...,导致弹体表面温度极高,必须采用新型耐高温航天透波材料制造的...
倪瑞林+陈祎航+赵雪
摘 要：本文针对某型产品涡轮盘轴结构的强度问题展开研究。模拟盘轴结构实际受到的载荷工况，包括温度梯度，机械载荷，通过有限元方法，计算了结构的最大应力，预测了危险位置，分析了涡轮盘轴结构的强度可靠性，完善了结构设计的完整性。
关键词：温度梯度；向心式涡轮盘轴；结构
0 引言
根据我厂某型产品的研制需求，现已完成各个零、部、组件的初步设计，由于涡轮盘和轴所处的工作环境最恶劣，受载情况最严酷，设计完成后应着重对其进行强度校核，分析结构的可靠性。
1 零件概况
1.1 零件名称
涡轮盘轴
1.2 零件組成
盘轴结构按热传导方向为基准，如图1所示，1#区域为离心式涡轮结构，2#区域为涡轮轴，与前端的发电系统相连。制造工艺采用整体加工的方式，材料为K418高温合金。
1.3 工作过程
高温高压的燃气通过蜗壳导流后，冲击涡轮叶片，由于涡轮叶片特殊的型面结构，冲击时，涡轮产生扭矩，带动涡轮轴，然后涡轮轴将扭矩传递给下一级。从工作原理的角度，涡轮盘承受的温度最高，由于热包附设计，所以涡轮轴的温度主要是由涡轮盘热传递而来，分析时，忽略热对流和热辐射对涡轮轴的影响。
2 强度分析
2.1 有限元分析流程图
涡轮盘轴结构的有限元分析流程见图2所示。
2.2 参数输入
模型参数输入包括材料参数、结构参数和载荷参数。
2.2.1 材料参数
零件选材为K418高温合金，不同温度下的材料参数（包括弹性模量，泊松比，热导率，线弹性系数等）见表1所示。
2.2.2 结构参数
涡轮盘轴结构总长73mm，涡轮轮廓直径为64mm，涡轮叶片总数为10个，具有特殊的型面，保证涡轮受到燃气冲击时，产生额定的扭矩。涡轮轴是总长为56mm的光轴，在轴端具有连接结构，由于连接结构已定义约束，故忽略此部分结构特征。
2.2.3 载荷参数
涡轮盘轴结构主要受到机械载荷和温度载荷，机械载荷主要为离心力载荷；温度载荷如图3所示，涡轮段为713℃，由有限元计算可得，涡轮轴连接段的温度为108℃。
2.3 模型建立
根据零件的尺寸参数，运用工程软件进行建模，导入有限元分析软件后，得到分析模型，如图4所示。
2.4 网格划分
对模型进行网格划分，采用WORKBENCH自带的网格划分工具，着重对叶片型面的网格进行自定义划分，网格效果图如图5所示。
2.5 载荷加载
此涡轮盘轴结构所受载荷主要分两类，一是机械载荷，即系统旋转时产生的离心力，旋转速度为70000r/min，二是温度载荷，即高温燃气冲击涡轮所传递的热量。
2.6 结果分析
2.6.1 应力计算
结构经过有限元计算后，得到结构在近似实际工作载荷条件下的应力值，其中，最大应力为203.4MPa，由标准HB 7763-2005内容可知，K418材料在800℃的温度下的强度为755MPa，大于有限元仿真得到的应力结果。
2.6.2 危险位置分析
由有限元分析结果，在温度载荷和机械载荷共同作用下，涡轮叶片的腹腔位置的应力值最高，如果发生破坏，则破坏位置最易出现在此位置，在设计时，可对此区域进行热防护设计或者冷却设计，危险位置图见图6
3 结论
基于有限元方法，对某型产品涡轮盘轴结构的强度进行分析，可以得到：在指定的温度和载荷条件下，此设计状态的零件结构满足了强度要求，但是对于涡轮叶片的危险位置则应该再处理，如采用局部热防护技术和冷却叶片技术等，目的在于降低叶片温度，增大强度。
通过结构强度仿真分析，明晰了零件的结构设计状态，对以后的结构优化工作有着很重要的指导意义。
参考文献
1. 燃气轮机涡轮盘结构应力有限元分析 张艳春 燃气轮机技术 2007-09-16 期刊
2. 基于专家系统的涡轮盘结构设计研究 刘斌； 陈志英 机械设计与制造 2009-08-08 期刊endprint
