某型發(fā)動機渦輪葉片的蠕變壽命分析

柯銘亮，楊偉鋒，丁玉亭，薛倫生

（1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原713800；2.解放軍93704部隊裝備處，北京 通州101149）

航空發(fā)動機渦輪葉片構(gòu)件，長期在高溫和循環(huán)載荷共同作用下工作，疲勞-蠕變交互作用導(dǎo)致的斷裂，是此類熱鍛構(gòu)件失效的主要原因[1]。而對于航空發(fā)動機，渦輪轉(zhuǎn)子及葉片作為燃氣輪機關(guān)鍵零部件，在工作中承受著很大的熱負(fù)荷、離心力、氣流力。由于其工作條件惡劣，使得渦輪盤葉片成為故障多發(fā)的零部件，其壽命直接決定了燃氣輪機的使用壽命，渦輪葉片在高溫燃氣和循環(huán)載荷下的工作可靠性，將直接影響飛行安全性以及發(fā)動機的使用壽命[2～5]。

因此，對于渦輪葉片蠕變壽命的研究，將對提高渦輪葉片設(shè)計以及航空發(fā)動機整體可靠性提升，都有十分顯著的作用。

1 研究方法

通過采用比較研究法以及數(shù)值模擬的研究方法，對渦輪葉片進行模擬計算，利用已選擇的蠕變壽命預(yù)測方法，對所給的葉片模型進行計算模擬；首先對所給的模型進行合理的簡化，根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)特點和載荷分布劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入ANSYS進行模擬計算。對葉片進行熱分析以及應(yīng)力分析。

（1）熱分析。選取最高溫度作為主要計算狀態(tài)。由渦輪葉片的熱源和結(jié)構(gòu)，在有限元模型中構(gòu)成熱邊界條件進行模擬計算。

（2）應(yīng)力分析。由資料中可以得到葉片的載荷，并結(jié)合飛行狀態(tài)計算，可知各個狀態(tài)下的溫度場和應(yīng)力載荷，進而進行有限元分析。計劃選取溫度最高部位、葉根葉背葉尖、葉身應(yīng)力最大點進行考核計算。主要使用的軟件包括：UG（建立實體模型）、Hypermesh（對模型進行網(wǎng)格劃分）以及ANSYS（進行仿真模擬計算）。

有限元分析過程流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

2 渦輪葉片的有限元分析

2.1 有限元模型

首先利用UG軟件建立某型航空發(fā)動機渦輪葉片部件的幾何模型。根據(jù)分析問題的需要，對葉片模型采用一定的簡化措施。研究過程中，重點考察葉身部分負(fù)載情況，對榫頭和輪盤榫槽間的摩擦力不做關(guān)注，對榫槽部位做簡化處理，忽略一些非關(guān)鍵部位小的銷釘孔以及小的倒角。

將葉片模型通過Parasolid格式從UG導(dǎo)入Hyper mesh軟件中，使用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格劃分，在保證精度的同時大大減少了工作量。

混合網(wǎng)格模式下，利用三維20節(jié)點六面體單元與10節(jié)點四面體單元綜合分網(wǎng)，兩種單元過渡處為金字塔單元；單元大小為1.000，最小單元大小為0.800，共計劃分單元數(shù)45 327個，節(jié)點數(shù)87 548個。

將Hyper mesh的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Ansys軟件中時，進行渦輪葉片的應(yīng)力分析。由于使得導(dǎo)入的模型在葉背位置出現(xiàn)明顯缺塊和網(wǎng)格劃分單元品質(zhì)不高等原因，選擇solid187以及combin14單元對實際模型網(wǎng)格劃分進行修正，共計23 268單元，solid187單元數(shù)23，244個，combin14單元數(shù)24個，整個有限元模型共計44 237個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 渦輪葉片有限元模型

2.2 材料屬性

渦輪葉片所使用的金屬材料為在Rene’80基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高合金元素鋁和鈦的含量，并添加合金元素鈮發(fā)展而成的以Ni－Cr固溶體為基體、有較高的熱強性、良好的綜合性能、足夠的抗氧化性能和滿意的組織穩(wěn)定性，屬于耐高溫的強韌化材料。

在ANSYS中輸入材料參量。密度Dens，泊松比PRXY，彈性模量EX，導(dǎo)熱系數(shù)KXX（如圖3所示），熱膨脹系數(shù)ALPX（如圖4所示），比熱容進行有限元分析的準(zhǔn)備。

表1 材料參量

圖3 Rene’80材料的溫度-彈性模量曲線與導(dǎo)熱系數(shù)曲線

圖4 Rene’80材料的溫度-熱膨脹系數(shù)曲線

2.3 載荷施加

（1）離心載荷。在葉片模型上施加繞X軸的1 323.61 rad/s旋轉(zhuǎn)角速度，使得葉片產(chǎn)生離心拉應(yīng)力。

（2）溫度載荷。選取葉身部位的關(guān)鍵截面溫度，如表2。

表2 關(guān)鍵截面溫度數(shù)據(jù)

將關(guān)鍵截面溫度分布與實際工作溫度場進行比對發(fā)現(xiàn)，利用關(guān)鍵截面的溫度數(shù)據(jù)所施加的溫度場與實際工作溫度場的差別屬于允許范圍內(nèi)（如圖5所示），可以利用這組數(shù)據(jù)進行溫度載荷的施加。

