發(fā)動機渦輪機匣故障的計算分析

劉春風，朱 暢，張 輝

北京航空航天大學，北京 100191

0 引言

發(fā)動機渦輪機匣通常是圓柱形或圓錐形的薄壁殼體，除了起到固定導向葉片的作用外，還用于傳遞相鄰部件的負荷，是發(fā)動機承力系統(tǒng)的重要構件。

在渦輪機匣的實際工作中，內部有高溫燃氣通過，容易使機匣剛性不夠，出現(xiàn)足夠大的變形而產(chǎn)生碰磨，導致轉子葉片折斷，為了解決變形大的問題，機匣的制造工藝開始轉變?yōu)殄懺焓秸w結構，同時對機匣通冷卻氣流進行冷卻[1]。然而，在鍛造式整體結構的機匣中，局部經(jīng)常產(chǎn)生裂紋造成整件機匣報廢，為解決裂紋問題，一般通過工作狀態(tài)的數(shù)值模擬計算，找出導致裂紋的主要原因，在局部進行針對性的結構改進以解決故障。

本文研究的渦輪機匣在內壁帶有環(huán)槽，各有23個定位導向葉片和非定位導向葉片沿周向相間掛在內壁的環(huán)槽上，同時定位導向葉片的緣板卡在機匣定位槽內固定周向位置。該發(fā)動機大修經(jīng)常出現(xiàn)渦輪機匣定位槽根部裂紋，造成多件機匣報廢。渦輪整體為循環(huán)對稱結構，圖1為1/23渦輪結構的幾何模型和裂紋的產(chǎn)生位置。

圖1 發(fā)動機渦輪部件的幾何模型

為了明確該渦輪機匣定位槽裂紋故障的產(chǎn)生機理，找出導致裂紋的主要原因，開展了本文的計算分析工作。

1 模擬計算

本文研究的渦輪機匣定位槽在實際工作中主要有熱載荷和導向葉片的氣動載荷起到主要作用。由于熱載荷的存在，使渦輪機匣承受著因溫度不均所產(chǎn)生的熱應力；由于導向葉片的氣動載荷，使定位槽承受著導向葉片沿周向的擠壓力。通過兩種載荷作用下的定位槽應力場對比，即可得到對裂紋部位起主導作用的載荷。

1.1 流場計算

目前在計算熱應力的方法中，少數(shù)采用數(shù)值估算得到溫度場[2]，大多數(shù)在有限元模型中將已知的溫度點作為邊界條件，通過定義材料的熱導率直接計算溫度場[3]，這些傳統(tǒng)方法得到的溫度場精度很低。本文在流場處理軟件ANSYS CFX中對渦輪部件進行流場分析，通過流場分析得到渦輪溫度場，在ANSYS中完成熱應力的計算，這比傳統(tǒng)方法得到的溫度場精度要高，溫度應力也更為準確。

在流場計算過程中，基于發(fā)動機渦輪部件實際穩(wěn)態(tài)工作時的參數(shù)，設定流場計算需要的邊界條件，完成渦輪部件冷卻氣流域和主燃氣流域的流場計算[4-6]，為渦輪機匣應力場的計算準備條件。

1.2 應力場計算

仍選取1/23渦輪機匣作為應力場計算的有限元模型[7]，從流場分析中提取渦輪機匣的溫度場作為熱載荷，計算得到定位槽的熱應力分布如圖2，可見最大應力點和實際起裂點位置一致，最大等效應力值達到582MPa，超過材料在該溫度下的屈服極限，說明熱應力是導致裂紋的主要原因。

圖2 定位槽的熱應力分布

選用圖3所示的有限元模型計算定位槽在導向葉片氣動載荷作用下的應力分布，由于非定位導向葉片和定位導向葉片的葉身形狀完全相同，并且非定位導向葉片的氣動力通過定位導向葉片傳遞至定位槽上，所以在計算時將定位導向葉片葉身的氣動力分量加倍，以考慮非定位導向葉片的影響。計算得到定位槽此時的應力分布如圖4，可見最大等效應力只有36.1MPa，且不在起裂部位，起裂部位的等效應力只有24.5MPa，遠遠低于熱應力水平。

圖3 氣動載荷計算的有限元模型

圖4 導向葉片氣動載荷下的定位槽應力分布

1.3 故障分析

渦輪機匣展開的流場計算和應力場計算結果顯示，在穩(wěn)態(tài)工作時，導向葉片由于氣動力作用對定位槽的擠壓力很小，而渦輪機匣的熱應力水平已超過機匣材料在工作溫度下的屈服極限，并且熱應力的最大等效應力點和實際渦輪機匣工作中的起裂點位置一致，充分說明熱應力是導致裂紋的主要載荷。

由于熱應力由材料的溫度梯度引起，為此，改進措施應注重減小渦輪機匣定位槽處的溫度梯度。定位槽的溫度梯度明顯來源于主燃氣流域和冷卻氣流域的溫差，因此可以考慮在定位槽表面噴涂隔熱涂層，降低高溫燃氣的沖擊，以達到減小溫度梯度的目的。

2 結論

本文針對某發(fā)動機渦輪機匣定位槽在使用過程中的裂紋故障，開展了工作狀態(tài)的模擬計算與分析，得到如下結論：

1）渦輪機匣定位槽的裂紋產(chǎn)生部位承受的主要載荷為熱載荷，氣動載荷的作用效果相比于熱載荷來講很小；

2）針對熱應力為主的裂紋，可以在定位槽表面噴涂隔熱涂層，降低高溫燃氣的沖擊，改善熱應力情況。

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