某型航空发动机涡轮机匣选材论证分析

傅依顺，沈 毅 ，姜曦灼，廖连芳

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

某型航空发动机涡轮机匣选材论证分析

傅依顺，沈 毅 ，姜曦灼，廖连芳

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

以某型航空发动机高、低压涡轮机匣选材为例，对温度、强度和寿命进行了计算分析，并结合生产成本、材料供应状况和工艺成熟度，提供了涡轮机匣材料选择的方法。分析结果表明:GH4169合金比较适合作为航空发动机涡轮机匣材料。

航空发动机；涡轮机匣；选材；GH4169合金

0 引言

高推重比发动机涡轮机匣要承受较高的温度、内外壁压差，并且要传递发动机的轴向力、扭矩和机动载荷等，同时又要具有较轻的质量，所以其设计具有一定难度，要充分考虑下列基本要求：合理地选择耐高温材料，保证零件在高温下安全可靠地工作；既要保证机匣具有足够的刚性，又要使得机匣质量轻，并便于与转子的装配；要使机匣相互之间有很好的热定心功能，转、静子之间能保持良好的同心度；具有良好的加工性能和较高的性价比。在某型发动机高、低压涡轮机匣的方案设计中，对照中国高温合金基础，初步决定从GH761、GH4169和GH901合金中选用1种机匣材料。

本文主要对温度、强度和寿命进行了计算分析，并对生产成本、材料供应状况和工艺成熟度进行了比较分析，最后给出某型航空发动机涡轮机匣选材的建议。

1 3种材料涡轮机匣强度、寿命计算分析

根据发动机结构设计准则，针对GH761、GH4169和GH901合金3种材料，分别对高、低压涡轮机匣在设计（1A）、最大气动（2A）和最大热负荷状态（5A）下的温度场、应力和位移进行计算分析。

1.1 高压涡轮机匣温度场、应力和变形

1.1.1 高压涡轮机匣温度场

对由GH761、GH4169和GH901合金加工的高压涡轮机匣，在设计和最大气动以及最大热负荷状态下分别进行了温度场计算，在此仅给出在设计状态下3种材料对应的温度场，如图1所示（温度单位：K）。在其它状态下与在设计状态下的情况相似，故略去，3种材料对应的设计和最大气动以及最大热负荷状态下的温度范围见表1。

表1 3种材料对应各状态下的温度范围 K

1.1.2 高压涡轮机匣应力和变形

对由GH761、GH4169和GH901合金加工的高压涡轮机匣，在设计和最大气动以及最大热负荷状态下分别进行了应力和位移计算，现仅给出GH4169材料在设计状态下的径向（半径）和轴向位移，如图2所示；在设计状态下的径向、轴向和周向的应力如图3所示。在其它状态下的位移和应力变化与在设计状态下的相似，故略去。3种材料对应的设计、最大气动和最大热负荷状态下的位移和应力范围见表 2、3。

1.1.3 3 种材料高压涡轮机匣计算结果分析和寿命估算

（1）3种材料径向位移最大值比较见表4。从表中可见，GH4169和GH761合金的径向位移计算结果比较接近，GH901比GH761合金的径向位移稍大。

表2 各状态位移最大值 mm

表3 各状态应力范围 MPa

表4 径向位移最大值比较 mm

（2）由3种材料加工的高压涡轮机匣均可以满足强度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循环估算高压涡轮机匣低循环疲劳寿命。利用S-N曲线，分别计算出由GH4169和GH901合金加工的高压涡轮机匣的疲劳寿命分别为8×104和2.5×104周；由于GH761合金的数据不全，无法给出由其加工的机匣的疲劳寿命，但其疲劳性能要好于GH901合金的。由3种材料加工的高压涡轮机匣均可满足3×103h设计寿命要求。

1.2 低压涡轮机匣温度场、应力和变形

1.2.1 低压涡轮机匣温度场计算结果

对由GH761、GH4169和GH901合金加工的低压涡轮机匣，在设计和最大气动以及最大热负荷状态下分别进行了温度场计算，由于其温度场与高压涡轮机匣的情况相似，故略去，现给出3种材料对应的设计和最大气动设计最大热负荷状态下的温度范围，见表5。

表5 3种材料对应各种状态的温度范围 K

1.2.2 低压涡轮机匣应力和变形

对由GH761、GH4169和GH901合金加工的低压涡轮机匣，在设计和最大气动以及最大热负荷状态下分别进行了应力和位移计算，由于其位移与高压涡轮机匣的情况相似，故略去，现给出3种材料对应的设计和最大气动以及最大热负荷状态下的位移和应力范围见表6、7。

