渦輪導向葉片熱應力計算

北京航空航天大學 于榮斌

1.引言

某型發動機在工廠進行完長時間試驗后，發動機分解檢查時發現部分渦輪導向葉片有裂紋。裂紋位于排氣邊中部，并基本垂直于排氣邊。

本文使用CFX軟件計算燃氣的流場，然后將流場計算得到的溫度場結果導入ANSYS中進行耦合計算，最終得到葉片的熱應力分布情況。

2.導向葉片結構

導向葉片結構如圖1所示。葉片從上到下可劃分為掛鉤、上緣板、葉身、下緣板、凸邊五個部分。葉片上緣板上的兩個掛鉤掛在渦輪機匣內壁的環槽內限制導向葉片的徑向位置。葉片下緣板的兩條凸邊共同組成一個圓錐面和一個環面，與內機匣配合。

導向葉片是空心的，但孔的下端焊接封閉，只起保持等壁厚、減重和減少熱應力的作用。渦輪導向葉片上下緣板內表面構成燃氣通道。

導向葉片的應力來源主要有如下三方面：

(1)導向葉片在工作過程中承受著溫度場引起的熱應力。在工作過程中，冷卻氣流冷卻葉片外緣板，燃氣在徑向方向溫度變化也很大。所以葉片存在著一個溫度場，承受著因溫度不均所產生的熱應力。

(2)導向葉片在工作過程中承受著氣動載荷。由于高溫高壓燃氣流經導向葉片，使導向葉片承受著燃氣所致的氣動載荷。

(3)導向葉片還可能受到機匣與內機匣的配合影響。葉片與機匣、內機匣之間的配合關系也能夠改變葉片的應力場。

在以上三種載荷中，熱應力是渦輪導向葉片設計中主要考慮的。由此可以擬定導向葉片應力場分析的步驟。首先計算流場，分析渦輪導向器內部的氣動與傳熱情況。然后進行流固耦合計算，將葉片溫度場導入應力計算中，得到葉片的熱應力分布情況。

3.建立模型

對葉片和燃氣建立模型，并進行結構化網格劃分，圖2為最終得到的數值模型。數值模型共有單元10744個，節點8723個。

4.流場計算

4.1 邊界條件

采用流場計算軟件ANSYS CFX進行流場的計算分析，圖3為ANSYS CFX界面下的計算模型。

在葉片的掛鉤上表面與凸邊下表面設置溫度邊界條件，模擬葉片與機匣、內機匣之間的傳熱關系。燃氣入口設置流量條件和總溫條件，燃氣出口設置靜壓條件。

燃氣溫度沿徑向的分布情況，基本決定了葉片的溫度場，是影響葉片應力的主要因素之一。因此燃氣進口溫度分布擬合是否能夠符合導向葉片的實際工作情況，是研究工作的基礎。由于沒有渦輪導向器二級入口的流場實測數據，因此利用原型機的燃燒室出口溫度分布進行擬合。該發動機在設計上燃燒室出口溫度比原型機高95K，因此計算時在原型機出口溫度分布上提高95K作為該發動機起飛狀態下燃燒室出口溫度分布。依據氣動驗算報告，發動機渦輪導向器二級進口溫度比燃燒室出口溫度低133K。綜上兩點可以認為在原型機燃燒室出口溫度分布基礎上降低38K，即可作為渦輪導向器二級燃氣進口溫度分布。在10組數據中選擇與平均溫度方差最大的一組，作為燃氣的進口溫度。

4.2 計算結果

通過流場計算可以得到葉片的溫度分布如圖4所示。由圖中可以看出葉身溫度分布規律：在徑向方向，葉身中部溫度較高，兩側溫度逐漸降低；在軸向方向，進氣邊溫度稍高，進氣邊最高溫度1114K，排氣邊最高溫度1084K。另外考查葉片表面氣動載荷分布規律，發現葉片表面受氣動力載荷最高僅0.2MPa。因此，氣動載荷不會對葉片應力場產生顯著影響。

5.熱應力計算

圖1 渦輪導向葉片結構

圖2 葉片與燃氣數值模型

圖3 ANSYS CFX界面下的計算模型

圖4 葉片溫度場

圖5(a) 葉片等效應力場

圖5(b) 葉片徑向應力場

葉片上與其它部件配合的位置可分為軸向、周向、徑向三類。其中，在氣動載荷作用下，葉片上緣板末端向后與定距環軸向配合，上緣板側面沿逆時針方向與定位槽周向配合，上緣板上的兩個掛鉤與渦輪機匣內壁的環槽配合。在葉片上緣板末端設置軸向約束，模擬葉片與定距環的配合情況；在葉片的上緣板側面設置周向約束，模擬葉片與定位槽的配合情況；在葉片的掛鉤上表面設置約束，模擬葉片與機匣的配合情況。

將葉片的溫度場導入ANSYS進行熱應力計算。圖5與圖6分別為葉片的等效應力場與徑向應力場。

6.結論

在葉片溫度較高的部分中，排氣邊中部應力最大，與裂紋位置相符。并且此處的應力主要是沿徑向方向的熱應力，與裂紋方向相符。因此可以認為計算可靠，葉片的裂紋是由于熱應力過高引起的。

[1]徐昌順.某型發動機渦輪導向葉片故障探討[J].裝備制造技術,2006,3:97-98.

[2]楊曉光,許繼業.某型渦輪導向葉片熱疲勞分析研究[C].中國航空學會,中國航空學會第十屆航空發動機結構強度與振動會議論文集,2000.

[3]白慶雪.某型發動機低壓導向葉片可靠性增長研究[C].中國航空學會,中國航空學會第三屆航空發動機可靠性學術交流會,2005.

[4]于維成,袁金才,楊振國,王理.××發動機一級導向葉片失效分析[C].中國金屬學會,全國第七屆熱疲勞學術會議,2000.

[5]徐可君.渦輪導向葉片故障分析及其對策[J].航空維修與工程,1999,1:1-4.