观 弋锻 ＩⅪＭｏ ｄ ｅｒｎ删Ｍａｃ。ｈｉｍｑ
某型航空发动机的涡轮整体叶盘设计
叶炜
（中国航发动研所，湖南株洲４１２００２）
摘要：对航空发动机中涡轮整体叶盘的主要失效模式和设计需要考虑的强度问题进行了总结，对某型发动机的整
体叶盘进行了强度分析和寿命评估，同时对该叶盘进行了强度试验验证，为涡轮整体叶盘设计提供了参考。 关键词：航空发动机叶盘设计
中图分类号：Ｖ２３２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６８８６（２０１７）０６—００１４—０５
Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌｉｓｋ ｉｎ ａｎ ａｅｒｏ——ｅｎｇｉｎｅ
ＹＥ Ｗｅｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌｉｓｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌｉｓｋ ｉｎ ａｎ ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ａｔ
ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｂｌｉｓｋ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｅｓｔ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌｉｓｋ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ，ｂｌｉｓｋ，ｄｅｓｉｇｎ
０ 引言
整体叶盘是将叶片与叶盘制成一体的整体结
构。目前国内航空发动机的涡轮部件整体叶盘多应
用于小型燃气涡轮发动机，加工方式主要采用铸造
高温合金整体精铸成型。相对于叶片和叶盘采用榫
头榫槽连接方式，整体叶盘具有：减轻转子重量；避
免榫头、榫槽连接处的气体逸漏，提高效率；避免榫
头、榫槽磨损及微动磨损，增加发动机的可靠性；结
构简单，减小发动机的零件数等优点¨ Ｊ。本文从
选材、制造工艺、有限元强度校核以及试验验证等对
整体叶盘设计进行了说明。
１ 叶盘设计需考虑的主要问题
叶盘作为航空发动机中的一个关键零件，长期
处在高转速、高负荷和高温的环境下，承受着热载荷
和机械载荷的共同作用，易发生各种形式的失效破
坏，它的寿命一直是发动机关键件中最短的，其寿命
直接决定了发动机的寿命。主要的破坏形式有：
ａ）轮心出现裂纹；
ｂ）叶盘子午截面破裂；
・１４・ ｅ）蠕变损伤，导致叶盘破裂。
以上几种为整体叶盘常见的破坏形式，为了防
止叶盘出现破坏，提高设计安全裕度，在设计初期必
须对其各种可能的破坏形式进行详细设计分析，从
而保证叶盘的强度。根据可能破坏形式，叶盘强度
设计需要考虑的主要内容有＿３ Ｊ：
ａ）叶盘静强度设计；
ｂ）叶盘持久静强度设计；
Ｃ）叶盘低循环和持久寿命设计；
ｄ）叶盘破裂转速。
２ 选材分析
根据发动机的设计参数，该叶盘最高工作温度
约９７０ｏＣ，设计转速为３８５００ ｒ／ｍｉｎ，盘坯直径２４５
ｍｍ，寿命要求大于１０００次循环。目前用于涡轮整
体叶盘的材料主要有：Ｋ４１８Ｂ、Ｋ４２４、Ｋ４１７Ｇ以及
Ｋ４４７Ａ合金，这些合金的承温能力见表１，相关性能
见图１一图３ 。可以看出，与其他合金相比，
Ｋ４４７Ａ具有较高的承温能力、高的强度性能以及优
异的持久性能。从图３来看，Ｋ４４７Ａ在７６０℃下的
轴向光滑疲劳强度约是Ｋ４１８Ｂ的２．５倍。结合该 观 弋以’ Ｉ‰Ｍｏｄ ｅ ｒｎ Ｍａｃｈ 眄
ｆ）轴向力、预紧力以节点力形式施加在图５所
示Ｂ面。
在设计点状态下当量应力分布见图７，其最大
当量应力位于轮心。
Ｆｎｎｇｏ：ｎｎｗ．Ｓｔａｔｌｅ ｓｕ 聃￡２ …Ｔｅ ，ｖ０ｎＭＩ￣ａ．（Ｎ（；Ｎ－ＬＡ￣ＥＲＥｍ
图７盘体优化后当量应力（ＭＰａ）
４．２强度校核
采用普通工艺精铸成型的整体叶盘，轮心部位
晶粒粗大，低周循环疲劳Ｉ生能较差，难以满足长寿命
的使用要求。计算结果表明即便叶盘优化后，轮心
处当量应力达到９４５ ＭＰａ，周向应力８６４ ＭＰａ，其应
力值已超过Ｋ４４７Ａ普通铸造的材料性能。在叶盘
