渦輪導(dǎo)向葉片熱應(yīng)力計(jì)算

北京航空航天大學(xué) 于榮斌

1.引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在工廠進(jìn)行完長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)部分渦輪導(dǎo)向葉片有裂紋。裂紋位于排氣邊中部，并基本垂直于排氣邊。

本文使用CFX軟件計(jì)算燃?xì)獾牧鲌?chǎng)，然后將流場(chǎng)計(jì)算得到的溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行耦合計(jì)算，最終得到葉片的熱應(yīng)力分布情況。

2.導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片從上到下可劃分為掛鉤、上緣板、葉身、下緣板、凸邊五個(gè)部分。葉片上緣板上的兩個(gè)掛鉤掛在渦輪機(jī)匣內(nèi)壁的環(huán)槽內(nèi)限制導(dǎo)向葉片的徑向位置。葉片下緣板的兩條凸邊共同組成一個(gè)圓錐面和一個(gè)環(huán)面，與內(nèi)機(jī)匣配合。

導(dǎo)向葉片是空心的，但孔的下端焊接封閉，只起保持等壁厚、減重和減少熱應(yīng)力的作用。渦輪導(dǎo)向葉片上下緣板內(nèi)表面構(gòu)成燃?xì)馔ǖ馈?/p>

導(dǎo)向葉片的應(yīng)力來源主要有如下三方面：

(1)導(dǎo)向葉片在工作過程中承受著溫度場(chǎng)引起的熱應(yīng)力。在工作過程中，冷卻氣流冷卻葉片外緣板，燃?xì)庠趶较蚍较驕囟茸兓埠艽?。所以葉片存在著一個(gè)溫度場(chǎng)，承受著因溫度不均所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

(2)導(dǎo)向葉片在工作過程中承受著氣動(dòng)載荷。由于高溫高壓燃?xì)饬鹘?jīng)導(dǎo)向葉片，使導(dǎo)向葉片承受著燃?xì)馑碌臍鈩?dòng)載荷。

(3)導(dǎo)向葉片還可能受到機(jī)匣與內(nèi)機(jī)匣的配合影響。葉片與機(jī)匣、內(nèi)機(jī)匣之間的配合關(guān)系也能夠改變?nèi)~片的應(yīng)力場(chǎng)。

在以上三種載荷中，熱應(yīng)力是渦輪導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)中主要考慮的。由此可以擬定導(dǎo)向葉片應(yīng)力場(chǎng)分析的步驟。首先計(jì)算流場(chǎng)，分析渦輪導(dǎo)向器內(nèi)部的氣動(dòng)與傳熱情況。然后進(jìn)行流固耦合計(jì)算，將葉片溫度場(chǎng)導(dǎo)入應(yīng)力計(jì)算中，得到葉片的熱應(yīng)力分布情況。

3.建立模型

對(duì)葉片和燃?xì)饨⒛Ｐ?，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖2為最終得到的數(shù)值模型。數(shù)值模型共有單元10744個(gè)，節(jié)點(diǎn)8723個(gè)。

4.流場(chǎng)計(jì)算

4.1 邊界條件

采用流場(chǎng)計(jì)算軟件ANSYS CFX進(jìn)行流場(chǎng)的計(jì)算分析，圖3為ANSYS CFX界面下的計(jì)算模型。

在葉片的掛鉤上表面與凸邊下表面設(shè)置溫度邊界條件，模擬葉片與機(jī)匣、內(nèi)機(jī)匣之間的傳熱關(guān)系。燃?xì)馊肟谠O(shè)置流量條件和總溫條件，燃?xì)獬隹谠O(shè)置靜壓條件。

燃?xì)鉁囟妊貜较虻姆植记闆r，基本決定了葉片的溫度場(chǎng)，是影響葉片應(yīng)力的主要因素之一。因此燃?xì)膺M(jìn)口溫度分布擬合是否能夠符合導(dǎo)向葉片的實(shí)際工作情況，是研究工作的基礎(chǔ)。由于沒有渦輪導(dǎo)向器二級(jí)入口的流場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此利用原型機(jī)的燃燒室出口溫度分布進(jìn)行擬合。該發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上燃燒室出口溫度比原型機(jī)高95K，因此計(jì)算時(shí)在原型機(jī)出口溫度分布上提高95K作為該發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)下燃燒室出口溫度分布。依據(jù)氣動(dòng)驗(yàn)算報(bào)告，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器二級(jí)進(jìn)口溫度比燃燒室出口溫度低133K。綜上兩點(diǎn)可以認(rèn)為在原型機(jī)燃燒室出口溫度分布基礎(chǔ)上降低38K，即可作為渦輪導(dǎo)向器二級(jí)燃?xì)膺M(jìn)口溫度分布。在10組數(shù)據(jù)中選擇與平均溫度方差最大的一組，作為燃?xì)獾倪M(jìn)口溫度。

4.2 計(jì)算結(jié)果

通過流場(chǎng)計(jì)算可以得到葉片的溫度分布如圖4所示。由圖中可以看出葉身溫度分布規(guī)律：在徑向方向，葉身中部溫度較高，兩側(cè)溫度逐漸降低；在軸向方向，進(jìn)氣邊溫度稍高，進(jìn)氣邊最高溫度1114K，排氣邊最高溫度1084K。另外考查葉片表面氣動(dòng)載荷分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)葉片表面受氣動(dòng)力載荷最高僅0.2MPa。因此，氣動(dòng)載荷不會(huì)對(duì)葉片應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響。

5.熱應(yīng)力計(jì)算

圖1 渦輪導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)

圖2 葉片與燃?xì)鈹?shù)值模型

圖3 ANSYS CFX界面下的計(jì)算模型

圖4 葉片溫度場(chǎng)

圖5(a) 葉片等效應(yīng)力場(chǎng)

圖5(b) 葉片徑向應(yīng)力場(chǎng)

葉片上與其它部件配合的位置可分為軸向、周向、徑向三類。其中，在氣動(dòng)載荷作用下，葉片上緣板末端向后與定距環(huán)軸向配合，上緣板側(cè)面沿逆時(shí)針方向與定位槽周向配合，上緣板上的兩個(gè)掛鉤與渦輪機(jī)匣內(nèi)壁的環(huán)槽配合。在葉片上緣板末端設(shè)置軸向約束，模擬葉片與定距環(huán)的配合情況；在葉片的上緣板側(cè)面設(shè)置周向約束，模擬葉片與定位槽的配合情況；在葉片的掛鉤上表面設(shè)置約束，模擬葉片與機(jī)匣的配合情況。

將葉片的溫度場(chǎng)導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。圖5與圖6分別為葉片的等效應(yīng)力場(chǎng)與徑向應(yīng)力場(chǎng)。

6.結(jié)論

在葉片溫度較高的部分中，排氣邊中部應(yīng)力最大，與裂紋位置相符。并且此處的應(yīng)力主要是沿徑向方向的熱應(yīng)力，與裂紋方向相符。因此可以認(rèn)為計(jì)算可靠，葉片的裂紋是由于熱應(yīng)力過高引起的。

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