风扇第一级盘结构优化分析

风扇第一级盘结构优化分析

王天阳 张元庆 唐艳

哈尔滨东安发动机有限公司， 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：本文为解决进气整流罩与风扇第一级盘装配干涉问题，对零组件相关尺寸进行精密测量，建立模型并进行强度分析，通过分析结果制定风扇第一级盘配合处尺寸的修理方案，并进行装配试验验证。通过调整风扇第一级盘配合尺寸，改善风扇第一级盘与进气整流罩的装配状态，解决干涉问题。

关键词：风扇转子 装配干涉 过盈 变形 应力

1 绪论

本文描述的发动机是一种小型涡扇发动机，与目前常见的涡轮发动机相比，该发动机具有体积小、重量轻、推力大、耗油率低、可靠性高和储存期内免维护等优点^[1]，是目前国际上比较先进的小型弹用发动机。

轮盘是转子的主要部件之一。在工作时承受很大的离心负荷，还有弯曲及扭转负荷^[2]，同时，为减轻风扇的质量，采用比强度高的钛合金材料制成。轮盘由三部分组成：第一级盘、第二级盘和中介环。第一、二级盘与中介环之间都有按照过盈配合要求设计的装配止口。每两个相配件经热压配合后在止口处用过盈配合的径向销钉相互固定，并传递扭矩。转子叶片安装在第一、二级盘轮缘的燕尾形榫槽内。

2 风扇第一级盘结构分析

2.1 风扇进气整流罩与第一级盘装配状态分析

风扇第一级盘前部内径与进气整流罩外径配合，理论状态下配合尺寸间隙为0～0.057，原设计尺寸配合圆柱面存在间隙，因此装配过程中不存在干涉情况。风扇第一级盘外径与鼓筒内径通过过盈止口配合，并有销钉固定定位。装配前通过加热第一级盘与鼓筒达到保证装配到位的目的。

该型发动机装配时，多次出现进气整流罩与风扇第一级盘止口处干涉问题，需用皮锤多次锤击保证装配到位。经对装配的风扇第一级盘与进气整流罩进行尺寸测量分析，进气整流罩装配处尺寸合格，风扇第一级盘的配合处尺寸测量（见表1）发现，风扇第一级盘与鼓筒装配成组件状态后，风扇一级盘前止口直径发生变形收口，导致风扇第一级盘与进气整流罩装配发生干涉。

2.2 风扇第一级盘与鼓筒配合状态分析

为进一步确定第一级盘与进气整流罩装配干涉原因，对风扇第一级盘单组件状态下相关尺寸进行了测量，如表1所示。从测量结果可以看出，第一级盘直径在单件状态下合格，组件状态下发生收口。经分析，风扇第一级盘单组件状态下仅存在与鼓筒配合的差异，在鼓筒和风扇第一级盘过盈胀紧状态下，风扇第一级盘发生变形，导致前止口直径收缩，导致装配时与进气整流罩发生干涉。

表1 第一级盘直径复查结果

2.3 风扇一级盘与鼓筒配合强度分析

考虑到风扇第一级盘前安装止口变形仅与后端装配过盈载荷有关，因此计算模型采用第一级盘与鼓筒的组合件，为计算方便起见，将第一级盘的花键部分和中介环的后侧部分简化掉。采用ANSYS对计算模型进行网格划分，共划分单元731708个，节点1077849个。

通过计算发现，组合件最大应力处为304MPa，远低于TC11的屈服极限，这表明第一级盘与鼓筒的过盈配合仍在弹性范围内。在该装配情况下，第一级盘与安装边配合面（名义尺寸Φ112mm处）的径向最大变形量为0.0365mm，位于配合面的后侧。

通过计算结果可见，第一级盘与后端的鼓筒过盈装配后，第一级盘前端与安装边的配合面发生收缩变形，变形量最大0.0365mm，从而导致第一级盘与进气整流罩装配时发生干涉。

3 风扇第一级盘返修

为解决风扇第一级盘与进气整流罩装配干涉问题，保证发动机装配状态，对风扇第一级盘前止口进行扩孔返修，对组件中第一级盘进行补充加工，由于单件基准缺失，在组件状态下以风扇第一级盘与风扇轴配合面作为基准，按图纸尺寸补充加工前止口，保证跳动要求，同时保证接刀处圆滑转接。按上述方式进行返修后，风扇第一级盘与进气整流罩装配未出现干涉情况。

4 总结

本文通过分析风扇第一级盘、进气整流罩和鼓筒的装配情况及强度分析，得出以下结论：

1）风扇第一级盘与鼓筒装配止口处过盈量为0.242mm时，所引起的最大应力远低于材料TC11的屈服极限，以上零件可继续使用；

2）风扇第一级盘与鼓筒过盈装配会在轮盘组件内形成应力，风扇第一级盘产生变形，其前止口可能会发生与进气整流罩装配干涉的情况；

3）经过在组件状态下对轮盘组件精密计量，以轴颈配合面作为基准，修理风扇第一级盘前止口可以解决上述装配干涉问题。

参考资料

[1] 航空发动机设计手册：第9册.航空工业出版社,2000

[2] 航空发动机原理.廉莜纯，昊虎.西北工业大学出版社，2005

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