圖5 溫度場加載對比情況

（3）在實際葉片模型上施加的約束。有如下3項：

一是在各個榫頭上齒接觸面施加沿徑向約束；

二是由于渦輪葉片工作狀態(tài)下相互抵緊，在座臺與葉冠施加周向約束；

三是為了防止葉片在離心載荷作用下的翹曲變形，在座臺與葉冠施加軸向約束（如圖6）。

圖6 葉片約束施加情況

2.4 離心載荷和溫度場綜合分析

由圖7葉片變形情況、圖8葉身等效應(yīng)力云圖以及圖9葉片等效應(yīng)力云圖綜合分析，葉身部分應(yīng)力主要集中于葉身與葉冠接觸部分、葉身與榫頭接觸部分，即應(yīng)力危險區(qū)域主要分布于渦輪葉片上3個部位：

圖7 葉片變形情況

圖8 葉身等效應(yīng)力云圖

圖9 葉片等效應(yīng)力云圖

（1）葉身與榫頭接觸部位。此處為葉身部分受到離心載荷最大的部位，由于約束作用會產(chǎn)生應(yīng)力集中還有彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力存在。而且葉身部分與榫頭部分溫度分布相差較大，進而引起很大的熱應(yīng)力。

（2）葉身與葉冠接觸部位。此處葉身較薄，與葉冠部分由于約束作用，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時由于溫度分布不同，引起熱應(yīng)力。工作載荷會使此處產(chǎn)生較大塑性變形，而使應(yīng)力重新分布，對葉身壽命產(chǎn)生較大的影響。

（3）葉身溫度最高部位。此處產(chǎn)生離心應(yīng)力水平中等，但由于高溫會使得材料性能的改變，容易產(chǎn)生較大的危險。

由圖10葉片溫度分布情況可以看出，葉身與榫頭接觸部位以及葉身與葉冠接觸部位的溫度在830～870℃之間，為提高安全性，以870℃標(biāo)準(zhǔn)進行分析計算。

圖10 葉片溫度分布情況

在圖11溫度-屈服/極限應(yīng)力曲線中，將850～900℃之間的屈服極限視為線性變化，則可得到870℃是屈服極限為618.7 MPa；將900～950℃之間的屈服極限視為線性變化，則可得到920℃是屈服極限為495.14 MPa。

圖11 溫度-屈服/極限應(yīng)力曲線

葉身部分最大應(yīng)力出現(xiàn)于葉尖截面，應(yīng)力值為456.79 MPa，如圖12所示。

圖12 葉尖截面等效應(yīng)力云圖

但在葉片最高溫部位（如圖13所示），高溫使得材料性能惡化，雖然此處應(yīng)力并非最大值，但相對葉根、葉尖部分，此處安全系數(shù)低，危險程度大。

圖13 葉身最高溫度截面應(yīng)力云圖

在實際葉片工作載荷條件下，葉身部分較為安全，各部分最大應(yīng)力都沒有超過屈服極限，安全系數(shù)較為合理，如表3。

表3 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力

因此實際葉片工作狀態(tài)下葉身部分應(yīng)力水平處于較為安全的范圍。

2.5 不同工況下的應(yīng)力分析比較

由于葉身部分在基本載荷條件下處于安全狀態(tài)，在保證葉身強度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高負(fù)載情況進行強度性能運算。

（1）將渦輪前溫度提高10℃，結(jié)果如表4所示。

表4 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力（溫度提高10℃）

（2）將渦輪前溫度提高20℃，溫度場對比如圖14，結(jié)果如表5所示。

圖14 溫度場對比

表5 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力（溫度提高20℃）

（3）將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高5%變?yōu)?3 272 r/min，結(jié)果如表6所示。

表6 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力（轉(zhuǎn)速提高5%）

（4）將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高10%變?yōu)?3 900 r/min，結(jié)果如表7所示。

表7 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力（轉(zhuǎn)速提高10%）

（5）將渦輪前溫度提高10℃同時將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高5%，結(jié)果如表8所示。

表8 應(yīng)力危險區(qū)域最大應(yīng)力（溫度提高10℃，轉(zhuǎn)速提高5%）

2.6 分析對比得出的結(jié)論

將各表中數(shù)據(jù)進行分析對比，可得出結(jié)論如下：

（1）提高渦輪前溫度，會使得葉身熱應(yīng)力水平整體提高，對葉身高溫部分的影響尤其顯著。將渦輪前溫度提高10℃后，葉身高溫部分的應(yīng)力增加情況高于其他部位；將渦輪前溫度提高20℃后，葉身高溫部分的應(yīng)力已經(jīng)接近屈服極限，不適于工作。

（2）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，會使得離心應(yīng)力水平整體提高，在榫頭接觸和葉冠接觸部分的應(yīng)力變化較大。轉(zhuǎn)速提高，離心應(yīng)力水平大幅提高，在連接榫頭和葉冠部分的應(yīng)力增加明顯。

（3）提高渦輪前溫度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，等效應(yīng)力增加情況遠大于單方面影響的情況，需要適當(dāng)選取工況上限。

3 結(jié)束語

利用有限元分析軟件，將實際葉片轉(zhuǎn)化為有限元模型，以實際葉片的最大工作轉(zhuǎn)速和溫度場為載荷，進行模擬計算。應(yīng)力危險區(qū)域，主要分布于渦輪葉片上3個部位：葉身與榫頭接觸部位，葉身與葉冠接觸部位，葉身溫度最高部位。在實際葉片工作載荷條件下，葉身部分較為安全。

適當(dāng)提高葉片最大工作轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度，加大葉片的離心載荷和熱負(fù)荷，提高渦輪前溫度，會使得葉身熱應(yīng)力水平整體提高，對葉身高溫部分的影響尤其顯著。提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，會使得離心應(yīng)力水平整體提高，在榫頭接觸和葉冠接觸部分的應(yīng)力變化較大。同時提高渦輪前溫度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，應(yīng)力增加情況遠大于單方面影響的情況。對于渦輪葉片而言，通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速來提高發(fā)動機整體性能，比提高渦輪前溫度更加安全可靠。

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