葉尖小翼結構對渦輪葉片強度的影響研究

陳奕宏，李 維

(中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引言

渦輪是將高溫高壓燃氣中的能量轉變為機械能的旋轉機械，是燃氣輪機的核心部件，其技術的先進程度直接與燃氣輪機性能相關。葉尖泄漏流是葉輪機械轉子中最普遍和有影響的流動現象之一，渦輪中大約三分之一的損失與葉尖泄漏流動有關[1]。葉尖小翼[2]作為一種能有效控制葉尖泄漏的方法，國內外學者對葉尖小翼也開展了諸多研究，以尋找利用葉尖小翼控制葉尖泄漏的最佳途徑。但目前的研究主要集中在葉尖小翼結構的試驗研究[3]和流場控制機理[4]研究，對葉尖小翼葉片的強度影響很少。

本文在設計點狀態，對某型發動機燃氣渦輪一級轉子葉片添加葉尖壓力面葉尖小翼、吸力面葉尖小翼、雙側葉尖小翼結構，并與原始葉片進行定常數值研究，對比分析了未造型的原始葉片和造型葉片的應力分布和位移變化，最后評估了葉尖小翼結構對葉片強度的影響。

1 研究對象與數值計算方法

1.1 研究對象

本文以某型發動機燃氣渦輪一級轉子作為研究對象，以葉片徑向95%的位置作為造型起始點，對葉片葉頂部分進行周向造型，分別生成了壓力面小翼、吸力面小翼、雙側小翼三種帶葉尖小翼結構的葉片模型，小翼的寬度統一設置為2 mm，其中雙側小翼采用與壓力面側和吸力面側小翼相同的結構拼接而成，各結構葉片如圖1所示。

表1為不同葉尖結構葉片的重量變化，其中壓力側小翼由于長度不及壓力面小翼，重量變化較小，雙側小翼相對于原始葉型重量增加了0.68%。

表1 不同葉尖結構葉片質量對比

圖1 不同葉尖結構葉型示意圖

表2為不同葉尖結構葉片的質心變化，由于葉尖小翼結構增加了葉片尖部的質量，三種葉尖小翼結構葉片質心均有Z軸(徑向)的升高，且由于小翼結構在葉片周向的發展，葉片質心在X軸(發動機軸向)和Y軸(葉片軸向)都有相應變化。

表2 不同葉尖結構質心相對變化

1.2 數值計算方法

1.2.1 壓力和溫度載荷計算

對葉片進行強度計算前需要對葉片的溫度載荷和壓力載荷進行計算，該部分計算通過商用軟件CFX求解雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程組實現。其中，湍流模型采用帶有自動壁面處理的剪切應力輸運模型(SST模型)。湍流項和對流項的離散均采用高階格式。

計算域分為流體域和固體域兩個部分，計算網格采用icem非結構化網格，固體域網格數量80萬左右，流體域在葉尖間隙和葉片前尾緣處進行了加密，邊界層第一層網格高度0.0025，層數設置為12層，網格y+控制在2附近，網格數量120萬左右，兩種計算域網格如圖2所示。

圖2 計算域網格

1.2.2 應力計算

在取得了葉片的壓力載荷和溫度載荷后，即可以對葉片進行應力計算分析。該部分計算采用Workbench軟件三維有限元方法對葉片局部應力、變形和位移進行計算。

燃氣渦輪一級工作轉子的有限元網格見圖3，模型采用十節點四面體和二十節點六面體單元，共劃分有763947個單元，1157992個節點。

圖3 葉片有限元網格示意圖

2 葉尖小翼結構對葉片強度的影響

2.1 葉尖小翼結構對葉片最大應力的影響

圖4和圖5分別為四種不同葉尖結構葉型壓力面和吸力面的當量應力分布圖，不同葉尖結構吸力面壓力面的最大當量應力值和兩側最大應力差值如表3—表5所示。

圖4 不同葉尖結構葉型壓力面應力分布圖

表3 不同葉尖結構葉型吸力面最大應力

圖5 不同葉尖結構葉型吸力面應力分布圖

表4 不同葉尖結構葉型壓力面最大應力

表5 不同葉尖結構葉型兩側最大應力差值

葉片當量應力分布圖可以看出，由于葉尖小翼結構在葉片尖部增加了重量，三種葉尖小翼結構葉片尖部的應力分布與原始葉型相比均有所變化，原本僅在葉身出現的較高應力區域沿葉尖小翼結構延伸到了葉頂平面，而在葉根處的最大應力值也均有所上升，但葉尖小翼結構對葉身的應力分布規律并沒有明顯影響。

葉尖小翼結構同樣對葉片最大應力的分布有較大影響，由于葉尖小翼改變了葉片的質心，四種葉片結構僅原始葉型最大當量應力出現在葉片吸力面。與原始葉型相比，吸力面小翼的質心偏移量較小，其對最大應力的增量和兩側的應力差值影響都相對較小；而壓力面小翼和雙側小翼則均較大影響，壓力面小翼由于質心偏移量大，葉片兩側的最大應力分布有很顯著的變化。

2.2 葉尖小翼結構對葉片位移的影響

圖6和表6為不同葉尖結構的綜合位移示意圖和最大綜合位移值。葉片的最大綜合位移均出現在葉片尖部尾緣位置，其中吸力面和壓力面小翼的最大位移相比原始葉型有不同程度的增加，而雙側小翼則與原始葉型變化不大。

圖6 不同葉尖結構葉型總位移分布圖

表6 不同葉尖結構葉型綜合位移

3 結論

本文對原始葉型、壓力面小翼葉型、吸力面小翼和雙側小翼葉型進行了應力計算，分析了四種不同葉尖結構葉片的最大當量應力和最大綜合位移。通過對不同算例的計算結果進行分析，可以得出以下結論：

1)渦輪葉尖小翼對葉身的應力分布規律無明顯影響，但是會使葉尖處的高應力區沿葉尖小翼結構延伸至葉頂平面；

2)由于葉尖小翼結構改變了葉片的質心，對葉片兩側的最大應力差值有很大影響，其中壓力面小翼由于偏離較大，葉片兩側最大應力相差30 MPa；

3)雙側葉尖小翼結構對葉片的綜合位移影響較小，壓力面和吸力面小翼結構葉片的綜合位移相比原始葉型分別增加0.029 mm、0.032 mm。

盡管葉尖小翼結構作為一種有效抑制葉尖泄漏的結構被廣泛研究，但其對葉片強度有顯著的影響。本文所論述的內容關系到葉片的可靠性和使用壽命，對帶葉尖小翼的渦輪葉片設計有積極的意義。