表6 各种状态位移最大值 mm

表7 各种状态应力范围 MPa

1.2.3 低压涡轮机匣计算结果分析和寿命估算

（1）径向位移最大值比较见表8。从表中可见，GH4169和GH761合金的径向位移计算结果比较接近，GH901比GH761合金的径向位移稍大。

表8 径向位移最大值比较 mm

（2）由3种材料加工的低压涡轮机匣均可以满足强度要求。

（3）按最苛刻的“0—2A—0”循环估算低压涡轮机匣低循环疲劳寿命。利用S-N曲线，计算出由GH4169和GH901合金加工的低压涡轮机匣的疲劳寿命均为105周以上；由于GH761合金的数据不全，无法给出由其加工的机匣的疲劳寿命，但其疲劳性能要好于GH901合金的。由3种材料加工的的低压涡轮机匣均可满足3000h的设计寿命要求。

2 3种材料机匣的质量和成本

零件质量是航空发动机的质量指标，在设计过程中必须进行权衡。零件的制造成本，关系到发动机的竞争力，同样决定了发动机的生存，在设计时也应该考虑。由于计算零件的成本是1项复杂的工程，现在还没有比较好的估算方法，只能暂时参考材料的价格。由3种材料加工的机匣的质量和材料价格见表9。

表9 涡轮机匣质量和材料价格

从表9中可见，由GH4169、GH901合金加工的机匣质量分别比由GH761合金加工的重0.298kg和0.238kg，机匣的毛料质量约为100kg；3种材料的成本是有差异的，由GH4169、GH761和GH901合金加工的每个涡轮机匣价格分别为7.6、7和6万元。

3 总结和建议

（1）高、低压涡轮机匣可以选用GH761合金。但由于该合金毛料的供应和锻造质量稳定性存在一定的问题，且缺乏研究经费，没有进行冶炼和锻造的深入研究，从而有关数据不全。只要解决锻造质量稳定性问题，在航空发动机上750℃环境下应用GH761合金有一定发展空间。但要在更高温度下应用，还需进行深入研究。

（2）高、低压涡轮机匣若选用GH901合金，从上面分析可知，虽然该材料的生产成本较低，但力学性能比另2种材料的差，应力也比另2种材料的高，其变形比GH761合金的大，涡轮叶尖间隙较大，影响发动机性能、可靠性和耐久性，因此不建议采用GH901合金用作机匣材料。

（3）GH4169合金力学性能优越，持久和蠕变性能优于另2种材料；通过计算可知，采用该材料加工的机匣变形较小，涡轮叶尖间隙更好控制；该材料应用广泛，生产制造工艺也很成熟。从有关数据对比分析可知，选用GH4169合金，虽然其毛料成本最贵，但由于材料的成熟度高、制造工艺成熟，从而可减少生产中其他方面的投入，使其总成本有所降低。

虽然3种材料均能满足涡轮机匣设计要求，但根据以上分析，建议采用GH4169合金作为涡轮机匣材料。

[1]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册：第2卷[S].北京：中国标准出版社，2002：155-359.

[2]《航空发动机设计手册》编辑委员会.航空发动机设计手册:第10册[M].北京：航空工业出版社，2001：238-243.

[3]《航空发动机设计手册》编辑委员会.航空发动机设计手册:第16册[M].北京：航空工业出版社，2001：97-135.

[4]《航空发动机设计手册》编辑委员会.航空发动机设计手册:第17册[M].北京：航空工业出版社，2001：71-295.

[5]《航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则（研究报告）》编辑委员会.航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则（研究报告）：第4卷[S].北京:中国航空工业总公司发动机系统工程局，1997：17-197.

Demonstration of Material Selection for an Aeroengine Turbine Frame

FU Yi-shun,SHEN Yi,JIANG Xi-zhuo,LIAO Lian-fang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institue,Shenyang 110015,China）

Take material selection of an aeroengine high and low pressure turbine casing as an example,the temperature,strength and life of the frame with different materials were calculated and analyzed.The advice of material selection for the turbine casing were proposed with the manufacture cost,material source and TRL.The results show that GH4169alloy is more suitable for aeroengine turbine casing.

aeroengine;turbine casing;material selection;GH4169alloy

傅依顺（1967），男，自然科学研究员，从事航空发动机结构设计工作。