發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣故障的計(jì)算分析

劉春風(fēng)，朱 暢，張 輝

北京航空航天大學(xué)，北京 100191

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣通常是圓柱形或圓錐形的薄壁殼體，除了起到固定導(dǎo)向葉片的作用外，還用于傳遞相鄰部件的負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)的重要構(gòu)件。

在渦輪機(jī)匣的實(shí)際工作中，內(nèi)部有高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)，容易使機(jī)匣剛性不夠，出現(xiàn)足夠大的變形而產(chǎn)生碰磨，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片折斷，為了解決變形大的問(wèn)題，機(jī)匣的制造工藝開始轉(zhuǎn)變?yōu)殄懺焓秸w結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)機(jī)匣通冷卻氣流進(jìn)行冷卻[1]。然而，在鍛造式整體結(jié)構(gòu)的機(jī)匣中，局部經(jīng)常產(chǎn)生裂紋造成整件機(jī)匣報(bào)廢，為解決裂紋問(wèn)題，一般通過(guò)工作狀態(tài)的數(shù)值模擬計(jì)算，找出導(dǎo)致裂紋的主要原因，在局部進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以解決故障。

本文研究的渦輪機(jī)匣在內(nèi)壁帶有環(huán)槽，各有23個(gè)定位導(dǎo)向葉片和非定位導(dǎo)向葉片沿周向相間掛在內(nèi)壁的環(huán)槽上，同時(shí)定位導(dǎo)向葉片的緣板卡在機(jī)匣定位槽內(nèi)固定周向位置。該發(fā)動(dòng)機(jī)大修經(jīng)常出現(xiàn)渦輪機(jī)匣定位槽根部裂紋，造成多件機(jī)匣報(bào)廢。渦輪整體為循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1為1/23渦輪結(jié)構(gòu)的幾何模型和裂紋的產(chǎn)生位置。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的幾何模型

為了明確該渦輪機(jī)匣定位槽裂紋故障的產(chǎn)生機(jī)理，找出導(dǎo)致裂紋的主要原因，開展了本文的計(jì)算分析工作。

1 模擬計(jì)算

本文研究的渦輪機(jī)匣定位槽在實(shí)際工作中主要有熱載荷和導(dǎo)向葉片的氣動(dòng)載荷起到主要作用。由于熱載荷的存在，使渦輪機(jī)匣承受著因溫度不均所產(chǎn)生的熱應(yīng)力；由于導(dǎo)向葉片的氣動(dòng)載荷，使定位槽承受著導(dǎo)向葉片沿周向的擠壓力。通過(guò)兩種載荷作用下的定位槽應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比，即可得到對(duì)裂紋部位起主導(dǎo)作用的載荷。

1.1 流場(chǎng)計(jì)算

目前在計(jì)算熱應(yīng)力的方法中，少數(shù)采用數(shù)值估算得到溫度場(chǎng)[2]，大多數(shù)在有限元模型中將已知的溫度點(diǎn)作為邊界條件，通過(guò)定義材料的熱導(dǎo)率直接計(jì)算溫度場(chǎng)[3]，這些傳統(tǒng)方法得到的溫度場(chǎng)精度很低。本文在流場(chǎng)處理軟件ANSYS CFX中對(duì)渦輪部件進(jìn)行流場(chǎng)分析，通過(guò)流場(chǎng)分析得到渦輪溫度場(chǎng)，在ANSYS中完成熱應(yīng)力的計(jì)算，這比傳統(tǒng)方法得到的溫度場(chǎng)精度要高，溫度應(yīng)力也更為準(zhǔn)確。

在流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，基于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件實(shí)際穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的參數(shù)，設(shè)定流場(chǎng)計(jì)算需要的邊界條件，完成渦輪部件冷卻氣流域和主燃?xì)饬饔虻牧鲌?chǎng)計(jì)算[4-6]，為渦輪機(jī)匣應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算準(zhǔn)備條件。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

仍選取1/23渦輪機(jī)匣作為應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的有限元模型[7]，從流場(chǎng)分析中提取渦輪機(jī)匣的溫度場(chǎng)作為熱載荷，計(jì)算得到定位槽的熱應(yīng)力分布如圖2，可見(jiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)和實(shí)際起裂點(diǎn)位置一致，最大等效應(yīng)力值達(dá)到582MPa，超過(guò)材料在該溫度下的屈服極限，說(shuō)明熱應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋的主要原因。

圖2 定位槽的熱應(yīng)力分布

選用圖3所示的有限元模型計(jì)算定位槽在導(dǎo)向葉片氣動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力分布，由于非定位導(dǎo)向葉片和定位導(dǎo)向葉片的葉身形狀完全相同，并且非定位導(dǎo)向葉片的氣動(dòng)力通過(guò)定位導(dǎo)向葉片傳遞至定位槽上，所以在計(jì)算時(shí)將定位導(dǎo)向葉片葉身的氣動(dòng)力分量加倍，以考慮非定位導(dǎo)向葉片的影響。計(jì)算得到定位槽此時(shí)的應(yīng)力分布如圖4，可見(jiàn)最大等效應(yīng)力只有36.1MPa，且不在起裂部位，起裂部位的等效應(yīng)力只有24.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱應(yīng)力水平。

圖3 氣動(dòng)載荷計(jì)算的有限元模型

圖4 導(dǎo)向葉片氣動(dòng)載荷下的定位槽應(yīng)力分布

1.3 故障分析

渦輪機(jī)匣展開的流場(chǎng)計(jì)算和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果顯示，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，導(dǎo)向葉片由于氣動(dòng)力作用對(duì)定位槽的擠壓力很小，而渦輪機(jī)匣的熱應(yīng)力水平已超過(guò)機(jī)匣材料在工作溫度下的屈服極限，并且熱應(yīng)力的最大等效應(yīng)力點(diǎn)和實(shí)際渦輪機(jī)匣工作中的起裂點(diǎn)位置一致，充分說(shuō)明熱應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋的主要載荷。

由于熱應(yīng)力由材料的溫度梯度引起，為此，改進(jìn)措施應(yīng)注重減小渦輪機(jī)匣定位槽處的溫度梯度。定位槽的溫度梯度明顯來(lái)源于主燃?xì)饬饔蚝屠鋮s氣流域的溫差，因此可以考慮在定位槽表面噴涂隔熱涂層，降低高溫燃?xì)獾臎_擊，以達(dá)到減小溫度梯度的目的。

2 結(jié)論

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣定位槽在使用過(guò)程中的裂紋故障，開展了工作狀態(tài)的模擬計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論：

1）渦輪機(jī)匣定位槽的裂紋產(chǎn)生部位承受的主要載荷為熱載荷，氣動(dòng)載荷的作用效果相比于熱載荷來(lái)講很小；

2）針對(duì)熱應(yīng)力為主的裂紋，可以在定位槽表面噴涂隔熱涂層，降低高溫燃?xì)獾臎_擊，改善熱應(yīng)力情況。

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