切相關。關于轉子的破裂轉速預測方法，國內外有很多研究，如平均應力法，非線性有限元法。

目前，國內外主要是基于線彈性分析的平均應力方法開展轉子的破裂轉速預測及試驗件設計，即通過截面的平均應力，平均溫度及材料修正系數來預測輪盤的破裂轉速。然而，這種方法需要大量的試驗建立大規模的數據庫來確定材料修正系數，試驗工作量極為龐大，時間、費用可想而知。而且平均應力方法是基于截面平均應力和溫度進行破裂轉速預測，無法預測輪盤破裂起始位置。因此，基于平均應力法的試驗件設計，只能籠統的通過破裂轉速評價試驗件與部件方案的差異，無法準確的評估試驗件設計的好壞及與部件方案的一致性。

采用非線性有限元法進行輪盤的破裂轉速預測研究很多，特別是極限應變法。采用這種方法進行試驗件設計具有無可比擬的優勢，但是仍然側重于轉子的破裂轉速預測，未見該方法在試驗件設計上的應用研究，如果在試驗件設計上的應用，還缺乏相應的試驗件構型設計原則。

目前國內外主要是基于平均應力方法開展轉子的試驗件構型設計，并且缺乏相應的設計準則和依據，其存在以下幾個主要問題：

首先，平均應力法雖然簡單，但并沒有正確反映輪盤破裂的失效機理。由于商用發動機輪盤的常用材料通常并非理想塑性材料，隨著轉速的增加，轉子局部區域出現塑性，進入塑性后應力會根據截面的形狀進行重分布，即應力的分布規律與彈性狀態有截然的不同。輪盤破裂發生時，并非整個截面發生破壞，而是從某個局部的點首先破壞。