關于航空發(fā)動機渦輪航空機械載荷耦合響應分析

張洋 黃碩 許國杰

摘要：目前，針對航空發(fā)動機渦輪載荷耦合響應方面的研究較少，加上機械載荷的結構強度分析難度較大，熱邊界條件的確定較為困難，導致載荷耦合作用的發(fā)揮受到限制。本文對旋轉盤腔系統(tǒng)與自由盤系統(tǒng)進行分析，并對應力場的計算方式與結果進行闡述，以供參考。

關鍵詞：航空發(fā)動機;渦輪;機械載荷

引言

渦輪屬于航空發(fā)動機中十分重要的組成部分，在其運行過程中，主要受到離心載荷、溫度載荷等因素的影響，導致載荷結構強度分析困難，耦合作用的發(fā)揮受到限制，進而影響渦輪運行質量。為了解決這一問題，可采用有限元分析法，對機械載荷在耦合作用下的響應系數(shù)進行計算，提高渦輪運行效率。

1.渦輪熱邊界的界定

本文對某型航空發(fā)動機高壓渦輪盤進行分析，主要包括盤體與封嚴盤兩個部分，以換熱機理為依據(jù)，可將輪盤簡化成旋轉盤腔與自由盤兩種形式，并且在輪盤的邊緣位置與熱阻接觸，在盤的兩側受冷空氣影響較大。

1.1旋轉盤腔系統(tǒng)

通常情況下，此類系統(tǒng)主要包括兩個共同的旋轉盤，其中盤緣處有護襯封閉面，將氣體從旋轉盤腔處引入后對渦輪盤進行冷卻處理。冷卻入口分為徑向流入、軸向流入兩種，在入口處形成源區(qū)，并在渦輪盤處形成Ekman層。在換熱過程中，受到冷空氣質量流量、輪盤自身徑向溫度、輪盤轉速的影響。在邊界界定時，只需利用線性Ekman層方程即可計算出絮流能量積分方程的解^[1]。

1.2自由盤系統(tǒng)

最佳自由盤系統(tǒng)中輪盤四周的空氣均處于靜止狀態(tài)，當輪盤運動后周圍空氣開始進行相對運動。在航空發(fā)動機渦輪中，有許多處均是如此，在換熱過程中主要以渦輪盤的轉速為依據(jù)，對旋轉雷諾數(shù)Re、盤溫度產(chǎn)生影響。當Re的數(shù)值小于3×10⁵時，流體沿著平壁層流動，這時層流附面層換熱，在邊界界定時，換熱準則依據(jù)以下公式：

2.應力場的計算

本文使用機械耦合法，對航空機械載荷在耦合作用下，應力場中的具體參數(shù)進行計算。在計算中，以熱力條件為依據(jù)，對溫度載荷進行分析，并考慮到冷空氣溫度、燃氣溫度等數(shù)值，在明確熱力系數(shù)后對其進行計算。在實際計算中，還應建立相應的模型，對溫度、位移自由度等進行分析，以熱力條件為依據(jù)，實施疊加式溫度計算、位移求解，力求機械載荷耦合響應結構能夠與實際情況更加符合。通過載荷向量將耦合構造到控制方程之中，較為常用的矩陣形式為：

2.1渦輪盤有限元模型

將輪盤榫槽與葉片榫頭結合起來構建有限元模型，使前后擋板、封嚴盤均包含其中，忽視封嚴盤、渦輪盤上的通氣孔，使輪盤被簡化后成為軸對稱模型。利用耦合場中的四節(jié)點軸對稱單元，在自由度上朝著X方向的位移為UX，在Y方向上位移為UY，溫度為TEMP，采用以上方式形成輪盤網(wǎng)絡模型，共計包括484個單元與545個節(jié)點。

2.2邊界與載荷的界定

（1）位移約束條件

渦輪屬于航空發(fā)動機中十分重要的組成部分，以發(fā)動機運行狀態(tài)為依據(jù)，其約束條件為：對于軸對稱模型來說，渦輪盤的前軸與前安裝邊相連，前軸主要承擔高壓渦輪轉子與高壓壓氣機間的力，因此在輪盤安裝時應給予一定的Y方向上的約束^[2]。

（2）熱力邊界

利用第三類熱力邊界條件對溫度載荷進行處理，通過對輪緣燃氣溫度、空氣溫度、換熱系數(shù)等進行明確，為耦合單元提供所需的熱力邊界條件。冷氣流主要通過壓氣機提升，在入口溫度上體現(xiàn)出來，為552.3K，輪緣位置的燃氣溫度數(shù)值為1086K，符合溫度場邊界條件，為了對其進行簡化處理，具體措施如下：

一是忽略引氣管內部冷氣的流動情況，以及在流動中對溫度帶來的影響;

二是輪緣溫度應采用平均溫度;

三是冷氣對流換熱系數(shù)應以輪盤徑向為依據(jù)科學的施加;

（3）載荷

以發(fā)動機實際運行情況為依據(jù)，對渦輪所受到的載荷進行計算，已知轉速為13587r/min;在輪盤的外緣位置應受到葉片離心力的影響，使力量與溫度載荷被均勻的分布。

3.應力場的計算結果與討論

在耦合作用下，對機械載荷響應情況進行分析可知，與轉速響應相比來看，溫度響應具有一定的滯后性。對此，在對耦合作用響應進行分析時，可通過有限元分析法進行判斷，在具體實施過程中，可采用有限元瞬態(tài)分析法，此種方式所花費的時間為1145s，在分析結果上主要從最終的狀態(tài)上展示出來。

通過有限元分析法可知，航空發(fā)電機渦輪中最大應力主要體現(xiàn)在中心位置，此處的應力值主要為1050MPa。在其運轉的過程中產(chǎn)生的平均溫度約為300℃，在航空發(fā)動機渦輪生產(chǎn)時，主要使用鎳基高溫合金材料，此種材料的抗高溫性能較強，在強度上也具有較為明顯的優(yōu)勢，能夠經(jīng)受住渦輪在運行過程中產(chǎn)生的高強度的應力與溫度。在渦輪運行時，其產(chǎn)生的最大值也處于材料可承受的最大范圍之間，在允許范圍內渦輪中心位置始終呈現(xiàn)出塑性狀態(tài)。對此，應針對渦輪中心處的應力場進行重點分析，盡量使用彈塑性分析法，此種方式與其他分析法相比來看具有較強的保守性，分析結果也更加真實可靠。本文針對渦輪盤的熱力邊界進行分析，通過換熱系數(shù)對機械載荷的耦合響應情況進行有限元分析，此種方式也同樣可用于熱力邊界條件中，對耦合作用下渦輪盤的穩(wěn)態(tài)響應情況進行分析，對瞬態(tài)條件下應力場域溫度場的結果進行反應。

結論

綜上所述，本文針對航空發(fā)動機中的渦輪耦合響應進行分析，并構建了有限元模型，針對渦輪運行系數(shù)進行計算，并以此為依據(jù)對機械載荷的實際運行情況進行分析。本文中采用的有限元分析法應用范圍較為廣泛，能夠準確的計算出機械載荷耦合響應系數(shù)，從而對渦輪運行情況進行檢測與科學的維護。

參考文獻

[1]漆文凱，陳偉，高德平. 航空發(fā)動機渦輪盤熱—機械載荷耦合響應分析研究[J]. 機械設計與制造，2014（1）：89-91.

[2]朱劍寒，古遠興. 航空發(fā)動機耦合雙轉子系統(tǒng)響應特性分析方法研究[J]. 燃氣渦輪試驗與研究，2012（1）：49-53.

（作者單位：32145部隊）