航空发动机低压涡轮弹性支撑断裂故障分析.pdf
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1、972023,61(8)总第7 0 8 期机械制造安全故障航空发动机低压涡轮弹性支撑断裂故障分析沈晨张江伟韦瑾中国航发动力股份有限公司西安710021摘要:某航空发动机外场正常使用至首次翻新寿命,返厂大修,发现低压涡轮弹性支撑的弹性拉杆断裂。针对这一故障,进行结构分析、现场检查,计算弹性支撑刚度,进行刚度有限元分析,并进行强度校核。通过分析,得出故障的可能原因。关键词:航空发动机低压涡轮弹性支撑断裂故障中图分类号:V232文献标志码:B文章编号:1 0 0 0-4 9 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 9 7-0 4Abstract:An aero engine used normall
2、y in external field to the first overturn life,and returned to factoryto overhaul.It was found that the elastic rod of elastic support for low-pressure turbine fractured.In response tothis fault,structural analysis and on-site inspection were carried out,stiffness of elastic support was calculatedan
3、d finite element analyzed,and strength was verified.Through analysis,the possible cause of fault wasobtained.Keywords:Aero EngineLow-pressure TurbineElastic SupportFractureFault1古故障情况为了提高航空发动机转速,减轻质量,转子普遍采用柔性转子的设计,即转子的工作转速在转子支撑系统的临界转速以上。为使转子临界转速避开发动机常用工作转速范围,转子支撑常使用弹性支撑,并改变转子支撑系统刚度,使临界转速低于1 0%最低转速,甚
4、至更低。低压转子的临界转速高于慢车转速,同时低于工作转速,当由慢车转速加速时,可以迅速通过临界转速,使转子在超临界转速状态下稳定工作。某航空发动机外场正常使用至首次翻新寿命,返厂大修,分解时发现低压涡轮弹性支撑上30 根弹性拉杆中的一根中间部分已经断裂并缺失,其它弹性拉杆则大多已发生断裂或出现裂纹。这一故障在该型航空发动机使用历史上还未曾发生过,需要通过尺寸复测、材料分析、应力计算,分析弹性支撑断裂的原因及影响,并提出使用意见。2结构分析2.1低压转子支撑形式该航空发动机低压转子采取1-2-1 支撑形式,如图1 所示。低压涡轮轴承为滚棒轴承,仅承受转子的径向负荷。2.2弹性支撑结构低压涡轮轴承
5、采用的弹性支撑为拉杆式结构,由低压涡轮中介机匣高压压气机轴承力支板低压涡轮盘低压压气机低压后轴承压气机轴低压低压涡轮轴承止推轴承发动机轴线球形联轴器中介轴球形联轴器图1低压转子支撑形式前安装边、弹性拉杆、后安装边等零件组成。弹性支撑上30 根直径为2.59 mm、长度为4 3.6 mm的弹性拉杆由1 Cr12Ni3MoVN不锈钢棒经机械加工而成。弹性拉杆的前、后端分别钎焊在前、后安装边上。弹性拉杆缺失、断裂如图2 所示。图2弹性拉杆缺失、断裂982023,61(8)总第7 0 8 期机械制造安全故障3弹性支撑刚度计算3.1支撑刚度与系统刚度关系弹性支撑以串联方式接入转子支撑系统。接入弹性支撑后
6、,系统刚度c.与支撑刚度ce、系统原刚度co之间的关系为:(1)C即有:C.Coc,=(2)c+Co当c。比Co小很多时,式(2)分母中的c。可以忽略不计,即接人弹性支撑后的系统刚度将主要由刚度较小的弹性支撑刚度决定。3.2支撑刚度计算因为弹性支撑中的弹性体通常为等截面,所以支撑刚度可以按照材料力学公式计算,为:C。=3EJ/I 3(3)式中:E为材料弹性模量;J为弹性体对中性轴的截面惯性矩;1 为弹性体长度。由此,弹性支撑刚度问题可以归结为式(3)中截面惯性矩的计算。3.3拉杆式弹性支撑刚度计算设弹性支撑共有n个拉杆,拉杆间的角度为,且均匀分布,于是其中第i个拉杆相对于弹性支撑横轴的截面惯性
7、矩J为:J,=/4dRsin(i0)(4)0=2T/n(5)式中:d为拉杆直径;R为弹性支撑平均半径。于是有:J=2J.=/4dRsin(i0)=/4 dRn/2+cos(n+1)Osin(n0)csc 0=nTdR?/8n3(6)所以,拉杆式弹性支撑刚度可以近似计算为:C。=3EJ/1 3=3n T E/8 d R/l33.4刚度变化对转子动力特性影响支撑刚度变化对转子各阶临界转速的影响是不同的,低阶次临界转速会降低,高阶次的临界转速则会升高,具体数值与转子支撑系统的具体结构及几何参数有关。弹性支撑刚度的大小对转子通过临界转速时的挠度和外传力有显著影响。理论和试验均表明,支撑刚度低,转子通过
8、临界转速时挠度小,外传力也小,但是相应的支撑变形会增大,由此造成弹性支撑的应力增大,引起疲劳寿命问题。弹性支撑转子动力特性如图3所示。转子挠度支撑力幅支撑应力弹性支撑刚度图3弹性支撑转子动力特性4刚度有限元分析使用有限元方法分析该航空发动机低压涡轮弹性支撑刚度,在弹性支撑后沿内环表面的4 596 个节点上施加共计4 0 0 7.2 5N的载荷,每个节点施加的载荷为0.8 7 1 9 N。刚度有限元分析结果如图4 所示,可见,在弹性支撑后沿内环表面施加4 0 0 7.2 5N载荷后,弹性支撑最大变形为0.4 6 1 mm,刚度为8.6 9 N/mm。.512E-04.103E-03.154E-0
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