基于熱氣固耦合的渦輪葉片仿真分析

胡淑杰

（北京科技大學，北京 100083）

0 前言

燃氣渦輪機是一種常見的發(fā)動機，常應用于航天、船舶動力等工業(yè)領域。渦輪葉片作為燃氣渦輪機關鍵受熱零件之一，在服役過程中處于高溫、高壓、高燃氣的環(huán)境，極易發(fā)生疲勞斷裂、榫齒斷裂、腐蝕、蠕變失效等，嚴重威脅了發(fā)動機工作的安全性[1]。在現(xiàn)實研究中，考慮到難以采集到渦輪葉片在工作過程中的實時數(shù)據(jù)，無法為后續(xù)的分析提供準確的數(shù)據(jù)，因此利用仿真軟件對渦輪葉片進行熱氣固耦合分析模擬非常重要，為以后渦輪葉片疲勞壽命預測、蠕變壽命預測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

趙爽在渦輪葉片三維模型中建立了冷卻通道，進行了內外流場仿真分析，進行渦輪葉片的壽命預測[2]。于天歌對復雜環(huán)境下的單獨載荷分別進行分析，確定復雜環(huán)境下渦輪葉片失效影響因素的大小[3]。彭博考慮了渦輪葉片的工作環(huán)境載荷，針對渦輪葉片的三維模型及二維葉型，在流固耦合分析的基礎上對渦輪葉片的葉型進行優(yōu)化設計[4]。姜玫竹等在熱彈性有限元分析的基礎上，利用ANSYS進行仿真分析，并進行了拉伸應力和榫齒名義應力的計算，來判斷葉片是否滿足可靠性設計要求[5]。

1 渦輪葉片及流場模型建立

根據(jù)渦輪葉片的實體模型，在Geomagic Wrap軟件中對渦輪葉片進行逆向建模，主要包括點云處理和實體重建兩個步驟。其逆向建模后的三維圖如圖1所示。

圖1 渦輪葉片三維模型

渦輪葉片由葉身、緣板和榫頭組成，其中葉身的作用是改變燃氣的方向，緣板的作用是防止渦輪葉片的高溫燃氣進入渦輪盤，榫頭的作用是連接渦輪盤與渦輪葉片。根據(jù)渦輪葉片自身的曲面特征，在SOLIDWORKS中建立流場三維模型，并且定義流場進出口及邊界類型。

渦輪葉片表面為復雜的三維曲面，葉片的扭曲變形較大，綜合考慮網(wǎng)格劃分的效率和仿真精度，采用ANSYS ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。

圖2 渦輪葉片流場網(wǎng)格劃分

2 有限元分析

2.1 流場分析

在流體邊界條件設置中，假設氣體分子體積及分子間作用力忽略不計，并且在流場中氣體壓力和流速均保持穩(wěn)定[6]。湍流模型選擇SST k-ω模型，設定入口壓力為1.6 MPa，入口溫度為1 300 K，出口壓力為0.8 MPa，壁面采用光滑無滑移類型，渦輪葉片轉速為14 000 rpm，迭代次數(shù)為600步。

對流固耦合面溫度分布進行分析，如圖3所示，渦輪葉片呈現(xiàn)整體溫度較高且溫差較大的特點，流場進氣端溫度明顯高于出氣端，溫度最高點出現(xiàn)在葉片進氣端一側，達到了974 ℃。由于葉片特殊幾何造型，導致葉片葉盆處于高溫狀態(tài)且溫度變化不明顯，葉片葉背的溫度從進氣端至出氣端逐漸降低。

圖3 流固耦合面葉片溫度分布

對流固耦合面壓力分布進行分析，如圖4所示，氣動力引起的壓力載荷較小，最大值約為1.6 MPa。流場進氣端氣動力明顯高于出氣端，氣動力最高點出現(xiàn)在葉片進氣端葉背一側，并且進氣端的氣動力隨著葉身增高而不斷降低。

圖4 熱氣固耦合面葉片壓力分布

2.2 熱氣固耦合分析

根據(jù)流場模擬分析出了渦輪葉片流固耦合面的溫度、壓力分布情況，在此基礎上通過ANSYS中的Workbench模塊來進行渦輪葉片在各個工況下的熱氣固耦合平臺搭建，如圖5所示?？梢缘玫綔u輪葉片在復雜工況下的應力、應變云圖。

圖5 熱氣固耦合平臺搭建

渦輪葉片周圍被高溫燃氣流包圍，且二者發(fā)生能量交換[7]。由于渦輪葉片厚度不一致，在工作狀態(tài)變換時急劇變化的高溫燃氣，會使葉片產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而在葉片表面產(chǎn)生較大的溫度載荷。將前文通過Fluent得到的溫度載荷、氣動力以面載荷的形式加載到渦輪葉片表面[8]，再通過對渦輪葉片施加離心力，獲得渦輪葉片在復雜載荷下的應力應變情況。如圖6所示。

圖6 離心力計算結果

2.3 邊界條件約束

渦輪葉片的葉根為樅樹型，榫頭與渦輪盤榫槽相接觸，限制了渦輪葉片的周向、徑向位移。榫頭與渦輪盤榫槽的接觸造成了位移邊界條件為非線性，因此邊界定義較為困難[9]。本文由于榫頭與渦輪盤相連接，看作榫頭受到一個全約束，葉片的邊界條件如圖7所示。

圖7 渦輪葉片邊界約束條件

2.4 仿真結果分析

對渦輪葉片進行熱氣固耦合仿真分析，渦輪葉片在溫度載荷、氣動力載荷、離心載荷共同作用下的等效應力和等效應變云圖如圖8、圖9所示。

圖8 熱氣固耦合作用下葉片應力分布云圖

圖9 熱氣固耦合作用下葉片應變分布云圖

由葉片應力分布云圖可知，渦輪葉片應力的最大值達到了718.46 MPa，最大應力出現(xiàn)在葉背一側的葉根部位，這是因為葉根部位承擔著連接葉身與緣板任務，是主要的受力點。總體來說，葉片葉背一側等效應力大于葉盆一側，等效應力隨著葉高增加而呈現(xiàn)減小趨勢。

由葉片等效應變云圖可知，渦輪葉片的應變分布情況與應力分布情況大致相同。等效應力最大出現(xiàn)在與等效應變最大相似的位置，這是由于在三種載荷的共同作用下離心力載荷起到了主導作用。

2.5 危險位置確定

渦輪葉片在復雜載荷工況下工作，上文模擬了渦輪葉片在熱氣固耦合的等效應力、應變的結果。在實際的工程中，為了研究渦輪葉片的疲勞失效情況，通常選用受力最大、結構復雜的地方[10]。由圖8可知，渦輪葉片受載荷最大處在葉片的葉根部位，則應力出現(xiàn)最大點為危險點A，蠕變的產(chǎn)生與溫度密切相關，則選用溫度最高點為危險點B。

3 結語

本文利用ANSYS軟件，對渦輪葉片進行了流場分析、熱氣固耦合分析，得到了渦輪葉片在復雜環(huán)境下的應力、應變分布云圖，能夠反映渦輪葉片在服役過程中真實的受力情況。選取了危險點A、B，為后續(xù)進行疲勞、蠕變壽命預測提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。