的制造工艺上考虑采用细晶铸造工艺，细晶铸造技
术可使铸件的晶粒成为细小均匀的等轴晶，从而保
证了材料组织和性能的各向同性，细晶铸造技术在
使铸件晶粒细化的同时大大改善了低周疲劳性能，
减少了铸件力学性能的分散度并提高材料的力学性
能 Ｊ。Ｋ４４７Ａ性能数据（表２）显示，细晶铸造能提
高材料性能１０％。
表２ Ｋ４４７Ａ实测性能数据 表３ 强度校核结果
４．３寿命估算
由于缺少Ｋ４４７Ａ应变一寿命曲线参数，采用文
献［８］中疲劳应力分析方法估算高压涡轮叶盘的低
循环疲劳寿命，计算过程为：
ａ）若平均应力及应力幅在修正的Ｇｏｏｄｍａｎ线
（图８）下方，则具有无穷寿命。
０ １∞ ２００ ３００ ４ｔｈ＇２，５００ ６Ｉｍ ７０｛）８ｆ）（１ ９ｔ】（）ｌ０００ Ｉ１００
图８ １０ 次循环修正的Ｇｏｏｄｍａｎ曲线
图８中：Ｏｒ 一名义平均应力．ＭＰａ；
一名义应力幅，ＭＰａ；
ｏｒ 一强度极限，ＭＰａ；
ｏｒ一 一疲劳极限，ＭＰａ；
Ｋ 一强度极限分散系数，对于铸件、钣金焊件，
取１．３；对于锻件、机械加工件或离心铸件，取１．１；
Ｋ 一疲劳极限分散系数，具体取值见图９。
ｏ 。 【 ６
图９疲劳强度分散系数
ｂ）若不满足无穷寿命，则计算参数ｃ 、ｃ ，并查 根据Ｋ４４７Ａ的细晶铸造材料的性能数据，参照 图１０可估算出寿命１３００次循环。
ＥＧＤ－３［７ｉ应力标准对叶盘进行强度校核，校核结果 Ｃ，： ／ ，Ｃ ： 一．／ 见表３。
・１６・
图１０最差疲劳试件曲线图（应力集中系数为１．０） Ｄ设ｅｓｉｇ ｎ Ｒ、ｅ研ｓｅａ究ｒｃｈ＆、分Ａｎａ析ｌｙｓｉｓ ＩＩ刎７年第 期 、 … ● ’ ’‘＇
面破裂转速比低于子午截面破裂转速比，故选取圆
柱截面进行等效转速计算。
使用以上方法计算得到当试验温度为室温时，
超转和破裂试验转速分别为５３４３１ ｒ／ｍｉｎ和５６４５９
ｒ／ｍｉｎ。
５．２超转试验结果
根据以上方法确定的试验等效转速，进行了叶
盘超转试验，试验后检查表明：最大外径残余变形小
于０．１５％，且经荧光检测没有发现裂纹，判定该叶
盘超转试验合格。
５ 叶盘强度试验验证 ６ 结论
方法对高压涡轮叶盘 图１１叶盘超转试验
的破裂转速进行计
算，方法如下：
１）叶盘子午截面破裂转速
。＿＿＿＿＿一 ：ｎ （１） Ｉ ｎ／一 ｌ ｆ 式中：ｎ。一子午截面破裂转速，ｒ／ｍｉｎ；ｎ一计算转
速，ｒ／ｍｉｎ；ｏｒ６一极限强度，ＭＰａ；ｏ－ 一平均周向应力，
ＭＰａ。
２）叶盘圆柱截面破裂转速
／／＇２：ｒｔ （２） ／了
ｕⅢ１ａ 式中：ｎ 一圆柱截面破裂转速，ｒ／ｍｉｎ；ｎ一计算转
速，ｒ／ｍｉｎ； ６一极限强度，ＭＰａ； 一盘上最大离
心径向应力，ＭＰａ。
根据应力计算结果及公式（１）、（２）计算各工况
下叶盘的破裂转速，规定超转、破裂状态下，圆柱截 本文对叶盘可能的破坏形式进行了分析，对强
度分析需要考虑的内容进行了总结。对叶盘的选
材、强度和寿命设计进行了详细的分析，并通过了超
转试验验证，得出如下主要结论：
１）叶盘形状经优化设计后可以有效降低盘心
的应力水平并提高强度储备和寿命。
２）细晶铸造工艺可以使盘体的晶粒细化，进一
步提高叶盘的强度储备和寿命。
３）基于疲劳应力分析方法，该叶盘的低循环疲
劳寿命为１３００次循环。
４）该叶盘通过了超转试验，初步验证了设计的
可行性，具备装机试验条件。
参考文献 ［１］ 黄春峰．现代航空发动机整体叶盘及其制造技术［Ｊ］．
航空制造技术，２００６（４）：ｌ一８．
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版社．２００１．
・１７・
观 弋磁 摘 Ｍｏｄ ｅ ｒｎ删Ｍａｃ ｅｑ
液压阀非定常流场数值模拟及分析
张婷。廖盛祝
（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安７１００７７）
摘要：为深入研究阀体内部流场结构。采用非定常数值模拟方法对某液压锥阅３种不同开度下的流场进行数值模
拟，并对其进行对比分析。成功地捕捉到液压锥阀的非定常流场，液压锥阀中等开度下的流场呈周期性变化；保持 进口流速不变，随着开度增大，阀芯所受压力逐渐减小，主流区宽度逐渐增大，角区漩涡面积增大，阀芯上部漩涡区
逐渐减小。
