渦輪葉片熱疲勞分析

徐昆鵬 蘇長青

摘 要：針對渦輪葉片工作產生的熱疲勞破壞問題，利用Solidworks三維建模軟件建立葉片CAD模型，運用ANSYS有限元軟件workbench模塊對其進行300℃～600℃溫度梯度工況下的熱疲勞分析，分析得到渦輪葉片溫度場和熱應力分布云圖，確定了渦輪葉片危險部位及應力分布情況，進而對渦輪葉片進行疲勞壽命預測，研究結果對提高渦輪葉片可靠性提供借鑒與參考。

關鍵詞：渦輪葉片 有限元 ANSYS 熱疲勞

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0082-02

葉片作為航空發動機的重要組成部分，擔負著能量轉化的重任。國內外學者對渦輪葉片的失效及安全性等問題普遍關注。文獻1以葉片失效分析為背景，在推導出導向葉片瞬態溫度場的計算方法后，通過ANSYS對導向葉片進行瞬態溫度場數值分析，進而得到導向葉片瞬態熱應力分布與熱疲勞壽命的計算結果。文獻2基于瞬態熱/流耦合理論，通過ANSYS實現某型航空發動機渦輪導向葉片在熱沖擊作用下的溫度場計算，并求解出葉片的熱應力及振動模態。本文基于ANSYS有限元軟件多次通過對渦輪葉片瞬態熱疲勞仿真模擬的狀況下研究300℃～600℃工作溫度梯度下渦輪葉片熱應力分布及疲勞壽命曲線，仿真結果對于研究發動機可靠性具有一定的指導意義。

1 模型建立

根據渦輪葉片結構特點，采用Solidworks軟件進行實體建模，為下一步對葉片進行有限元熱疲勞分析提供幾何模型。將葉片三維模型導入ANSYS軟件中，對葉片網格進行整體控制，網格劃分采用solid186二次實體單元，最大網格不超過2mm，整體采取六面體網格劃分（Hex Dominant），有196515個節點，51847個單元，所得葉片有限元模型如圖1所示。

1.1 葉片材料參數

葉片使用的材料為GH4133B合金，屬于一種正交各向同性材料，其材料密度為8210kg/m3?？諝鈱α鲹Q熱系數為10w/m℃，環境溫度為22℃。不同溫度下的熱導率如下：100℃—12.1w/m℃、200℃—14.2w/m℃、300℃—16.7w/m℃、400℃—18.8w/m℃、500℃—21.4w/m℃、600℃—23.7w/m℃；不同溫度下的熱膨脹系數如下：100℃—11.6E-6℃、200℃—12.3E-6℃、300℃—12.4E-6℃、400℃—13.3E-6℃、500℃—13.8E-6℃、600℃—14.4E-6℃；不同溫度下的彈性模量如下：20℃—215GPa、100℃—215GPa、200℃—215GPa、300℃—182GPa、400℃—173GPa、500℃—163GPa、600℃—163GPa；不同溫度下的泊松比如下：20℃—0.36、100℃—0.37、200℃—0.34、300℃—0.35、400℃—0.35、500℃—0.37、600℃—0.35； 不同溫度下的屈服強度如下：20℃—719MPa、300℃—745MPa、400℃—746MPa、500℃—736MPa、600℃—720MPa。

1.2 渦輪葉片計算載荷及熱邊界條件

渦輪葉片工作在高溫、高壓和高轉速條件下，所受載荷情況復雜，主要包括離心載荷、溫度載荷以及高溫燃氣腐蝕等，其主要失效模式為疲勞失效，在航空發動機部件中，失效概率相對較高。本文主要考慮渦輪葉片工作時所受的溫度載荷，通過對載荷數據的簡化處理，在有限元軟件中進行加載。

2 渦輪葉片熱應力分析

針對模擬渦輪葉片工作時300℃～600℃狀態下熱疲勞分析，分析所得各個狀態下溫度場，由于渦輪葉片實際工作環境復雜，熱源選擇在渦輪盤與葉片接觸的榫頭處，從圖1可以看出渦輪葉片溫度從榫頭到葉冠呈下降趨勢，溫度分布日趨合理。本文研究直接采用ANSYS workbench進行熱應力分析，在得到上述溫度場下，直接施加熱載荷及熱邊界條件，其得到的應力分布云圖如圖2所示。

從圖2可以看出各個溫度梯度下的熱應力分布圖中危險部位為榫頭與葉身的交界處。

3 熱疲勞壽命分析

針對模擬渦輪葉片工作時300℃～600℃狀態下熱疲勞分析，分析所得各個狀態下疲勞壽命曲線如圖3所示。

從圖3可以看出渦輪葉片的疲勞壽命曲線在不同溫度工況下是整體下降的，在高溫狀況下降的起始點越早，下降的幅度最為突出。

4 結論

本文利用ANSYS workbench對某型渦輪葉片進行了熱疲勞分析，主要得到以下結論：

（1）引起渦輪葉片產生熱疲勞裂紋是在不均勻工作溫度分布產生的高周循環熱應力作用下產生的。

（2）航空發動機葉片升溫主要是榫頭部位溫度開始升高，然后通過熱傳導、熱對流等方式進行熱的傳遞，從熱應力分布圖可以看出產生最大熱應力的部位在榫頭與葉身交界處。

（3）從上述300℃～600℃溫度梯度下的疲勞壽命曲線可以得出渦輪葉片疲勞壽命整體下降，且在高周疲勞溫度下降幅度最為明顯。

參考文獻

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