某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片有限元應(yīng)力分析

王瀚藝 王進(jìn)

摘? ?要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫、高轉(zhuǎn)速的工況以及幾何形狀的特殊性決定了渦輪葉片工作中所承受載荷的復(fù)雜性。為了保證飛行的安全以及發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，需要對(duì)渦輪葉片工作過程中的應(yīng)力分布情況加以研究。文章利用Geomagic Studio軟件對(duì)渦輪葉片進(jìn)行模型建立，運(yùn)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析，研究了分別在溫度、氣動(dòng)力以及離心力作用下的葉片應(yīng)力分布，得到了3種因素綜合作用下的應(yīng)力分布形式，為葉片改型和后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片;有限元分析;溫度場(chǎng);應(yīng)力分布

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片運(yùn)作過程需要面臨高溫、高轉(zhuǎn)速等復(fù)雜工況，加之渦輪葉片幾何形狀的特殊要求，工作中渦輪葉片必將面臨非常復(fù)雜的應(yīng)力作用。為了避免由于局部應(yīng)力過大而導(dǎo)致渦輪葉片破損或斷裂現(xiàn)象發(fā)生，需要對(duì)渦輪葉片在多重環(huán)境下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析[1-4]。

利用Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向分析，重構(gòu)渦輪葉片模型，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)置邊界條件、初始條件等參數(shù)，分析了分別在溫度場(chǎng)、氣動(dòng)力和離心力作用下渦輪葉片的應(yīng)力分布，最后研究了在3種因素綜合作用下的葉片應(yīng)力分布，找到了渦輪葉片應(yīng)力和形變的最大點(diǎn)所在處及其數(shù)值大小，為葉片安全工作和改型設(shè)計(jì)創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)。

1? ? 三維有限元建模

通過三維掃描，對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行精準(zhǔn)掃描，得到其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Geomagic Studio進(jìn)行曲面重構(gòu)處理，將處理后的模型導(dǎo)入ANSYS軟件定義流場(chǎng)邊界、網(wǎng)格處理，接著對(duì)模型施加約束，設(shè)置邊界條件和初始條件，即可對(duì)該渦輪葉片進(jìn)行相應(yīng)有限元分析。模型及葉片網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2? ? 結(jié)果分析

圖2給出了渦輪葉片在溫度場(chǎng)作用下的應(yīng)力場(chǎng)，可以看出，溫度場(chǎng)作用下，熱應(yīng)力最大點(diǎn)位于葉根前緣處，最大值為480.47 MPa。意味著此處在溫度場(chǎng)作用下最容易有裂紋出現(xiàn)，在工作中尤其需要注意檢查，而葉片形變最大點(diǎn)處于葉尖附近，最大形變量為0.3 mm。

圖3給出了渦輪葉片僅在氣動(dòng)力作用下的形變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，可以看出，氣動(dòng)載荷作用下，葉片形變最大點(diǎn)出現(xiàn)在葉尖后緣區(qū)域，最大形變?yōu)?.99 mm。應(yīng)力最大點(diǎn)位于根部后緣區(qū)域，最大值為350.23 MPa。

綜合考慮氣動(dòng)載荷、熱載荷以及離心力3方面因素，得到某渦輪葉片綜合應(yīng)力分析如圖4所示。

圖4給出了在氣動(dòng)力、熱應(yīng)力和離心力三重因素下渦輪葉片形變和應(yīng)力分布。從圖4中可以看出該工況下葉片形變最大點(diǎn)出現(xiàn)在葉尖附近，最大形變?yōu)?.44 mm，形變本身隨著葉片高度增大而遞增。葉片綜合應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在葉片根部附近區(qū)域，最大值為914.76 MPa，低于葉片材料所能承受的最大應(yīng)力。從表1能看出，溫度場(chǎng)對(duì)渦輪葉片帶來的應(yīng)力影響最大，而離心力作用帶來的影響最小。

3? ? 結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片由于形狀及其工作環(huán)境的特殊性，運(yùn)行過程中承受著非常復(fù)雜的載荷。為了避免由于應(yīng)力過大導(dǎo)致葉片受損或斷裂，需要對(duì)渦輪葉片進(jìn)行應(yīng)力分析。運(yùn)用geomagic studio對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行模型重構(gòu)，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格分析及應(yīng)力分析，研究了葉片在溫度場(chǎng)、氣動(dòng)力和離心力以及3大因素綜合作用下的葉片應(yīng)力分布，得出以下結(jié)論：

渦輪葉片表面溫度隨著葉片高度增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，這與進(jìn)口面溫度分布大體一致。

僅在溫度場(chǎng)、氣動(dòng)力或離心力的單獨(dú)作用下，渦輪葉片應(yīng)力最大點(diǎn)幾乎都在葉根前緣區(qū)域;形變最大點(diǎn)幾乎都在葉尖后緣區(qū)域，兩者數(shù)值大小有所不同。

在溫度、氣動(dòng)力和離心力3大因素綜合影響下，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在葉根前緣區(qū)域，應(yīng)力最大點(diǎn)同樣在葉尖后緣區(qū)域，應(yīng)力最大值914.76 MPa，低于葉片最大承受應(yīng)力。同時(shí)，溫度場(chǎng)作用對(duì)葉片應(yīng)力影響最大，氣動(dòng)力次之，離心力因素最小。

[參考文獻(xiàn)]

[1]宋兆鴻.航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性與故障抑制工程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]曾波.某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片動(dòng)態(tài)可靠性建模與分析[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[3]郭軍剛，胡麗國(guó)，王春俠，等.流固耦合在渦輪葉片瞬態(tài)傳熱仿真中的應(yīng)用[D].北京：北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，2010.

[4]陳立杰，謝里陽.某航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片氣動(dòng)負(fù)荷的近似計(jì)算[J].空軍工程大學(xué)黨報(bào)（自然科學(xué)版），2004（4）：3-5.