关键词：液压阀 非定常流场漩涡共振 中图分类号：ＴＨＩ３７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６８８６（２０１７）０６—００１８—０４
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｆｌｕｉｄ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖａｌｖｅ
ＺＨＡＮＧ Ｔｉｎｇ，ＬＩＡＯ Ｓｈｅｎｇｚｈｕ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖａｌｖｅ，ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ
ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｐｐｅｔ ｖａｌｖｅ ｕｎｄｅｒ ３ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｎｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅｓ．Ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｐｐｅｔ ｖａｌｖｅ ｉｓ ｃａｐｔｕｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｐｐｅｔ ｖａｌｖｅ ｉｓ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｃｈａｎｇｅｄ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｏｏｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ
ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｌｏｗ ａｒｅａ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｖｏｒｔｅｘ ａｒｅａ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｎｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｒｔｅｘ ｚｏｎｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｐｏｏ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖａｌｖｅ，ｕｎｓｔｅａｄｙ ｆｌｕｉｄ ｆｉｅｌｄ，ｖｏｒｔｅｘ，ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
０ 引言
液压阀作为流体传动与控制的重要单元之一，
在诸多工程领域中发挥着不可替代的作用。阀体流
道通常为非流线型且几何复杂，因此，其内部漩涡、
损失、噪声、振动并存，该流动特性对阀体乃至流体
传动与控制系统有着重要影响…。
Ｄ．Ｓ．Ｗｅａｖｅｒ＿２ 实验研究了某液压阀内部的振
动机理，研究发现该振动为流体诱导的自激振动，液
压阀合理的流场分布对于减小结构振动具有重要影
响。随着计算流体力学（ＣＦＤ）的发展，数值模拟技
作者简介：叶炜（１９８３一），男，汉族，福建南平人，毕业于西北 工业大学，硕士，现工作于中国航发湖南动力机械
・１８・ 术越来越多地应用在液压阀内流动分析中，并以此
指导设计。Ｒｏｇｅｒ Ｙａｎｇ 发展了一种ＣＦＤ方法，对
某液压阀内部流场进行定常数值模拟，着重研究流
体施加在阀体内制动器上的压力，为提高阀的性能
提供依据。张婧 对某锥阀在不同开口度、进口速
度、阀芯锥角下进行的数值模拟研究，得到了锥阀内
部流场结构。黄宇【５ 主要针对纯水液压锥阀容易
产生气穴的特点，设计了一种新的锥阀结构，采用
Ｆｌｕｅｎｔ对其进行流场仿真。王京涛 采用ＡＮＳＹＳ
对某液压锥阀进行了定常流场分析，并依据流场结
构对其结构进行优化。
研究所，工程师，研究方向：航空发动机涡轮结构
设计。
收稿日期：２０１７—０７—０４